毕业设计（论文）多功能跑步机的创新设计

1、 编号: 毕业论文(设计)题 目 多功能跑步机的创新设计指导教师 学生姓名 学 号 200801703063 专 业 机械设计制造及其自动化 教学单位 德州学院机电工程系 （盖章） 2012年2月29 德州学院毕业论文（设计）课题说明书 2012 年 2 月 28 日题 目多功能跑步机的创新设计 指 导 教 师职 称讲师主要研究方向垂直提升机的设计 一 选题的主要目的和意义：跑步机是家庭及健身房常备的器材，而且是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择。跑步机结构简单，与实际陆地运动相比较有相当多的优点，节省空间，在运动过程中，与实际陆地运动相比，可减轻疲劳感并相反的增加能量消耗

2、，达到更好的运动健身效果。当下在市场上存在的跑步机集成了很多电子装置，增加了跑步体验，但是这些跑步机在机械结构方面并没有太大的不同，实际运动功能也仅仅局限于跑步，其实将其经过一定的机械方面的改进，可以在有限的设备及空间上取得更好的运动效果。二 国内外研究现状和发展趋势：如前所述，在当前跑步机流行大趋势下，随着人们消费水平的不断提高及对生活质量要求的不但提高，对跑步机功能的不断提高可有效弥补现实设备的不足，满足人们的运动需求。当前对跑步机的改进设计主要局限于其电子辅助功能方面。可有效提高跑步体验及不同运动虚拟环境，但少有机械方面的改进与设计，譬如集成更多的运动功能。如果在这一方面能稍有突破，相信

3、对于处在工薪阶层的有运动渴望却没有足够的运动空间和运动时间的人士来说是个好消息，会有比较好的市场前景。三、课题设计方案 主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。 本次跑步机的创新设计主要落脚于机械方面，通过对传统机械的改进，以求增加更多的运动种类，以求得在不增加空间占有量及价值成本的情况下更好的满足普通消费大众的运动需求。通过对普通跑步机械加装杆件及齿轮类传动装置，集成自行车及攀爬功能，满足更多的运动需求，本次设计主要集成自行车、垂直攀爬、o型云梯三种运动功能，三者皆是借助于普通跑步机的动力系统。通过简单的、初步设计，首先是令所用的跑步机初步实现所需要的功能，再进一步的

4、设计改进当中可以对其机械传动和外观做更合理的设计与改进。本次设计主要依据于日常生活当中的观察，对普通消费群体的条调查访问，对所得结果加以整合分析，并实际考虑机械方面改进的局限与设计难度后确定跑步机的三种革新方案并加以整合。本多功能电动跑步机的创新设计主要依据为机械原理的基本应用，即对基本杆连接、齿轮传动的应用。四、计划进度安排 主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。1.2011.10.8-2011.10.24 拟定设计题目：根据情况选择指导教师，并经过指导老师同意确定。根据自身的实际情况和今后的发展与指导教师商量后选定或自拟设计（论文）题目。2011.10.24-2011.10.31 设计题目

5、论证：教师对题目进行可行性论证，讨论、审核。2. 毕业设计的研究及设计撰写阶段： 2011.11.3-2011.12.20 确定设计题目及撰写开题报告：由老师指导对所选择的课题进行调研，完成毕业设计开题报告。2011.12.21-2012.3.30 查询相关资料、进行课题研究，在已完成研究的基础上，撰写毕业设计，完成设计初稿。2012.4.1-2012.4.15 系工作领导小组进行毕业设计中期检查，检查设计完成的进度与质量过程。并提交期中检查表。2012.4.16-2012.4.30 指导教师审阅学生设计，提出修改意见。根据指导教师的修改意见进行设计修改，并最终定稿。2012.5.4-2012

6、.5.10将设计（论文）交于评阅教师进行评阅，毕业生根据评阅教师意见，进一步修改设计（论文），准备答辩。五、主要参考文献指导教师意见及建议： 签名： 年 月 日教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年 月 日德州学院毕业论文（设计）中期检查表院(系)： 机电工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 2012 年 月 日毕业论文（设计）题目：记忆的遗忘特点学生姓名徐斌学 号200801703063指导教师侯晓霞职 称计划完成时间：2012年6月日 毕业论文（设计）的进度计划： 2011.11.3-2011.12.20 确定设计题目及撰写开题报告。2011.12.21-2012.3.30 查询相关

7、资料、进行课题研究，在已完成研究的基础上，撰写毕业设，完成初稿。2012.4.1-2012.4.15 系工作领导小组进行毕业设计中期检查，检查设计完成的进度与质量过程。并提交期中检查表。2012.4.16-2012.4.30 指导教师审阅设计，提出修改意见。根据指导教师的修改意见进行设计修改，并最终定稿。2012.5.4-2012.5.10将设计交于评阅教师进行评阅，根据评阅教师意见，进一步修改设计（论文），准备答辩。完成情况：从最初确定设计题目到现在已经有一段时间，经过这段时间的努力，不断为所选课题添血加肉，并在实际操作过成中参考资料并回扣所学过的理论知识再加以调整和利用，使所设计的多功能跑

8、步机创新可行性得以加强。在进一步的论文撰写过程中经过更多的思考,调整和更多资料的融合，有信心完成一次合格的论文撰写工作。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页） 签 名： xxxx年x月x日备 注：目 录摘要及关键词11 引言11.1 跑步机使用局限问题11.2 选题目的和意义11.3 国内外的研究现状和发展趋势错误！未定义书签。2 辅助自行车工作原理及功能错误！未定义书签。2.1 辅助自行车工作原理错误！未定义书签。2.2 辅助自行车实际使用功能2.3辅助自行车设计图纸3 攀爬功能设计错误！未定义书签。3.1 攀爬功能的机械原理错误！未定义书签。3.2 攀爬运动的功能错误！未定

9、义书签。3.3 攀爬功能设计图纸错误！未定义书签。4 .o型云梯功能设计错误！未定义书签。4.1o型云梯功能的机械原理及功能错误！未定义书签。4.2o型云梯设计图纸错误！未定义书签。5 扭腰盘功能设计5.1 扭腰盘功能原理参考文献2谢 辞4多功能跑步机的创新设计徐斌（德州学院机电工程系，山东德州，253023）摘要：本设计是对基于电机动力及电子辅助装置的现代跑步机的机械性能的多功能设计，在原有跑步机功能基础之上通过机械结构的创新改进以求得更多的运动功能和运动体验，并基于此前提下通过优化设计尽力降低其成本价格，并努力缩小其使用及存放空间，在提高其运动价值基础之上使其体现出更大的市场价值，更多的为

10、消费者所接受。为未来城市工薪阶层健身运动开辟出一条新的道路。关键词：跑步机;多功能;机械1. 引言1.1跑步机使用局限问题 当前跑步机主流发展方向即向舒适性，多功能性方向发展，其电子附属设备方面发展更新较快，但在其机械装置更新方面稍有欠缺，当前跑步机的运动功能仅限于跑步等少数几项运动功能，在当下人们生活节奏越来越快的情况下，利用尽量少的时间、空间及资金获得尽量多的运动体验，拓宽跑步机的运动种类非常有必要，而单一的跑步机本身已经占据一定的实际空间，其当下市场价格已经不菲，在相当高的价格及空间使用率之下仅能满足跑步运动功能，对于消费者其他运动需求，譬如上肢运动则要借助于其他运动设施。整个空间及消费

11、需求就会大大增加。不利于此一类家用运动器械的推广和发展。1.2 选题目的和意义本次设计选择多功能跑步机的创新设计，其主要考虑方面是跑步机依托于机械装置的设计获得更多的运动功能，拓宽其市场消费前景。通过基本的支架，连杆等机械机构，借助于当下市场跑步机原型加以改进，使其获得更多的运动功能。增加自行车辅助骑行功能，垂直攀爬功能和o型云梯运动功能，可以在原有空间及少量二次资金的投入情况下体验在室内有限空间下自行车骑行体验、垂直梯子攀爬体验、云梯攀行体验，由原来仅能获得的下肢锻炼转变为全身型锻炼。通过机械部分的改进，设计加入部分杆连接，增加更多运动功能，其本身不会大幅增加其成本，但其运动效果会大幅度增强

12、。使得普通消费大众在没有充足时间及资金的情况下在家中或其他有限空间内进行有效的全面健身。不论是从经济消费方面，即市场前景方面，还是以人为本，从提高人们的生活质量，改善人们的运动条件方面考虑都具有一定的实际意义。1.3国内外的研究现状和发展趋势在当下人们生活节奏越来越快，特别是生活在城市当中的人们，其工作压力日益加大，身体所承受的压力和破坏也日益增大。增加体育锻炼，改善身体机能，成为广大上班族的迫切需求，但有限的生活空间，有限的自由支配时间和资金，导致体育健身变得困难重重。在这种情况下，占用空间小，运动效果良好的跑步机等室内运动健身器械得以长足发展。特别是跑步机，以其占用空间小，模拟跑步运动功能

13、良好受到消费者的青睐并在近十几年得到了极大地发展，由原来的健身房逐步走进了千家万户。当下跑步机的发展趋势主要是提高其跑步舒适体验，相关研发人员在不同跑步模式、跑步过程中下肢受力情况不同从而导致的不同跑步体验、感受方面大做文章。在增加跑步机的运动功能种类方面却鲜有涉足和建树。通过对机械方面的设计创新，增加运动种类，相信会在未来跑步机的发展中开辟出新的方向和道路。2 辅助自行车工作原理及功能2.1 辅助自行车工作原理当前室内体育运动器械当众有模拟自行车骑行健身的体育器材。如图所示，本设计即集成自行车功能在跑步机上，使用普通自行车与普通跑步机相结合即可达到专业运动设备的运动效果。在普通跑步机的基础之

14、上加装自行车扶手，适当加长跑步机的带长，一方面便于降低骑行难度，另一方面增加部分安全措施，保证骑行安全，基本原理图如下图所示在普通跑步机的扶手基础之上加长，加装一个滑槽，对普通自行车加以改造之后令其车把可以再滑槽内小距离滑动，使其产生小范围的车速人工变动及其微量的角度变动，提高骑行的舒适感及其安全度，一般认为在跑步机上骑自行车稳定性不足，并且骑行空间有限，在改进型的跑步机里通过加装部分安全装置以提高其安全性能，在此技术之上通过稍加训练便可以实现原地骑行自行车的运动效果2.2 辅助自行车实际使用功能借助部分辅助设备，即前文提到的滑槽装置，在pro/e 图示中有所交代，提高自行车在跑步机上运行的稳

15、定行能。以此为基础，就可以实现跑步机的一机多用功能，不仅可以跑步，还可以骑行，在其前部的的显示器中可以假装普通视频显示软件，在使用跑步功能或自行车功能时播放道路运行的模拟软件，提高跑步体验。具体设计思路及设计方法在本次设计当中暂不涉及。可在其他相关电子视频设备创新设计当中查询相关资料。在加装自行车功能时，一方面要对普通跑步机加以改进，另一方面也要对使用的自行车进行适当的调整，一方面要降低车把转向的灵活度，避免在有限的跑步机跑带范围内在运行过程中冲出机器，出现安全事故。另一方面调整车把，一方面要令其能够接触到两侧的跑步机滑槽，另一方面要使车把能够在滑槽内轻松滑动，使其能够实现小范围人工调速的功能

16、，在自行车车速稍低于或高于跑步机的速度时，可以保证自行车的正常运行。3 攀爬功能设计3.1 攀爬功能的机械原理在当下的城市运动当中，攀岩运动非常盛行，这类运动一方面锻炼人体的全身肌肉，另一方面可以提高人体的协调能力，因在城市当中很难体验现实生活当中的攀岩运动，室内攀岩运动应运而生，但室内攀岩设备也需要相当的设备及保护措施，其装备成本也是非常的高昂，巨大的应用场地使得人们只有在专业的体育运动场馆才能进行攀岩活动。为突破这一限制，本次设计涉及到此类运动方式，以下即为其设计原理及其使用方式。首先介绍各部分传动元件：1；跑步带，此带为非机械类常用元件，是与圆齿齿轮相配合使用的元件，模仿体育运动器械当中

17、的o型云梯，在此带状元件传动当中可以模拟o型云梯的使用过程，可以在原地进行上肢肌肉的锻炼而不需要占据太大的空间。2：与攀爬带配合使用的齿轮不采用常规的渐开线齿轮，而是采用圆齿齿轮与相应的攀爬带配合。3；通过常规的渐开线齿轮将跑步机电机与攀爬带进行连接，一方面渐开线齿轮具有较多的优点，非常适用于动力传动，另一方面使用常用的标准类元件不仅可以在批量生产当中减低成本，和可以借助其互换优势在维修过程中降低成本及难度。本次设计的涉及设备为民用设备，对传动的精确度及运行环境要求不高，为进一步节约成本，此处使用标准直齿渐开线圆柱齿轮，并不采用斜齿圆柱齿轮。4；在pro/e原理图中提到的最大的一个圆盘状元件即

18、电机保护盒及攀爬齿轮支撑架，为缩小机构体积，降低生产复杂程度，节约成本，本处将两种功能合并在一个元件当中，此处电机保护盒及攀爬齿轮支撑架的内部结构涉及理论力学及材料力学的内容，本次设计暂时不涉及这些领域的内容。默认支撑架内部结构已经设计完毕并符合使用要求。5；支架，这是跑步机创新结构里最大的一个元件，它起到的首要作用既是支撑作用，在跑步机执行攀爬功能时起到支撑整体及攀爬带的作用，在其版面上有一个y形的滑槽，在攀爬功能当中，使用到的是竖直部分的滑道，将整个跑步机的电机及跑步带整体结构沿滑槽整个竖直拉起，连带的攀爬传动装置及攀爬带也被竖直拉起来，将攀爬带的底部与y型支架底部的下支撑轮相连接并啮合，

19、起到定位并导向的作用。在攀爬设计功能当中有一些小型的辅助设计，譬如竖直挂起后的锁紧装置，及电路安排等亦不在本次设计当中涉及，其锁紧装置要求机械锁紧，必须有可靠地安全性能，防止运动过程中因震动导致跑步机体的整体滑落，造成人体伤害。电路的设计要求一方面要保证安全，不能出现线路的大范围密集设计，防止因运行过程中散热难造成火灾，另一方面线路不能影响到跑步机体的竖直滑起落下路程。6；攀爬带下支撑轮，在支架当中已经提及攀爬带的下支撑轮，此处的支撑轮也是采用圆齿齿轮，用于与攀爬带的啮合，起到对攀爬带导向及支撑作用。具体设计时考虑到两个方面的问题，一方面此轮的大小要合适，要适应攀爬过程中人体的攀爬使用宽度，符

20、合人机工程学的要求，另一方面在不使用攀爬功能而仅使用跑步功能时，不能对正常跑步的人体发生干涉，影响跑步过程。而且次轮的装卸要方便，便于在攀爬带立起时其下端与支撑轮顺利结合。本次设计考虑到攀爬功能的设计，因此所设计的支撑架的高度比较大，与人体的高度相结合再加以考虑，在竖直方向要比普通跑步机要占用更多的空间，但是在实际生活当中垂直方向的空间利用率并不高，适当增加占用率并不会造成太大的影响。由于加入了攀爬功能，对电机的功率要求会更高一些，在必须要考虑的机械效率等问题之外设备必须要承担起人的运动载荷，此外相联系的各部分支撑件和传动件也要能够承受其工作载荷，关于元件机构的受力计算涉及机械工程材料、理论力

21、学和材料力学的内容，不涉及本次设计的范围，可以再其他方面查找相关资料。4. o型云梯功能设计 o型云梯是一种常见的户外运动器械，其结构非常的简单，有垂直方向的支柱及水平方向的梯状支撑构成，使用方式即用双手支撑整个身体的重量交替依靠云梯横梁向前攀行，以此来锻炼手部肌肉和身体的平衡性，这种运动器械优点颇多，操作简单，安全系数比较高，最重要的是结构简单，制造成本比较低，是普通大众健身的优先选择，但是o型云梯也有明显的缺点，其设备占用空间比较大，其长度要求要达到5米左右甚至更早长。在居家生活但中难以实现其使用价值。本跑步机的多功能设计涉及到o型云梯的功能，通过另角度思考，由人动梯静的模式改变为人静梯动

22、的模式，具体解释就是通过电机带动云梯循环转动，人体整体保持不动，仅手臂运动，其原理与用跑步机跑步的原理相近。4.1 o型云梯的机械原理及功能 首先介绍o型云梯的各个构成元件，如图所示：1；o型云梯滑槽，此滑槽与攀爬带的滑槽构成y型，竖直部分用于攀爬功能，支撑架顶部的水平部分用于o型云梯功能，但跑步机整体机身顺滑槽抬起时，首先到达顶部的电机部分会沿着水平滑槽滑向右侧，整个机身带动攀爬带发生180度的旋转，形成机身在上，攀爬带在下的结构，基本形成o型云梯的结构。其传动原理、方式与攀爬带原理相同。2；o型云梯上支撑架，此支撑架为扁圆柱状横截面的柱体，附着在支撑架上，可以转动，用于o型云梯的支撑，通过此支撑架可以共同支撑由运动人体所产生的载荷，减轻支架负担，提高安全系数。在支撑架的顶端安装有一个支撑轮，采用的也是圆齿齿轮，用于与攀爬带相啮合，从而起到支撑的作用。3；o型云梯上支撑轮，此轮的作用于攀爬带的下支撑轮功能相同，当攀爬带滑动到指定位置形成o型云梯功能时，此支撑轮与攀爬带相啮合，起到导向与支撑的作用。这个支撑轮的设计需求与前面提到的下支撑轮的设计需求相同。一方面要便于啮合，另一方面要方便拆卸，不妨碍其他使用功能，符合人机工程学的要求，不影响锻炼者的安全与舒适。以上即o型云梯的各个部件及功能，将各个元件安装至指定位置以后即可执行相应的运动功能。具体使用方法前面有所提及，在这里