毕业设计（论文）-行走储能健身一体化的健骑机设计

[14]的标准，240W的轮毂电机的供电电源为直流，且其配对表如下图。表3-9电动机与蓄电池搭配表电动机额定功率蓄电池容量36V180W10、1236V240W12、14续表3—948V240W10、1248V350W17、2048V500W24、32而额定电压36V，额定功率240W的电机建议搭配的蓄电池容量为12A·h、14A·h（2）控制系统的蓄电池选用根据发电机的输出电压为12V，MCU微控制单元的供电电压为5V以及子功能中的照明功能选用6V的LED照明灯，故选用12V锂电池，容量为1800mAh，可持续输出电流为2A4关键零件的分析与校核本章的主要内容是对健骑机的关键零件进行力学分析和校核。在本章中，会结合传统的力学校核以及Simulation进行校核。Simulation是SolidWorks中进行有限元分析的功能模块。它可以根据设计的具体模型，结合工程材料的力学性能，对建立的模型进行应力、位移、安全系数等进行分析。在本章中，将使用该功能模块对健骑机的健身装置中的推拉杆、连杆、支承杆和对行走装置中的主动齿轮轴和主动链轮轴进行分析。4.1行走装置的分析与校核行走装置的关键零件是起传递转矩的轴与齿轮，故对它们进行分析。4.1.1主动齿轮轴的校核1.画图分析法由3.1.5节中对主动齿轮轴的分析得到的弯矩图和转矩图，并结合轴的布置可知，图4-1主动齿轮轴的弯矩图在截面C左侧，弯矩和转矩最大。而在D点处，轴径最小。故对这两点进行校核。其中，受到的转矩按脉动循环变化计算。由公式σ=计算得出σσ两个截面的应力值均小于许用弯曲应力，即σ⩽故由画图分析法从应力的角度去校核该轴是安全的。2.Simulation分析（1）定义材料在3.1.5节对轴的材料的选取是选用45钢，调质处理。其材料属性如下表所示：表4-145钢材料属性模型类型线性弹性同向性密度7890kg/弹性模量2泊松比0.269抗剪模量8张力强度6×1屈服强度3（2）施加载荷假设在轴受到最极端的受力情况，即主动齿轮轴的齿轮固定不动，卷筒依旧输入转矩时，若此时轴的强度和刚度依旧满足，则该轴安全。固定方式见图。（3）划分网格网格参数如表。表格划分如图。表4-2主动齿轮轴网格信息表算例名称主动齿轮轴的静应力分析网格类型实体网格雅可比点16点续表4-2单元大小3.58734mm公差0.179367mm节总数14483单元总数8877图4-2主动齿轮轴约束与受力模型图（4）运行算例运行算例后，得到的主动齿轮轴的应力云图与应变云图如下。其变形比例均为300。图4-3主动齿轮轴应力云图图4-4主动齿轮轴应变云图（5）分析算例根据图4-3应力云图可以知道主动齿轮轴的最大应力发生在安装绕绳盘的轴段处，其值为38.47MPa，小于材料的屈服应力355MPa，所以从应力角度考虑，该轴的设计合格。根据图4-4应变云图可以知道该轴的最大变形发生在安装绕绳盘的轴段处，其值为0.04915mm，查阅《机械设计师手册》，安装齿轮的轴的许用挠度y=0.075mm4.1.2主动链轮轴的校核1.画图分析法由3.1.5节中对主动链轮轴的分析得到的弯矩图和转矩图，并结合轴的布置可知，图4-5主动链轮轴的弯矩图在截面C右侧，弯矩和转矩最大。而在D点处，轴径最小。故对这两点进行校核。其中，受到的转矩按脉动循环变化计算。由公式σ=计算得出σσ两个截面的应力值均小于许用弯曲应力，即σ⩽故由画图分析法从应力的角度去校核该轴是安全的。2.Simulation分析（1）定义材料该轴材料选用45钢，调质处理。其材料属性如4.1.1节中的表4-1。（2）施加载荷假设在轴受到最极端的受力情况，即主动链轮轴的链轮卡死，而齿轮依旧输入转矩时，若此时轴的强度和刚度依旧满足，则该轴安全。固定方式见图。（3）划分网格网格参数如表4-3。表格划分如图4-6。表4-3主动链轮轴网格信息表算例名称轴的静应力分析网格类型实体网格雅可比点16点单元大小1.75507mm公差0.0877535mm节总数75271单元总数50429图4-6主动链轮轴约束与受力分析图（4）运行算例运行算例后，得到的主动链轮轴应力云图与应变云图如下。其变形比例均为300。图4-7主动链轮轴的应力云图图4-8主动链轮轴的应变云图（5）分析算例根据图4-7应力云图可以知道主动链轮轴轴的最大应力，发生在链轮键连接处，为19MPa，其值为小于材料的屈服应力355MP根据图4-8应变云图可以知道该轴的最大变形发生在链轮轴段处，其值为0.02382mm，查阅《机械设计师手册》，安装齿轮的轴许用挠度y=0.075mm4.2健身装置的分析与校核健身装置的受力是要克服人体自身重力以及克服牵引绳施加给推拉杆杆的水平牵引力。故在进行校核前，应该对健身装置的受力进行分析。在本节的分析中，取推拉杆调节到最高挡位即推拉杆伸至最长时，人体拉程时的最高位置为受力最极端的位置。此时连杆与水平面的夹角为30°，人体自重离支承杆的铰链点的力臂为10mm，推拉杆与水平面的夹角为70°，手臂施加力与固定铰链点的力臂为575mm。并且取人体最大重量100kg，牵引绳施加最大水平牵引力27N进行受力计算。其结构简图如图所示。图4-9健身装置受力简图4.2.1支承杆的校核由理论力学的相关知识可以知道，连杆为二力杆，其所受的力沿着杆的轴线，也即确定了连杆给支承杆的力F23图4-10支承杆受力简图列出支承杆的平衡方程F解出F由解得的力学参数，进行Simulation分析。（1）定义材料材料选用Q235,其材料属性如下表所示。表4-4Q235材料属性模型类型线性弹性同向性密度7859.7kg/弹性模量2泊松比0.288抗剪模量8张力强度3屈服强度2（2）施加载荷假设在支承杆受到最极端的受力情况，即支承杆与车架铰接部位卡死，而座椅以及连杆依旧在施加力的时候，若此时支承杆的强度和刚度依旧满足，则支承杆安全。固定方式见图。（3）划分网格网格参数如表，网格划分如图。表4-5支承杆网格信息表算例名称支承杆的静应力分析网格类型实体网格雅可比点16点单元大小3.25588mm公差0.162794mm节总数79012单元总数51595图4-11支承杆约束与受力模型图（4）运行算例运行算例后，得到的支承杆应力云图与应变云图如下。其变形比例均为300。图4-12支承杆的应力云图图4-13支承杆的应变云图（5）分析算例根据图4-12应力云图可以知道该支承杆的最大应力为54MPa，小于材料的屈服应力235MP根据图4-13应变云图可以知道该支承杆的最大变形为0.1mm，发生在安装座椅处，变形率为0.2%，此变形是在极端受力情况下并且未考虑车架给予一个向上支撑力的时候进行分析的，故实际受力时，变形会更小。故从变形角度考虑，该支承杆的设计合格。4.2.2连杆的校核可知连杆为二力杆，故其受力简图如图所示。图4-14连杆的受力简图由解出的力学参数，对其进行Simulation分析。（1）定义材料材料选用铝合金6061-O，其材料属性如下表。表4-66061-O材料属性模型类型线性弹性同向性密度2700kg/弹性模量6泊松比0.33抗剪模量2张力强度1屈服强度6（2）施加载荷假设在轴受到最极端的受力情况，即主动链轮轴的链轮卡死，而齿轮依旧输入转矩时，若此时轴的强度和刚度依旧满足，则该轴安全。固定方式见图。（3）划分网格网格参数如表，网格划分如图。表4-7连杆的网格信息表算例名称连杆的静应力分析网格类型实体网格雅可比点16点单元大小2.36962mm公差0.118481mm节总数101426单元总数60892图4-15连杆的约束与受力模型图（4）运行算例运行算例后，得到的连杆的应力云图与应变云图如下。其变形比例25000。图4-16连杆的应力云图图4-17连杆的应变云图（5）分析算例根据图4-16应力云图可以知道该连杆的最大应力发生在连杆铰接孔处，其值为0.48MPa，小于材料的屈服应力62MP根据图4-17应变云图可以知道该连杆的最大变形发生在铰接处，其值为0.00134mm，变形率为0.00478%，变形可以忽略不计，故从变形角度考虑，该连杆设计合格。4.2.3推拉杆的校核推拉杆的受力简图如图所示。对推拉杆列出其力学平衡方程F其中，F牵F2图4-18推拉杆的受力简图1.上推拉杆（1）定义材料材料同4.2.2中选用铝合金6061-O，其材料属性如表4-6。（2）施加载荷假设在轴受到最极端的受力情况，即主动链轮轴的链轮卡死，而齿轮依旧输入转矩时，若此时轴的强度和刚度依旧满足，则该轴安全。固定方式见图。（3）划分网格网格参数如表，网格划分如图表4-8上推拉杆网格信息表算例名称上推拉杆的静应力分析网格类型实体网格雅可比点16点单元大小4.17236mm公差0.208618mm节总数76601单元总数41103图4-19上推拉杆的约束与受力模型图（4）运行算例运行算例后，得到的上推拉杆的应力云图与应变云图如下。其变形比例133。图4-20上推拉杆的应力云图图4-21上推拉杆的应变云图（5）分析算例根据图4-20应力云图可以知道上推拉杆的最大应力发生在与下推拉杆连接处，其值为9.5MPa，小于材料的屈服应力62MP根据图4-21应变云图可以知道该连杆的最大变形为0.2mm，发生在把手边缘处，变形细微，可忽略不计，故从变形的角度看，该上推拉杆设计合格。2.下推拉杆（1）定义材料材料同上推拉杆，选用铝合金6061-O。（2）施加载荷假设在轴受到最极端的受力情况，即主动链轮轴的链轮卡死，而齿轮依旧输入转矩时，若此时轴的强度和刚度依旧满足，则该轴安全。固定方式见图。（3）划分网格网格参数如下表。表4-9下推拉杆网格信息表算例名称下推拉杆的静应力分析网格类型实体网格雅可比点16点单元大小5.53437mm公差0.276719mm节总数94857单元总数58639图4-22下推拉杆的约束与受力模型图（4）运行算例运行算例后，得到的下推拉杆的应力云图与应变云图如下图所示。其变形比例均为300。图4-23下推拉杆的应力云图图4-24下推拉杆的应变云图（5）算例分析根据图4-23应力云图可以知道上推拉杆的最大应力发生在与转向头安装位置处，其值为1.8MPa，小于材料的屈服应力62MPa根据图4-24应变云图可以知道该连杆的最大变形，发生在脚踏板处，其值为0.09525mm，变形小，可忽略不计，故从变形的角度看，该上推拉杆设计合格。

5结论5.1研究内容总结本次设计的行走-储能-健身一体化的健骑机属于健身行业的一种健身设备。在当下越来越多的人开始重视身体健康以及倡导低碳环保的新时代背景之下，传统的固定式健骑机占地面积大，健身环境单调，健身趣味性低的缺点也逐渐显露了出来。所以我本次设计的移动式健骑机，不但可以实现固定式健骑机的健身功能，还可以代替自行车的行走功能。并在此基础上设计储能装置，将人体健身的能量利用起来，实现能源的利用。本次的设计首先是对方案进行确定。通过形态学矩阵以及对各方案进行比较，选择最终以齿轮和链轮来驱动健骑机行走。其次对齿轮、链轮等关键的零部件进行力学分析，并且根据人体工程学设计健身装置。为了满足健身的持续性和发电的功能，选用和设计了电机和蓄电池，以及利用超声波测距的原理设计了一套趣味性较足的控制系统。然后对健身装置的各杆和传动装置的关键构件进行有限元分析，以确保设计的各构件符合要求。最终依旧设计数据实现三维建模以及装配，并对关键的传动进行运动仿真和制作爆炸视图。5.2创新之处从国内外研究现状中，不难发现对传统的健身设备进行功能和结构上的拓展创新还是很有市场潜力的，特别是在当下这个创新的时代中，越来越多的人愿意去体验创新、有趣的事物。在本次的健骑机设计中，将其设计为机电一体化的健身设备。其主要创新点是设计了一种简单、安全的转向装置。在国内对移动式健骑机的研究中，都不可避免的额外增加了传动装置进行转向。存在转向的同时性不能把握、机构复杂而增加机身重量的缺点。在本次的设计中，只需对车架和支承杆底部进行设计，即可实现转向。避免增加了额外的结构来实现转向，且保证了转向的安全性和协同性。5.3存在问题以及改进方向本次的设计已经初步设计完成，但是其并不是一个最完美的状态。如果要市场化应用，做成产品投入市场，其还有很多地方要进行优化。首先是在减重方面。在《机械设计师手册》中大多为经验公式，设计比较单一，碰到需要减重的情况是通过挖孔和选材来减轻重量。而目前的拓扑优化对结构的优化更为先进，可以实现对质量优化以达到最优。但本人没有对该方法进行更深的了解，所以在这方面的设计还可以进行优化。接着，车架的外形设计上也可以进行优化。例如选用一个更加流线型的车身结构来减少电力驱动时受到的风阻。并可以进行减震的设计。同时，在电控的程序方面，控制电机输出时间的健身次数也可以实现自定义化。例如本次的设计中是设计为健身50次，轮毂电机才可获得5分钟的驱动时间。优化的话可以选择将这个健身次数设置为自己能达到的极限值。功能性和多样性还可以继续研究。最后就是车体其实也可以设计成可折叠式，做到轻量化和方便性。

致谢本次的毕业设计与说明书花了大约5个月的时间。在设计的过程中，我都是尽力将本次设计往符合实际的要求中设计。例如查找相关资料确定符合人体工程学的人体平均输出功率。并在行走装置中，以人力驱动时，应该设置多大的传动比，根据输出转矩反向逆推传递到卷筒的转矩应该是多少，卷筒半径是多少时人才不会觉得累。我也深深地从这次毕业设计中感受到了设计一个符合市场、符合实际的产品是要有扎实的知识储备的。首先很感谢指导老师江帆老师，每当我在钻牛角尖的时候，江帆老师都会认真指导我。在设计、计算、论文和图纸中，江帆老师都给了我很多有建设性的建议。每周的会议都会耐心指导小组成员的模型、结构、设计等问题，并耐心的引导我们进行思考。然后我要感谢刘镇章老师在电控方面的建议。在设计控制程序中，刘镇章老师指出了一个我漏掉的很关键的基础问题，并引导我进行思考，使我在后续的设计中修改了该问题。再者，我要感谢我的家人，感谢四年下来默默关心和支持我的家人。让我可以安心在校静心学习，并在备考研究生期间积极鼓励我。同时也感谢我的母校广州大学，在大学四年生活中让我认识到了很多很棒的老师，他们都对我的学习之路指出很多建议。在学习专业知识外，也让我接触到了很多除机械外的领域。最后，也感谢自己。自己在四年里不断努力和成长。在落后时，不懈追赶，在迷茫时，不断寻找方向。在四年的学习中认清了自己，自己也在一年又一年中成长，明白了自己的目标和追求在哪里。望自己永远保持一颗不断求学、坚定目标的心。谢智铭2021年5月于广州

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附录#include<iom16v.h>#include<stdio.h>#include<time.h>#include<AVRdef.h>//定义unsignedintm=0;//累加次数unsignedlongdist=0;//距离unsignedcharcount_flag=0;//计数标记unsignedintt;//初始化voidio_init(void)//io初始化{