多功能健身车的设计-机械设计制造及其自动化本科毕业设计

摘要摘要本科毕业设计多功能健身车的设计目录.2.3多功能健身车发展趋势健身车的发展方向主要是朝着智能化方向发展。人机工程学是最近几年相对热门的学科，主要任务是研究分析出关键重要的机构和系统设计参数和数据,使设计趋于合理,更适合人的生理和心理要求。根据人机工程学理论和我国成年人身体测量标准,可利用标准人体模板设计健身车主体结构,例如上肢的把手设计参数、下肢曲柄摇杆的设计参数和人体使用健身车的舒适程度的研究。现如今，健身车的研发核心领域并没有实质突破性的发展，绝大部分新型的健身车主要是在运动结构的细节处进行改进、舒适性能的提升和与其他领域设备进行结合改进，但对于健身者来说，并没有给其带来新的体验。健身车的智能化弥补了这一缺陷，其高端的机械配置加上成熟的训练模拟程序，更大程度地提升了健身车的趣味性以及运动效果。智能化健身车注重对运动方式的创新研究，运动体验更加符合健身者的要求。2多功能健身车总体方案的设计2.1人体主要尺寸的分析与选择2.1.1人体主要尺寸分析的重要性自从20世纪开始，人们生活水平的提高，促进了健身产业的发展。热爱健身的人们希望拥有更高水平的健身器材来增强自己的体质、保持健美的体型。运动员的专业训练器械逐步走向千家万户，但是专业的健身器材有些并不适合普通的健身人群，健身者对符合自己要求的健身器材有了极大的诉求，促进了家用健身器材的不断改进和创新。现在市面上的健身器材对健身人员的普遍人体尺寸分析不是很重视，有的健身器材出现了器械尺寸与人体尺寸不融合、安全性稳定性设计要求不高、加工制作粗糙成本低廉、人机界面配合不紧凑的问题。虽然健身器材的样式较多，但是使用体验单一乏味。而这些设计问题的关键就在于目前对家用健身器材的设计中缺少了人机工程的设计意识，缺少健身器材人机工程理论的设计和分析。人的一切活动都是通过人体骨骼、关节与骨骼肌组成的运动系统实现的[5]。人体的不同部位所实现的运动范围、速度、操纵准确性以及所能施加力的大小均不同。人机工程学为健身车的设计提供了最为原始实际的参数，主要包括我国成年男女人体部分主要参数、和成年人人体尺寸国家标准，使得人的体力得到最有效地发挥。合理的对人机工程学提供的数据进行有效合理的分析，使其更加符合人体的生理和心理要求，将对今后健身器材的家庭化产生深远影响。为了使多功能健身车的设计与健身者的心理和生理相互适应，达到健身的过程更加自然舒服，就必须在设计时充分考虑人体的各个尺寸[6]。根据少数人体测量的肢体数据不能作为健身器材的设计数据，设计健身器材需要面对的是多数人群，所以使用数据必须具有普遍性。通常的做法是通过测量群体中较少量的个体样本的数据，收集所得到少量群组数据作为大群体的基本样例，此样例分成组成为随机变量，然后进行统计处理，分析出适合健身车设计要求的数据。2.1.2人体主要尺寸的选择根据参考资料可知，专业的自行车运动员蹬踏板的频率为大于120r/min，输出的功率平均值在500W左右，而对于本健身车设计，考虑到使用人群的一般性，因此需要在500W的基础上加上加权系数0.7，即后面的结构尺寸设计则按照双脚输出功率为350W，双脚的蹬踏频率定为100r/min[7]。人机工程学测量的人体数据主要包含两类，分别为人体构造尺寸是静态尺寸和功能尺寸是指动态尺寸，即为人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸。为了使多功能健身车的设计与健身者的心理和生理相互适应，达到健身的过程更加自然舒服，就必须在设计时充分考虑人体的各个尺寸。GB10000-88是1989年开始在我国成年人实施的人体尺寸国家标准。该标准根据人机工程学要求为我国成年人提供了人体尺寸的基础数据，它适用于工业产品设计、建筑设计、军事工业以及工业的技术改造、设备更新及劳动安全保护。该标准共提供了7类47项人体尺寸基础数据，标准中采用的是中国法定从事工业生产的成年人（男18～60岁，女18～55岁），并按我国成年男女性别分组列出数据[8]。下表列出部分所需数据。表1成年人人体尺寸国家标准表2我国成人男女人体部分主要数据（单位：mm）测量项目男（18～60岁）女（18～55岁）P5P50P95P5P50P95身高158316781755148415701659体重（kg）485975425266肩高1281136714551195127113502.2多功能健身车总体方案根据查阅数据，对健身车进行全方面的设计，制定出多功能健身车总体方案，主要分为机械部分、发电部分、电能转化部分和电能利用部分。2.2.1机械部分机械部分对健身车的椭圆机和健身车部分进行全面合理的人机工程学设计分析，对于家用健身器材，如何进行全面合理的人机工程设计分析显得尤为关键。多功能健身车的主体关键结构包括:健身车座垫杆、健身车曲柄踏板、椭圆机把手、椭圆机踏板、椭圆机曲柄滑块机构等机构的设计，使健身车的各个关键结构相互配合紧凑。对各机构传动部件进行运动分析设计，包括:分动系统的设计、传动系统的设计、传动方式的设计；并通过设计专用的脚踏，使每个驱动都能够更加顺畅、舒适地完成360度整周运动[9]。根据参考资料可知，专业的自行车运动员蹬踏板的频率为大于120r/min，输出的功率平均值在500W左右，而对于本健身车设计，考虑到使用人群的一般性，因此需要在500W的基础上加上加权系数0.7，即后面的结构尺寸设计则按照双脚输出功率为350W，双脚的蹬踏频率定为100r/min。2.2.2发电部分发电部分将健身车飞轮与发电机进行融合，分析设计出永磁无刷发电机，将发电机与健身车主体框架进行组装，发电机摩擦轮改为带轮。能量传递通过两种方式：1、通过健身者蹬踏健身车踏板带动健身车皮带轮，将能量输送到发电机主轴皮带轮，使发电机转动进行能量转化；2、通过健身者蹬踏椭圆机连杆踏板，连杆带动椭圆机飞轮转动，将能量输送到发电机主轴，使发电机转动进行能量转化。带传动它具有传动平稳、噪声低、清洁(无需润滑)的特点，具有缓冲减振和过载保护作用，但强度较低、疲劳寿命短、传动效率较低;需要压带轮，并且传递距离无法改变；链传动其承载能力较大，有一定的缓冲和减振性能;与带传动相比，它能保持准确的平均传动比，传动效率较高，过载能力强，但传动平稳性较差，磨损后容易发生跳齿危险，且传递距离不变；齿轮传动结构紧凑，比带、链传动所需的空间尺寸小，传动效率高，承载能力大，工作可靠、寿命长，不会存在打滑或者跳齿现象[10]。结合多功能健身车在实践中的使用情况，传动方式最终决定使用皮带传动。根据自行车的传动原理，进行机械优化设计，将带传动与自行车传动相结合，制作出皮带轮通过齿形皮带带动后轴皮带飞轮，从而使得发电机转动。发电机选用永磁无刷发电机，内置永磁磁铁，放弃使用线圈通电产生磁场的电磁感应元件，可以大大较少能量损耗；采用无电刷结构设计，将发电机内置转子固定，发电机外轮廓与皮带飞轮相连接充当转子，可以避免发电机电刷更换与维护。2.2.3电能转化部分电能转化部分利用整流、滤波和稳压电路，将发电机产生的不稳定的交流电转化为平稳地直流电源[11]。如图3所示。图3图3电能转化示意图图3电能转化示意图2.2.4电能利用部分电能利用部分主要是将电能转化部分输出的电能进行下一步处理，能源成两部分。一部分为储存的到蓄电池中，为其他移动设备提供能量，另一部分电能在多功能健身车上安装外设充电插件，为移动设备提供能量，例如健身车上模拟现实程序的电脑或者手机等电源供电。3多功能健身车的结构设计3.1健身车踏板曲柄的设计普通自行车曲柄踏板机构可以为多功能健身车曲柄踏板提供设计依据，多功能健身车曲柄踏板相当于一个曲柄摇杆机构。如图2-1所示，踏板曲柄L1机构的曲柄（能作整周转动），人体小腿L2相当于连杆，大腿L3相当于摇杆摆杆），车身L4为机架，从而构成了以摇杆为主动件的曲柄摇杆机构[12]。如图4所示。假设该曲柄摇杆机构的各杆长度分别为L1、L2、L3、l4，为了保证曲柄能作整周转动，曲柄AB必须能通过与连杆BC共线的两个位置AB1和AB2，这时机构各杆分别构成了三角形AC1D和AC2D。根据三角形两边之和大于第三边的三角关系，对于△AC1D，有：(2-1)(2-2) 对于△AC2D，有：L4+L3≥L1+L2(2-3)由上述公式可知：L2+L4≥L1+L3，L2+L3≥L1+L4，L3+L4≥L1+L2化简可得：L2≥L1，L3≥L1，L4≥L1(2-4)根据以上可知，踏板曲柄的长度比人体模型大腿的长度、小腿的长度和机架的长度要短，即L1的长度最短。健身者在健身的过程中，曲柄踏板旋转一圈与人在自然骑行运动时行走一步效果相同。当健身者在多功能健身车上运动时与在自然环境中运动的效果基本吻合时，此时的曲柄摇杆机构的连杆长度关系为设计尺寸，符合本课题的设计理念。国家资料显示自然行走状态人体的步长约为300-400mm。因此，曲柄的长度取值范围为150-200mm。因此取中间值170mm为曲柄的长度[13]。图图4踏板曲柄摇杆机构图4踏板曲柄摇杆机3.2椭圆机踏板轨迹的设计椭圆机上踏板的运动轨迹需要尽可能真实的与自然状态下健身者的运动轨迹相一致。而实际中人体行走的轨迹是不规则的近似椭圆形，踏板上的的轨迹却是椭圆形的，在设计时就必须将实际中人体行走的轨迹进行椭圆化的拟合，这样才能够使椭圆机模拟自然环境下人体的运动。当制定了椭圆形状的拟合曲线，连杆机构运动的模拟就可以设计。如图5表示在设定的速度下，健身测试者在模拟跑步器械上实际测试时的记录数据，实测的脚踝轨迹（实线）用椭圆形状拟合（虚线）的结果。由图5可见：拟合的椭圆长轴、长轴方向的倾角与实测轨迹吻合；但实测轨迹和椭圆在整体上有一定的差异[14]。0.50.450.50.450.30.2单位：m图5脚踝轨迹拟合曲线0.50.450.30.2单位：m图5脚踝轨迹拟合曲线曲柄连杆机构的设计，根据图4的模拟结构为依据，运用解析法，如图5所示，以A为原点、机架AD为x′轴建立直角坐标系x′Ay′。若直线段BC上有一点M（BM=l），则M点在坐标系x′Ay′中表示的连杆曲线方程为式中用连杆点M再现给定的椭圆时，给定椭圆通常在另一坐标系xoy中表示。如图5所示，若设A在xoy中的位置坐标为xA、yA，x轴与x′轴正向沿逆时针方向的夹角为t，M点在xoy中的坐标为x、y，则有将式(2)代入式（1），得关于x、y的6次代数方程上式中共有8个未知尺寸参数，即铰链四杆机构的连杆点最多能精确通过拟合椭圆上所选的8个点。若给出拟合椭圆上M点不同位置的坐标xMi,yMi（i=1,2,,8），分别代入式（3），采用数值解法解方程组，可得一组连杆设计待定参数。当轨迹点数大于8个时，连杆点近似实现给定要求[15]。图6椭圆机坐标系建立示意图图6图6椭圆机坐标系建立示意图图6椭圆机坐标系建立示意图3.3椭圆机曲柄滑块机构的设计椭圆机上踏板的运动轨迹需要尽可能真实的与自然状态下健身者的运动轨迹相一致，通过查阅不同身高人群的步长试验资料，制定步长平均值为50cm时脚部的实际轨迹进行设计。飞轮能量大小可表示为:(I为转动惯量,w为角速度)。可见:因此,若采用单速方式,飞轮尺寸主要受椭圆机机构长度的制约,当转动惯量不能符合设计要求时,可以采取增速机制,在曲柄轴摇杆与多功能健身车飞轮之间通过增大传动比值,从而使飞轮的转动速度加大。一般情况下,飞轮半径取15-30cm,重量6-12kg[16]。图7图7曲柄滑块机构图7曲柄滑块机构图8曲柄滑块极限位置A:飞轮中点B：连杆端点AB：飞轮连杆aBC:连杆bF:左极位点D：右极位点为了使健身车质量相对轻便，将飞轮半径AB取为最小15cm，滑块的轨迹长度FD为50cm，在运动人员健身的过程中，为了不使人体的重心上下浮动过大，将极位夹角DAF设定为3.5度，右极位角ADF设定为7.5度，根据现有数据依次计算其余关键数据：由正弦定理得a+b（AD）=114cm则连杆b=99cmBF=BD-FD=49cm由此得出b-a（AF）=84cm3.4健身车坐垫杆的设计健身车坐垫杆的设计参数主要包括两个方面，分别为倾斜角度和长度调节范围。3.4.1健身车坐垫杆倾斜角度的分析健身者在蹬踏自行车的过程中，小腿、大腿、踏板曲柄和座垫杆四个模拟连杆的长度位置关系可以用下图平面位置关系来分析。如图9所示。为了确定座垫杆的倾斜角度，假设骑行者的腿伸直，即大腿和小腿处于同一直线上的情况下，踏板曲柄正处于水平位置，如图9所示，现取GB/T15759-95标准所提供的最小人体外形模板，即取女性最小会阴高h＝673mm作为设计基准，则绝大多数骑行者将无需把腿伸直，就可将踏板曲柄蹬到最底部。同时根据人体生理特点，α角最大取值为90°，则现取α为90°的位置进行计算[17]。图图9人体下肢示意图图图9人体下肢示意图那么于是有，β≤75.8。根据计算出的数据可知，如果想要减少对坐垫杆材料强度的要求，就要将坐垫杆的倾斜角度加大，β的角度越大，坐垫杆的材料强度就可以相对减少，β的最大角度为90°。为了使坐垫杆的角度具有可调性，可以将坐垫制作成为水平方向可以调节移动的结构，座垫往后移动与增加座垫杆的倾斜角的效果相似。如图10所示。图图10坐垫调节示意图图图10坐垫调节示意图3.4.2健身车坐垫杆长度调节范围的设计在骑行蹬踏过程中，下肢的运动相当于以摇杆为主动件的曲柄摇杆机构[18]。当小腿L2和曲柄L1处于同一直线位置时，摇杆（大腿L3）通过小腿L2传递给曲柄的力F将会通过轴的中心点A，此时压力角α＝90°，使得Fmin＝Fcosα=0，即F对A点的力矩为零，无法使曲柄转动，这个机构处于静止状态，该位置称为机构的死点。如图11所示，健身车的运动过程中，在脚踏板分别处于极限位置B2和B1点时，此时会出现不做功的情况，B1点和B2点分别是骑行过程中的下死点和上死点。与骑行健身车相关的人体关节舒适角度有：肩关节35°～90°、肘关节95°～180°、膝关节60°～130°。图图11踏板运动过程中的死点图11踏板运动过程中的死点从上死点到下死点的过程中，当脚位于上死点时，即曲柄L1与小腿L2共线时，如图11所示,膝关节角度将取得最小值，即θmin＝60°，可求得座垫杆L4的最小值，有：当曲柄L1与座垫杆AD共线时，如图12所示，膝关节角度将取得最大值，即θmax＝130°，可求得座垫杆L4的最大值，有：图12图12曲柄特殊位置图图11曲柄特殊位置3.5健身车带传动分析设计健身车带传动传动机构是由健身者蹬踏健身车踏板，为机构提供原动力。踏板做圆周运动，通过健身车中轴A转动，带动中轴皮带轮D运动。皮带轮与皮带C在摩擦力的作用下使从动轮B转动，通过从动轮主轴与发电机主轴的链接，使发电机主轴做圆周运动，最终能量从健身者传递到发电机的过程，实现能量的转换[19]。图13图13带传动示意图图13带传动示意图A:健身车中轴B：从动皮带轮C：皮带D：中轴皮带轮根据以上设计数据可知，健身车中轴A功率为350W,中轴转动频率为n2=100r/min，从动轮转动频率为n1=200r/min，两轮的中心距大约为1200mm，查阅机械设计带传动计算方法工作情况系数Ka=1.2计算功率Pc=KaP=1.2*0.35=0.42KW选带型号为SPA型小带轮直径由机械设计表11.6可知D1=90mm大带轮直径大带轮转速计算带长求DmDm=134.1mm求=44.1mm初取中心距a=1200mm带长LL=2822.7mm基准长度Ld=2800mm求中心距和包角中心距a=1188.6mm小轮包角=175度求带根数带速v=0.89m/s传动比i=n1/n1=2.1带根数查表可知P0=0.39KW,Ka=0.99,KL=1.03，P0=0.17KWZ=1根张紧力F0=55.4N轴上载荷Fq=159N表3V带尺寸项目顶宽b节宽bp高度h轮缘尺寸大带轮外径小带轮外径带轮宽度Bhahff长度（mm）14mm13mm9mm2.8mm9.2mm11mm183.8mm95.6mm22mm注：大带轮外径D0=D+2ha小带轮外径D0=D+2ha带轮宽度B=(z-1)e+2f3.6发电机的选择发电机是多功能健身车发电部分的关键结构。健身者在运动的过程中脚蹬踏板的频率大约在100转/分钟，利用带轮的传动增速后，发电机主轴的转动频率大约在200转/分。如今市面上常见的发电机主要有：直流发电机、交流发电机、同步发电机、异步发电机(很少采用)。直流发电机的价格与交流发电机的价格相比要昂贵的多，再加上输入的转速在一个频率内浮动，直流发电机产生的电能同样需要经过稳压电路才能够供给用电设备提供能源；同步发电机与异步发电机适用于精密度相对高端，并且输入发电机的动力稳定的机构中。通过对几种发电机进行分析，最终确定使用交流发电机为多功能健身车提供将机械能转化为电能的任务[20]。交流发电机通常由定子、转子、端盖、机座及其轴承等部件构成。发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。交流发电机构造的一般原则是：用适当的励磁和导电材料构成相互进行电磁感应的磁路和电路，从而产生电磁能，最终实现了将机械能转化为电能效果。发电部分将健身车飞轮与交流发电机进行融合，分析设计出永磁无刷发电机，将发电机与健身车主体框架进行组装，发电机摩擦轮改为带轮。发电机选用永磁无刷交流发电机。多功能健身车在健身者运动前没有电能为导磁线圈提供能源，所以发电机选择内置永磁磁铁，放弃使用线圈通电产生磁场的电磁感应元件，可以大大较少能量损耗；采用无电刷结构设计，将发电机转子固定，发电机主轴与皮带飞轮相连接，可以避免发电机电刷更换与维护。最终发电机选择雅马哈EF1000规格发电机，额定输出0.5KVA，最大输出0.65KVA，外形尺寸长460mm，宽120mm，高500，重量为24.8Kg。如图14所示。图14图14永磁无刷交流发电机图14永磁无刷交流发电机3.7多功能健身车电路设计交流发电机产生的电能，电流为为不稳定的交流电，电压在一定范围内波动，在为用电设备供电前，必须通过稳压电路对其进行调整。电能转化部分利用整流、滤波和稳压电路，将发电机产生的不稳定的交流电转化为平稳地直流电源。图15电能转化电路图整流电路将交流电转换为直流电（AC/DC变换），利用二极管的单向导电性将不稳定的交流电能转化为单向的波动电能，在交流发电机产生的交流电源的作用下，整流单向二极管做周期性的关闭和开启，使滤波电路得到脉动直流电能。滤波电路将整流电路输入的不稳定的脉动直流电能滤去不稳定的电压波段，通常利用电抗元件完成，例如电容和电感。稳压电路采用LM317芯片在滤波电路将脉动直流电能的纹波消除后，电能在稳压电路进行进一步的调整，在输入不稳定的电压、变化的负载、环境温度调整、电路参数发生变化的时候，稳压电路仍能输出相对稳定的电压，为用电设备进行电能的提供。电路设计图如图图15电能转化电路图图图15电能转化电路图结论本设计主要设计了一种全新的多功能健身车，对椭圆机和健身车的关键机构进行了分析和研究。本健身车的研究及产业化，对我国健身车产业升级具有重要意义。主要取得了如下的设计成果:健身车的设计对象具有普遍性，面向我国成年男女。对我国成年男女身体尺寸进行了分析和研究，根据所选数据为多功能健身车的设计提供了最原始的依据，使人在多功能健身车上运动时的状态接近自然状态。开创性的将椭圆机与健身车相互结合，两个部分共用一个飞轮，大大节省了材料。健身车运动与椭圆机运动配合进行，为健身者提供新的运动体验。健身者运动过程释放的能量，通过发电机，将机械能转化为电能，电能转化部分实现将电能平稳的输出出去。参考文献［1］龙志健，高楠，孔晓玲．多功能互动健身车的创新机构设计及有限元优化分析［J］．包装与食品机械，2009，27(3):11－14．［2］肖红伟，胡占明，林海等．多功能健身自行车设计[D］．农业机械学报，2010，54(11):138－141．［3］陈红，杨锐．激光加工技术在板栗划口中的试验研究[J]．粮油加工，2009，40(4):142－144．［4］仲兴国，常晓煜，张国安等．复合式健身机的设计［J］．包装与食品机械，2010，28(3):9－13．［5］张有良，刘极峰．高速休闲健身自行车的创新设计［J］．包装与食品机械，200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