机械系统设计课程大作业-健身车的结构功能分析及改进

一．背景概述近几年来，我国健身器材市场一直呈逐年上升趋势，随着全国健身方案的实施，人民生活水平的提高和消费观念的转变等等，对健身器材、特别是家用健身器材、特别是家用健身器材的销售也都有了极大的促进作用，身器材的市场必然会越来越广阔。“一二一”工程倡导社区提供一处以上体育健身活动场所，倡导每个家庭拥有一件以上体育健身器材，这就为健身器材市场绘制了宏伟的蓝图：假设以每户平均有5口人计算，而每个家庭只以拥有一台器材来计算，那么单就这一项，全国就需要2亿4千万件！这简直可谓天下第一市场。健身车是家庭健身器材中的领先产品，早年曾出现了供不应求的局面。预计未来几年内健身车仍将是受欢送的健身器材。健身车在运动科学领域叫做“功率自行车”，分为直立式、背靠式〔也称为卧式〕健身车两种，可以调整运动时的强度〔功率〕，起到健身的效果，所以人们把它称为健身车。属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材亦被称为心肺训练器材。主要是通过身体较长时间，适当强度的运动来促进心血管的运动，加快新陈代谢，增强心脏和肺部功能，从而改善人体的体质。二．健身车的现状和开展趋势从健身车的阻力调节方式看，目前市场的健身车有普及型的磁控健身车〔根据飞轮的构造不同还分为内磁控和外磁控〕，较高阶的电磁控健身车。1、磁控健身车磁控健身车是指产生阻力的金属飞轮外围〔或内围〕有磁铁挨近，通过人力旋钮拉线方式，调节磁铁与金属飞轮的远近调节阻力大小来实现不同运动强度的要求，目前此类健身车是入门家庭用健身车的主力军。2、电磁控健身车原理与磁控健身车类似，只是原先人力旋钮调节更换为拉线马达控制磁铁与飞轮的远近阻力来调节阻力大小，因为马达的出现，加上电脑程序，电磁控健身车的阻力调节段数可以更细微，而且设定的程序允许在运动过程中自动变换阻力大小，形成模拟类似爬山、山地、间歇等自然环境的程序。以适合较高阶使用者。目前此类健身车是高阶家用和小型健身会所常用设备。三．健身车功能分析健身车具有普通自行车所不可比较的优点——可自由发挥自己的骑行速度、掌控骑行时间。通过健身车上配置的电子表，你可以随时观察自己每时每刻的速度、时间、心率值等。利用它进行锻炼，不仅能有效提高心肺功能，还有助于减肥、增强腿部肌肉力度和全面提高身体素质。目前，先进的健身车已到达电脑化程度。车前屏幕除显示出各种数据，如训练者的心率、呼吸频率、时间、速度、耗能外，还能计算出训练者的最正确训练时间、速度及消耗能量，让你既不用担忧自己因运动量缺乏而致使减肥失败，也不必担忧因运动量过大而造成身体不适。有的健身车上所装置的彩色荧屏还能显示出不同的风景画面，让你在锻炼时如同置身于田野外，顿觉心旷神怡。加载控制信号调节阻力大小输入力热量力转化为速度速度转化能量加载控制信号调节阻力大小输入力热量力转化为速度速度转化能量功能结构图四．现有健身车的主要结构及工作原理健身车主要组成局部：主架、皮带轮、电源、磁控装置、皮带、电子表、护罩、扶手等。1.整机外观健身车外观简洁柔和,内部结构采用钢管焊接而成,刚体车架稳固结实,外部罩壳采用各种塑料工艺,色彩多样化,更能有效的防止汗水进入内部。2.仪表〔电子表〕显示.A、转度(RPM)：一分钟传动圆轮盘所转动的圈数。B、时间：单位为分和秒，最高可显示99分钟。对于一般家用来说1个小时左右的有氧运动已足够。在一些运动模式下也可以显示的是倒计时。C、距离：国内产品根本上是以公里为计量单位。D、心率：使用者的每分钟的心跳次数，单位为次/分。E、卡路里：使用者运动时所消耗的热量。1克脂肪燃烧可以释放9卡路里的热量。F、程序：可以显示当前的程序状况。G、体脂测试：测试使用者的体内脂肪含量。按“体脂测量”键，并根据提示，依次输入年龄，身高，体重，性别，按开始键，双手握在心率感应器上〔测试使用者的身体导电率〕，即可测量。3.扶手健身车的扶手区分在于是立式健身车还是靠背式健身车,立式健身车的扶手在仪表盘的两边,而靠背式的健身车那么在坐垫位置的两边。4.车箱体车箱体的大小决定了运动的轨迹距离和内部平衡飞轮的大小。5.阻力调节旋纽阻力调节旋纽只是在物理调节阻力大小的机器上有。构造原理和自行车上的变速器一样，它通过拉动钢丝绳调节另一端磁阻铁离平衡飞轮的距离，以次来调节阻力的大小。阻力调节旋纽暂时分两种，一种是有档位的调节，阻力从1-16左右。一种没有固定的档位，可以进行细微的调节。6.平衡飞轮平衡飞轮最主要的功能是让机器的运转更顺畅，产品的顺畅程度和飞轮的大小，重量有关。椭圆机的平衡飞轮具有以下特点：飞轮的材质多以熟铁，其大小，重量决定了在运转时的惯性，越大越重其惯性越强，但太大了会造成车体内部空间加大，而影响使用效果。一般平衡飞轮重量在5-8kg左右，太小惯性缺乏，使用时会有明显的停顿感。飞轮外表会有凹槽，这样和传送皮带接触面积更大，不易打滑，一般分5槽和7槽。7.磁阻铁磁阻铁是控制椭圆机阻力大小的设备，安装在平衡飞轮的正前方，靠钢丝绳或电机驱动调节其和平衡飞轮的距离，由于磁力大小的不同，到达调节阻力的效果。8.水平调节垫健身车的水平调节垫有两种：①水平垫脚:通过旋转垫脚螺丝调节高度。②水平套筒:套筒的侧面高度不一,通过旋转套筒以到达调节水平的目的。9.脚踏脚踏材料为工程塑料一体压制成型.做工精细的会在脚踏下部配有平衡块,使脚踏一直处在水平的位置上,方便操作。10.移动轮健身车的移动轮根本上都设置在前端,也多为两种方式。①滚轮式:前端做活动的滑轮.②滚筒式:前端做可以活动的套筒11.坐垫,靠背所有健身车的坐垫靠背都是人造革包裹泡沫海棉缝合而成.好坏主要取决于海绵的密度和缝合做工.12.曲柄健身车的曲柄就是连接脚踏位置的杠杆，有考虑到本钱左右两边的曲柄做成一体的,也有但独分开安装。13.导轨只有靠背式健身车才有,由于铝合金的抗氧化性要高,所以多为铝合金材料.考虑到很多老年人的使用方便,车身采用了无障碍设计。五．系统分析〔一〕支撑系统分析支撑系统主要有健身车底部两条条状支架、座椅和把手组成。相较于整个车身底部接触地面来讲，条状结构与地面的接触局部大大降低，因而稳定性也更好，对于地面平整性的要求也更低。倘假设整个车身底部与地面接触，其接触局部存在局部突起也将使得整个健身车发生摇晃或者倾斜。此外条状结构在一定程度上节省材料，降低了生产本钱，提高了产品自身的竞争优势。〔二〕控制系统分析对于磁控健身车调节磁铁与金属飞轮的远近调节阻力大小来实现不同运动强度的要求;对于电磁控式健身车其操纵原理与磁控健身车类似，只是原先人力旋钮调节更换为拉线马达控制磁铁与飞轮的远近阻力来调节阻力大小，因为马达的出现，加上电脑程序，电磁控健身车的阻力调节段数可以更细微，而且设定的程序允许在运动过程中自动变换阻力大小。〔三〕操纵系统分析：主要的操纵系统为车身两旁的两个脚踏板，和显示面板两侧的各种控制按钮。对于脚踏板〔四〕平安系统分析:对于健身器材来说，其主要功能即为了给人一个健康的体魄，没有人会希望在锻炼时受伤。故平安措施就显得非常必要。针对锻炼时防止因出汗而发生意外，在健身车的踏板上都布置有粗糙的花纹来提高摩擦力防止脚上打滑。另外在金属的把手上都套有一层橡胶材料海绵结构的吸汗套，一方面防止因手上出汗而导致意外发生，另一方面也提高了舒适性。此外座椅的高度可调，既可适应身材较为矮小的人和保护身材较为高大的人。六．对现有健身车的总体评价及改良〔一〕评价优点：①健身车通过脚踏轴承带动惯性轮，模拟出骑自行车的感觉，由于是在室内固定位置锻炼,从而防止了在室外运动因天气、环境等不利因素对运动者的身体影响，降低发生运动伤害的可能性,更让很多不会骑车的朋友体验到此项运动的乐趣。②健身车通过集成的电子设备及控制系统还可以方便地记录运动者运动距离、消耗的时间、消耗的热量等运动数据，心率测试功能可以准确显示出运动者当前的心率，更加科学、平安的进行锻炼。缺乏：①现有的健身车大都使锻炼者通过消耗体力得到锻炼效果，但人体消耗掉的能量没有被利用。②室内健身缺乏趣味性，锻炼者不容易坚持下去。〔二〕功能改良为了克服现有健身车的上述缺陷①，即锻炼时人体消耗掉的能量没有被利用的问题，可设计一种发电健身车，可利用锻炼时人体消耗的能量。发电健身车能使锻炼者通过消耗体力得到健身效果，同时使人体消耗掉的能量大局部转换为电能，一举两得。公共健身场所，假设设置多台这样的健身车，回收的电能会是可观的。对提倡开源节流、节能环保的当今，发电健身车极有推广前景。将现有健身车的飞轮改为发电机，并将上肢运动与下肢运动通过手臂摇动装置有机的连在一起，实现人体健身与发电两大功能，设计结构巧秒，能量转化率高。利用健身过程中产生的旋转机械能带动发电系统，产生所需要的电能，通过蓄电池把电能储存起来，如果发电机功率按150w计算，那么每天健身一小时，发电量可以供应一盏15w节能路灯工作12小时。具体实现方案如下：将健身车的飞轮改成发电机或下述盘式发电机；在轴13的大外圆固套沿轴向磁化的圆圈状磁体12，磁体12为一整块磁体或由多块磁体拼结成；在非磁性绝缘圆盘6的中孔装入轴承5，紧贴圆盘6的右端面联接非磁性导电轮状盘7，在轮状盘7的间隔中填充非磁性绝缘材料16，但中孔除外；在非磁性绝缘圆盘10的中孔装入轴承15，紧贴圆盘10的左端面联接非磁性导电轮状盘11，在轮状盘11的间隔中填充非磁性绝缘材料16，但中孔除外；圆盘10与圆盘6相同；轴13的左端依次穿过轮状盘7的中孔、轴承5的中孔，轴13与轴承5配合，且使磁体12的左端面离开圆盘6的右端面一间隙；在轮状盘7的外圆套非磁性导电圆环9，圆环9的外圆与轮状盘7的外圆大小相同，圆环9的内圆离开磁体12的外圆一间隙；将轮状盘11从轴13的右端套入，其左端面紧贴圆环9的右端面，且离开磁体12的右端面一间隙，轮状盘11与轮状盘7相同；在轮状盘7、圆环9及轮状盘11的外圆套非磁性绝缘圆筒8，且与圆盘6联接；使轴13的右端依次穿过轮状盘11的中孔、轴承15的中孔，轴13与轴承15配合，且使圆盘10与圆筒8联接；轴承5、轴承15为滚动轴承或滑动轴承或磁轴承；轴13、磁体12组成转子；其余的零件组成定子；所述转子、定子组成所述盘式发电机；定子固定在车架；在轴13上装传动齿盘或齿轮14，且使齿盘或齿轮14的左端离开圆盘10的右端面。人登转大齿盘或齿轮1，通过链条或直接使齿盘或齿轮14转动，从而使所述转子在定子中转动，轮状盘11与轮状盘7上的辐射导电条切割磁体12的磁力线感应出电势，转子转动越快，得到的感应电势越高。磁体12左右左右两端的磁极相反，使轮状盘11与轮状盘7上的感应电动势方向沿径向相反，导电圆环9将轮状盘11的边缘与轮状盘7的边缘连通，即使轮状盘11与轮状盘7串联，分别从轮状盘11的中部导电环，轮状盘7的中部导电环接导线，就能导出感应电能，可以储存到蓄电池中或外供。注:此方案同样也适