漫步机设计.doc

工业设计 AP0708617 林武聪

机械设计基础课程设计说明书
——室外健身设备之漫步机

指导老师：崔敏
学号：AP0708617
设计者：林武聪

目录

一、 设计题目：室外健身设备漫步机设计 3

二、 产品介绍 4

三、 计算轴的受力，进行强度校核 5

四、 滚动轴承的选择 9

五、 结构说明与材料选择 10

六、 设计总结 12

七、 零件附录 13

一、 设计题目：室外健身设备漫步机设计
1. 设计要求
1) 设计用于锻炼全身协调能力、腰部肌肉和下肢力量的设备。
2) 连续前后摆动，载荷较平稳。
3) 使用期限较长，适合批量生产，能经受室外多种环境因素，无须经常性维修。

2. 原始数据

参考图片
名称：漫步机

15

二、 产品介绍
1． 使用特点
漫步机为使用方便、简易的健身器材，具有塑身、提臀等多种效果；一机多
功能，脚部做滑步运动，手臂配合做摇摆运动。消除腹部多余的脂肪，塑造您健美的曲线。此外，对于膝关节、髋关节及腿部疾病有一定康复作用。
锻炼方法：
双手握紧把手，脚踏踏板上，两脚前后交替自然摆动，进行漫步动作。使用漫步机锻炼，宜采用“慢―小―快―大―慢”的循环方式，一般以3分钟为一组，做一组休息1―2分钟，每次3―5组。
注意事项：
a. 漫步摆动幅度不宜过大，两腿间夹角保持在100―130度最合适，以免伤
害；
b. 儿童不宜选用该器械；
c．禁止双脚站在漫步机一侧或同时使用同一漫步机。
2． 结构及设计特点
运动简图

左摆极限 右摆极限 实体
支架 等高线 摆动轨迹
3． 维护及保养：
a. 器材上使用的轴、螺栓、滚动轴承等位，应定期进行润滑处理，以提高器材的使用寿命。例如:涂覆或浸入油脂等；
b. 对人体接触的部位，应注意磨损程度，以确保您的人身安全。
三、 计算轴的受力，进行强度校核

[假设：成年男子的平均体重约为70kg（女子与小孩可不予考虑计算），计算取值100kg作分析。步行速度约为60－75cm每秒，跑步平均速度为5~6米每秒，这里取后者列入计算。]
已知条件：两踏板受力为100kg，人对踏板施加一运动均速度，其大小为5米/秒。轴A材质为45号钢，直径为4mm。试校核轴A强度是否符合设计要求？

分析：杆件从C处转到C '（左极限）处，经过角度为X，轴A所受力可分解为切线速度形成的力F '=mv2/r、向心力Fr '和所受重力G。
计算中，为预防零件松动、使用者单脚操作等情况，将人、踏板、连杆AC、连杆BD的质量列入质量m作计算。踏板CD、连杆AC、连杆BD材料为45号钢，详见图1。

图1

由软件分析结果有：

所求物体重量：m物=（4.9616844+2.8594515+4.9302813+1.2382391*10）kg
= 25.1338082 kg
取整数值26kg，以补偿其他小零件的质量，简化计算。

图2
1） 轴力计算：如图2所示，当其运动到C点处时，A点受力最大。其大小为Fmax=mv2/r+G=m(v2/r+g)
计算：m=m物+m人= ( 26 + 100 ) kg= 126 kg v = 5m/s
g取整数值10 N/kg r = 60cm = 0.6m
求值： Fmax= m(v2/r+g)= 126*(5^2/0.6+10) N= 6510 N

2) 强度计算

图3

建立坐标系yAx，画出悬臂梁AB的计算简图。
假想离A端x的Ⅰ-Ⅰ截面处将梁截开，留左段研究。
列平衡方程（以截面形心C为矩心） ，求Q和M：
得到任意截面上的剪力
Q＝F。

得到任意截面上的弯矩
所以，梁内的最大弯矩：

代入数据，求得：
剪力：Q = Fmax = 6510 N
最大弯矩：[M]max = Fmax * LAB = 6510 * 0.09 N.m= 585.9 N.m

计算可得：
A、切应力 = 6510 N/（0.04m*0.06m）

= 2712500 Pa = 2.7125 MPa
查表知，45号钢的许可切应力高达80 MPa ，远大于实际受力情况，符合设计的抗剪强度要求。
B、查表知，实心圆截面的抗弯截面模量为WZ ≈ 0.1d3 ( A轴直径d=0.04m)
45号钢的弯曲许用应力为 ：[σw] = 220MPa

[M]max / WZ = 585.9 N.m / 0.1 * 0.043 m3

= 91546875 Pa = 91.546875 MPa < 220MPa = [σw]
符合抗弯强度条件。

综合A、B的计算可知，材料为45号钢、直径为4 cm的 轴符合设计要求。
同理，可校核长轴的材料强度。（由图2可知长轴受力没有短轴大，此处可忽略不计）

四、 滚动轴承的选择

1. 根据要求，所选的低速轴直径为40 mm ，施加在轴上的垂直方向力最大为Fmax = 6252N。查表得知，代号为6008的轴承 d = 40 mm ，能承受的基本额定动载荷、额定静载荷分别为17.0 KN、11.8KN，符合强度要求。
2. 为了防止滚动轴承的左右移动，在其内侧放置一扣环。材料为45号钢，具体参数如下：

五、 结构说明与材料选择

1. 连接方式：连杆之间以铰链连接，轴
与端面为过盈配合。

2. 滚动轴承置于轴之上，安装扣环是为了防止滚动轴承的径向滑动。挡板直径与圆面一致，作为拧紧螺栓的受力面。

3. 由于滚动轴承的速度较低，所以可用脂润滑。查[2]表7-2，选用钙基润滑脂（GB/T 491-1987），代号为L-XAMHA1。

4.选材说明
机架——采用￠60mm×600mm高、壁厚5mm 和 ￠60 mm×1000mm高、壁厚5mm 以及￠80mm×200mm高、壁厚20mm 的45号钢管（管材质量符合BS1387-1985标准要求，技术标准符合BS1387-1985要求）；焊接采用氩弧焊及CO2气体保护焊(符合GB/T 8810-1995要求)。整体加工成型后经除油、磷化、抛丸处理，表面喷涂户外环保聚酯喷末涂料，高温固化，表面光滑，抗紫外线，色彩鲜艳，不易脱落。

踏板和横板采用5mm的45号钢板压铸成型（符合GB/T 11352-1989要求）。
采用氩弧焊及CO2气体保护焊的焊接方式连接成型。
连杆和扣环用材也为45号钢。

轴承采用深沟球轴承(符合GB/T 276-1994要求)，轴承代号为6008。

螺栓——采用不锈钢316#材质（符合GB/T1221-1992精度标准要求）
其型号以及尺寸如下图所示：

六、 设计总结
通过设计，该漫步机具有以下特点及优点：
1）能满足所需的摆动要求
齿轮传动能实现稳定的传动比，该减速器为满足设计要求而设计了1∶21.36的总传动比。

2）轴具有足够的强度及刚度
所选数据皆为较大数值，具有代表性，且通过软件分析将设备本身的质量加入计算，求得的应力值远小于许用应力，强度等性能得以保证。

3）设计尺寸符合人机学要求
各部件尺寸参考人机工程学数据，符合大多数人的使用要求，踏板的大尺寸底面积和竖起的边缘，有利于脚的摆放，防止使用中因脚的移动造成隐患。

4）安全性能和使用性能
护盖和扣环的合理使用，既能防止使用者接触受力部位，又能确保运动的准确传达。

5） 由于时间紧迫，所以本次设计存在许多缺点，比如说零件厚度过大，重量较大，滚动轴承计算不够精确等等缺陷，希望能在以后的设计工作中做得更好、更精细。

七、 零件附录
挡板

螺栓

深沟球滚动轴承6008

长、短转轴

长轴

短轴

挡圈

踏板与长（短）轴的连接
轴与长（短）轴的连接