折叠型跑步机结构设计及CAE分析

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)折叠型跑步机结构设计及CAE分析THE STRUCTURE DESIGN OF TYPE FOLDING TREADMILL AND CAE ANALYSIS学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：

2、本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要针对人们锻炼身体的特点，本文设计了新型的折叠型跑步机。此款跑步机包含的主要功能如下：可折叠、跑步、播放器、显示屏、里程表、心率仪、按摩、仰卧起坐。课题研究内容如下：一：外形结构，设计了下支架、辅助支架、仰卧支架、基架、跑板、跑带、

3、显示屏，基于ABS塑料耐用、防油等特点，显示屏选用ABS塑料。显示屏上功能比较齐全，由内部电子系统控制，可实现音频、视频播放，测里程、测心跳，并且具有高清显示屏。二：传动设计，设计了多楔带、带轮、滚筒轴，选用了跑步机专用电动机。按照跑步机最大承重量和速度范围，确定跑步机所需功率和转速。三：辅助机构，设计了按摩仪和仰卧起坐架。综合分析以往跑步机功能的单一和人们兴趣的不同等因素，在辅助支架上安装了辅助功能。四：CAE关键零部件的分析，基于ANSYS软件对跑步机关键零件把手和跑板进行了静力学分析，获得了应力场和变形场结果，为结构设计提供了定量的验证依据。本课题是在UG、CAD软件下，进行整体绘图设计

4、、分析，为设计起到了很大的帮助。关键词 跑步机；多功能；结构设计；CAEAbstractAccording to the characteristics of the people to exercise, in this paper, the design of new type folding treadmill. This treadmill includes main function is as follows: folding, running, player, display screen, odometer, the heart rate meter, massage, sit

5、-ups. Research content is as follows:A: appearance structure, design under the stents, auxiliary support, lie on your back, base frame, run, run, display, based on the characteristics of ABS plastic is durable, prevent oil, screen to choose ABS plastic. Display screen, with controlled by internal el

6、ectronic system, which can realize the audio and video playback, measuring range, measuring the heart rate, and has a hd display.Two: transmission design, design the wedge belt, belt wheel, roller shaft and choose the special-purpose motor running machine. According to the maximum bearing weight tre

7、admill and speed range, determine power and speed for the treadmill.Three: auxiliary mechanism, design the massager and sit-ups. Comprehensive analysis of previous treadmill function of single and factors such as differences in people's interest, installed in the auxiliary support auxiliary func

8、tions.Four: CAE analysis of key parts, based on ANSYS software of key parts on the treadmill handles and run, has carried on the static analysis, obtained as a result, the stress field and deformation field provide a quantitative verification of the basis for structural design.This topic is under th

9、e UG, CAD software, drawing design, the whole analysis, as the design has played a big help.Keywords Treadmill Multi-function CAE UG 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1跑步机国内外的发展前景11.2本课题的研究内容12 总体方案设计42.1跑步机的结构组成和工作原理42.2跑步机的多功能性52.2方案确定53 传动机构的设计与计算63.1传动带的选择和参数的确定63.2带轮材料结构和尺寸选择103.3电动机的选型113.4散热扇的设计123.5前后滚

10、筒的设计143.6滚筒轴的设计143.7轴承的设计153.8轴强度校核154 外型结构设计174.1 基架的设计174.2支架的设计184.3扶手和显示板的设计184.4防护罩的设计205 传动结构的设计215.1跑板的设计215.2减震系统的设计215.3传动带的设计235.4跑步带的设计235.5液压杆的设计246 辅助机构的设计256.1按摩仪的设计256.2仰卧起坐架的设计267 折叠型跑步机关键零部件的CAE分析288 跑步机的使用维护和保养338.1跑台润滑油的添加338.2使用注意事项33致谢35参考文献361 绪论1.1跑步机国内外的发展前景随着市场经济的发展和深入，健康问题和

11、健身问题越来越深入人心，生活节奏加快了，工作压力加大了，空闲时间就月来越少，为了跟上社会的节奏，人么都恨不得吃饭都在工作，随之而来的就是各种疾病，高血压，高血脂，高血糖，腰间盘突出，心脏病，这些疾病都被人们成为富贵病，因为它们大都出现在城市白领身上。吃完饭没有足够的运动，就坐在电脑旁，办公桌前开始工作，久而久之身体机能下降，免疫力下降，疾病就随之而来。那么，我们怎么通过运动来增加免疫力，强壮体格呢？这个问题越来越受到重视。跑步机起源于欧美国家,由于工业在欧美首先发展起来,所以机械化运作也逐渐发达,起初跑步机的发明只是给人使用,现在随着应用领域的扩大,为了有效的训练一些动物的跑步速度,比如警犬,

12、还专门设计了犬类专用跑步机。然而在中国，跑步机的发展历史并不是很长，前后时间才有20年，由于它的价格相对一些简单的运动器材来说还是比较昂贵的，所以跑步机还并不普及。但是跑步机虽然在中国发展的时间并不长，但是已经更新了四代，发展的速度还是比较惊人的，由机械式，到电子式，再到数码式，它的功能越来越齐全，操作也越来越人性化。随着跑步机的普及，价格也没有以前那么高了，信心不久的将来跑步机会惠及每一个家庭。跑步能达到全身锻炼的效果，相当于站在一个减肥振动机上，全身肌肉都会随着你的跑步节奏速度颤动，好比给肌肉按摩。科学研究表明，任何生物体只有动起来才不会腐朽，越用越灵活，同样对于身体也是，任何机能，只有多

13、加锻炼才会更加健康。老年人由于身体机能的下降，都会得骨质疏松病，经常跑步会降低骨质疏松的速度，减缓骨骼的老化。处在成长发育期的青少年，因为骨骼发育比较快，容易缺钙，也容易得骨质疏松病，经常跑步能锻炼骨骼，让骨头与骨头之间精密结合，健康发育，身体更强壮，防止骨科疾病。跑步机不仅解决了运动的问题，还有健康问题，所以是一个很好的运动器材。跑步机在中国的发展历史相对比较短，但是发展速度还是比较迅速，是城市白领人士和健身房的主要健身器材。跑步机种类很多，折叠式和非折叠式，电动式和机械式。每一种跑步机都有自身的特点和适应人群，希望运动成为全民运动，不会因为价格的因素而成为我们的障碍，现把跑步机分类列表1-

14、1所示。以及折叠型和多功能型跑步机见图1-1和图1-2所示。1.2本课题的研究内容本课题的设计内容主要从零部件到整体的设计，从零件的测绘，到整体的组装，再到性能的分析。设计过程中会用到很多辅助软件，这些软件可以帮助你更好，更快的完成设计。研究方法有好多种，可以到市场调研，观察看市场上目前跑步机都是什么类型的，每种类型都有什么特点，每个特点都能实现什么功能，及时的做好总结。也可以通过上网收集资料，参考一下国外都有哪些先进的技术。在完成基本功能的同时，实现在原有基础上进行创新，无论是功能上还是外形结构上，怎样让顾客更愿意接受。表1-1分类电动跑步机机械跑步机多功能跑步机特点电动式跑步的优点是比较省

15、力。而且对于脚后部肌肉的损害也比较小，因为整个的跑步带是由点带动，在准备跑步之前调节好速度，只要人在跑带上跟着速度跑就可以，不需要用力。这种跑步机跑起来更持久，但是是一种被动的跑步，如果稍加不注意，跟不上节奏，也有可能发生意外，这是一个比较大的缺点。有待改进，如果上面加一个传感器，能够检测到人的运动，如果人动机器才会正常运转，人一旦不动了，速度就会降下来，这样就会降低事故的发生率。这款跑步机对于电动式跑步机来说截然相反，它的速度完全靠跑步者自己掌握，运动者动跑带才会动，跑步者不动，跑带就会停止运动，优点是安全，因为它的速度根本就不会很快，而且随意启动和停止。缺点就是显而易见的了，速度靠跑步者自

16、己来决定，也就是说你用多大的劲才会有多大的速度，不使劲就没有速度，这样容易让使用者产生疲劳和厌倦，使运动不能持久，而且要使带运动起来需要很大的力度，对于脚上的肌腱来说是一种很大的伤害，因为每一步都需要很大的力才能使带正常的运转，要有很大的速度基本上也是不可能的了。相应地价格也会很低。多功能跑步机顾名思义，就是这款跑步机不仅具有跑步的功能，而且融合了多种功能于一体，比如仰卧起坐，全身按摩，扭腰盘，哑铃，跳绳等，可以实现全身上下每一个部位的运动，腿部，腰部，颈部，肩膀，相比前面两款来说功能更齐全，设计更人性化，对于不同的人群来说都能起到一个很好的锻炼效果。并且现在多功能还不仅仅是体现运动方式的增多

17、上，更方便的是，可以折叠，这对于笨重的跑步机来说，又是一次飞跃，对于城市中，家里面积小的用户来说，就是一种很大的方便，并且折叠结构是液压装置，整个下降和上升过程都很轻松，在跑步机下方还有橡胶滚轮，轻松方便随处移动。相应的价格也会有所提高，但是功能可以选择，适合什么功能就购买带有什么功能的跑步机，这样也不会造成功能的浪费。 图1-1折叠型 图1-2 多功能型2 总体方案设计2.1跑步机的结构组成和工作原理跑步机的主要结构是电动机、液压升降马达、跑步带、跑步板、滚筒、减震系统、折叠机构、支架、基架、按摩仪、仰卧起坐架和显示板等。跑步机的整体结构是通过螺栓连接而成，一方面是便于运输，另一方面是便于拆

18、装，当不使用时可以拆卸收起来，再者当跑步机内部出现问题时，可以把外部拆下来，便于内部的维修。跑步机的支架包括上支架和下支架。上支架和下支架的二维图纸见附录二和附录三。上支架由扶手和电子显示屏组成，扶手用于支撑，当运动者在跑步发生意外时，扶手可以支撑人的全部重量，因此要对扶手进行应力分析，这一块将在后面CAE分析章节中详细讲解。电子显示屏上功能很多，包括音频，视频，开关，心率仪，物品放置处等。下支架和基架通过螺栓安装在一起，下支架主要起到支撑跑步机下部整个机构，并且下支架和基架之间还有伸缩弹簧，可以缓解跑步运动时引起的振动。基架的二维图纸见附录四在跑步机前端还有电动机，跑步机所使用的电动机是跑步

19、机专用电动机，因为跑步机整体空间的有限，所以专用电动机的体积相对于普通电动机的体积会比较小一些。电动机轴上还安装有散热扇和主动轮。多楔带一端安装在主动轮上，一端安装在从动轮上，从动轮安装在滚筒轴上。跑步机有两个滚筒轴，分别在跑板的两端，传感器安装在滚筒轴上，可以测量电动机的转速，根据滚筒轴的直径，再加上跑步时间可以测量跑板里程数。跑步皮带通过跑板绕装在滚筒上。跑步板由特殊材料制作而成，具有弹性，而且柔韧，减少冲击，具体的介绍将在下面的章节中详细说明。跑步板和基架之间装有六个减震弹柱，使运动更平稳，噪声更小。液压折叠机构装在基架和跑步板之间，放下时不会突然降落，会有5秒钟的缓冲时间，有效的减少了

20、意外的发生。同时在支架前端的辅助支架上安装有按摩仪和仰卧起坐架，实现跑步机的多功能性。跑步机的整体外观结构如图2-1 ，二维图纸见附录一。跑步机的工作原理就是人在与自身的运动方向相反的跑带上进行跑和走的训练，现在的跑步机模拟陆地行走和跑步，也可以模拟爬山运动，但是跑步机的跑步带由于运动方向和我们后脚的运动方向相同，并且有弹性，所以能减少对腿关节和脚踝的伤害，防止肌肉拉伤。根据不同年龄层次或者爱好的不同，本课题设计的跑步机在以往跑步机的基础上增加一些辅助健身器材，满足不同的需要，比如哑铃，扭腰盘，仰卧起坐，按摩仪等。为了不造成功能的浪费，同时也是保证价格能普遍接受，所以选择仰卧起坐和按摩仪，一个

21、动，一个静。图2-1 跑步机2.2跑步机的多功能性为防止跑步机在运动时出现意外,所以跑步机不会突然速度变为零,会有一个阶梯速度,这是通过仪表盘上的触摸开关实现的,通过触摸开关引出一个带有夹子的长绳，一端接触触屏仪，一端夹在跑步者的衣服上，当跑步者发生意外摔倒时，会拉动夹子，使开关脱离，停止转动，防止意外发生。总里程记录，在跑步机底座的滚筒上安装计数器，通过计算滚筒的直径以及转的圈数来换算跑步的距离。仪表盘不仅能调节时速，还能听音乐，测心率，实现健康运动。跑步机不仅可以实现跑步功能，还可以实现许多辅助运动，比如仰卧起坐、按摩、扭腰、哑铃等全身运动。但是一款跑步机功能不宜太多，因为运动的有限，所以

22、为了不让资源浪费，也考虑到生产成本这一方面，在此设计的跑步机只加入了仰卧起坐和按摩仪的辅助功能，老少皆宜，既实用，又能实现有效的利用。并且按摩仪可以拿掉，如果在购买时不需要这个功能，可以无需购买。2.2方案确定在深入了解了跑步机的整体结构和基本功能之后，根据本课题对所设计的跑步机的要求，长：宽：高比例131.6cm×68.7cm×124.3cm；最大承重量90Kg，速度0.8-12km/h，可以确定整个跑步机的大小，根据承重量和速度，选择电动机和传动系统，确定前端预留出的距离，以方便安装，然后设计跑板，随后确定跑带，显示屏和辅助支架可以设计完主要机构之后再根据主要尺寸和配合

23、设计、安装。6 辅助机构的设计6.1按摩仪的设计为了解决跑步机功能单一的问题，再者是满足一个家庭不同人群的需要和达到全面的锻炼，在跑步机的基础上，增加了按摩仪的功能。按摩仪能按摩腰部、腿部、颈部、胳膊，缓解酸痛，同时运动强度不大，特别适合长期坐在办公室的上班族，还有腿脚不方便的老人。按摩仪的整体结构见图6-1所示图6-1按摩仪按摩仪的上部是一个椭球形，两边是一个凸起，用于安放按摩带，下部是一个卡槽，卡在辅助支架上。按摩仪上部的结构比较复杂，首先画出草图如图6-2所示，然后用回转命令，具体参数见图6-3所示。图6-2草图 图6-3回转命令下部的草图形状如图6-4所示，通过拉伸命令，具体数据见图6

24、-5所示图6-4草图 图6-5拉伸命令凹槽与6-5拉伸后的图形进行求差运算，最后得出图6-1所示。凹槽的草图如图6-6所示图6-6凹槽草图6.2仰卧起坐架的设计仰卧起坐架是在辅助支架上加的一个功能，辅助支架和仰卧起坐架见图6-7所示。仰卧起坐架的高度设计是根据市场调查，下部的横杆距离地面20mm，上下的横杆距离45mm,一方面是为了做运动时腿部不会太酸痛，同时腰部也不会弯折太厉害，舒服的姿势能增加运动效果。同时在横杆上安装有海绵，增加脚腕处的舒适度，不会因为皮肤直接与支架的直接接触，摩擦脱皮。同时仰卧起坐架与辅助支架是通过螺栓连接，可以根据个人的身高，调节高度，比较方便。图6-7仰卧起坐架常见

25、的辅助机构还有很多，如扭腰盘，哑铃等，见图6-8所示，为了不造成功能的浪费，只设计了如上两款。图6-8哑铃与扭腰盘7 折叠型跑步机关键零部件的CAE分析 信息高速发展的社会，我们无论做什么都可以说离不开电子产品，从第一台电脑的诞生，我们的社会发展就有了巨大的改变，电脑在我们生活中，起到了举足轻重的作用。从产品的构思，设计制造，再到市场的销售，每一个环节都有着非常大的作用，计算机的应用都极大的提高了效率和质量。在工业设计中，计算机也扮演着重要的角色，计算机辅助过程中，CAE就是一款很有用的软件，许多在实际中要耗费大量的人力物力的东西，CAE只需要一个测试，一个小程序就可以轻松的解决。有限元分析法

26、是在辅助设计中最经常用到的一个方法，对力的分析，快速有效，解决了市场上一大块问题。CAE指工程设计中的计算机辅助过程，指用计算机辅助求解分析复杂过程和产品的结构力学性能等16。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。它设计到工程管理学、运筹学、统计学、质量控制等科学技术。ANSYS是CAE分析软件中的其中一款，ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一16。ANSYS的功能包括结构分析、热分析、电磁分

27、析、流体分析、耦合场分析。在此使用结构分析中的静力分析对跑步机进行有限元分析16。跑步机在使用过程中主要是在跑板中间，跑板两侧的踏板，以及扶手上施加力，所以在此只对这三处进行有限元分析。如图7-1所示，是对跑板中间部位进行CAE17分析的结果。中间两个黑色圈内相当于人站在上面的两只脚，当整个身体的力施加在跑板中间时，发现跑板会发生轻微的变形，从外到内变形程度逐渐加大，红色变形量最大，图右上方是变形程度的比较直观的数据。图7-1跑板中间部位分析在前期处理完之后就是网格的划分，网格划分的程度，与效果成正比，划分的详细，结果就会越明显，但是有时候没必要太详细，如果分析结果太详细，对于制造成本就很高，

28、网格的划分见图7-2所示图7-2网格的划分CAE分析首先是前处理阶段，在所要测试的范围内施加一定的压力，如图7-3所示图7-3结构选择在选择完结构之后就是确定泊松比和弹性模量，见图7-3所示图7-3参数的选择图7-4是对跑板两侧的其中一侧进行的有限元分析,因为跑板两侧是对称放置的,所以只对其中一侧进行应力分析即可。之所以对跑板两侧分析是因为跑步机在运动时，运动者很可能会站在跑板两侧作为休息区域，或者是在遇到危险时，会不由自主的站在远离跑带的区域，这时施加在跑板两侧的力就是人的整个体重，所以对这部分进行受力分析很有代表性。图7-4跑板两侧部位分析分析过程首先是选择泊松比和弹性模量，如图7-4所示

29、。然后在所要测量应力变形的地方划分网格，划分网格之后，施加90千克的力，如图7-5所示，测应力变形。图7-4参数的选择图7-5网格划分和力的施加图7-6是对上支架扶手的有限元分析，整个力施加在扶手上，向下压动扶手时扶手会发生轻微的变形，向上鼓起，越靠近扶手尾部，变形量越大，因为在扶手的前端有显示屏还有下支架做支撑，变形量会比较小，整个的变形程度如图右上角颜色数据所示，红色变形量表示最大，变形量单位为mm。因为是钢结构，所以整体的变形量还是比较小的。图7-6扶手部位分析对扶手的分析顺序跟前面的分析流程是一样的，也是划分网格，选择参数和施加压力。具体数据参数见图7-7,7-8,7-9所图7-7网格

30、的划分图7-8施加压力图7-9参数选择8 跑步机的使用维护和保养8.1跑台润滑油的添加跑步机在使用过程中，各个零件之间会发生摩擦，为了延长零件的使用寿命，同时防止使用过程中出现安全问题，所以要对跑步机的零件进行定期维护和保养，防患于未然，维护和保养的方法有很多，经常擦拭，润滑，尽量不要向上面泼水，当有漏电状态时，要及时拔掉电源，找专业修理人员进行维修。润滑油的添加，可以防止零件生锈，不需要摩擦力的地方可以减少摩擦等，添加润滑油具体的注意事项和特点18见表8-1所示表8-1 作用品质要求使用方法使用频率注意事项1、减少跑步带和跑步板之间的摩擦力，保护跑步板上的耐磨层，延长跑带、跑板的使用寿命2、

31、减少电能的损耗3、让用户在户外运动时更流畅1、 耐高温2、 粘度高3、不易挥发1、掀开左侧跑步带，将润滑油沿着跑步带方向倒在跑步板上，控制用量为10ml2、右侧同左侧一样操作将跑步机通电运转在3km/h以内，在跑步机上踩踏，使润滑油均匀涂在跑步机上每6个月加注一次润滑油加注量不可以过大，否则摩擦力太小，跑步带和传动滚筒之间容易打滑8.2使用注意事项跑步机作为经常使用的健身器材，所以为了更好更健康的使用，避免造成不必要的伤害，同时也是为了发挥跑步机最大的用处，就需要注意一些问题，现在把需要注意的问题列表8-2如下。所有的的注意事项都是平时稍加注意就可以解决的问题。表8-21在确认安装好，没有安全

32、隐患之后再使用2因为跑步机电源线是专用的，若电源线发生损坏或者是发现有漏电的现象，不要随意更换，应该与卖家联系，及时更换或维修，以免发生事故。3因为跑步机是插电使用的，所以防水、防潮是正常的，而且跑步机本身也有一部分是塑料，还有就是都是用螺栓紧固上的在关健部位，所以要防撞击。4跑步时也最好穿适合跑步的衣服，一是为了运动起来会舒服，二是，也是为了运动期间，防止危险的发生。5当你使用跑步机时，不要站在跑带上启动，可以站在跑步机两侧的修饰板上，刚开始时速度不要太快，更不要试图跳上正在快速运行的跑带上。6跑步机毕竟是机器，不能随叫随停，再安全的东西都存在安全隐患，所以请不要单独让老人小孩使用。结论本课

33、题以研究折叠型跑步机的折叠性和多功能性为目标，进行了一系列的调查研究和理论分析。设计了折叠性跑步机的整体外观图，完成了基于CAE软件的关键零部件的受力分析，主要内容和结构体现在以下几个方面：一总体框架的设计，在综合分析了各种跑步机的优点的基础上，此款跑步机的整体结构，采用合金钢，并且前端支架比较粗，由于前端安装有带，带轮和电动机等动力系统，比较大的重量能增加机身的稳定性。二显示屏采用五十度斜角的设计，正好符合人体视线的角度，并且便于跑步时的操作，可观看视频，并且上面设置了凹槽，可放置水杯、手机等小型物品。显示屏是高清显示屏，并且由电子系统控制，相当于一个小型CPU，可实现心率测量等功能。三研究了跑步机为实现特定的功能所需的功率和转速，在综合对比分析了多款跑步机的性能和优缺点，最后选择了永磁无刷电动机能有效提高电动机使用效率。四设计了多功能支架，通过市场调查，有的人不适合跑步或者做剧烈运动，为了满足一家不同层次的需要，在这里添加了两款功能，按摩和仰卧起坐，一动一静达到不同需求。五在普通跑步机的基础上设计了可