划船器机构研究与设计.doc

课程名称：《机械综合应用设计》

设计题目： 划船器机构研究与设计
院 系： 机械工程系
专业班级：
学 号：
姓 名：
指导教师：
成 绩：

2015年 09月 01日

《机械综合应用设计》课程设计说明书 第IV页

课程设计任务书

专 业 姓 名 学 号
开题日期： 2014 年 09月 01 日 完成日期： 2015 年 09 月 01 日
题 目 划船器机构研究与设计

一、设计的目的
由教育部主办的机械创新设计大赛目的在于引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神；提高学生针对实际需求进行机械创新思维、设计和制作等实际工作能力，吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。其中第二届的主题就是“助残机械、康复机械、健身机械、运动训练机械等四类机械产品的创 新设计与制作” ，因此本题目就是根据目前已有的户外健身机械进行研究和设计，并能够进一步提高功能和能力而进行的设计。
二、设计的内容及要求
1、分析该机构的运动原理，了解对人体锻炼的部位及效果；
2、对划船器机构进行设计计算，包括运动和动力两部分的计算；
3、适用范围体重在40-140kg,身高在1.3米-1.8米；
4、用软件进行可视化仿真。

三指导教师评语

四、成 绩

指导教师 (签章)
年 月 日摘 要

户外健身路径，像一朵朵盛开的花朵，装点着现代化的城市，为全民健身提供了随时随地的便利，但是也需要科学使用，不然会适得其反。既要锻炼身体，又要免受伤害，做到两全其美，才能达到健身的目的。户外健身器材里的器械设置，目标群体是大众，它的广泛普遍性使其具有简单、易学、见效快的特点，而其中尤以划船健身器更受欢迎。划船器是增加和改善背阔肌及肩胛肌的肌肉体积和肌肉轮廓，提高人体全身运动的协调性，改善髋关节的灵活性和韧带的柔韧性的健身器材。本文在原有划船器基础上，对其进行结构分析处理，画出机构运动简图，并提出多种不同方案，然后从中选取最优方案进行创新设计。选定方案后，再对其进行运动与动力分析，通过分析其在不同状态下的不同状况，选取适当的结构与材料，最终设计出一个更好的划船器。在研究分析划船器的组成及其零件间相互关系的基础上，再进行细化分析，通过对轴、螺纹连接等分析，保证划船器的稳定性与安全性，最后在归零为整，保证整体协调性与美观性。然后利用Solid edge软件对健身器材划船器进行实体建模和运动仿真，并用Ansys分析软件进行模态分析与受力分析，从而为划船器的优化设计打下基础，使划船器真正起到其应有的锻炼作用。最后再利用Auto CAD把三维模型转化为二维图纸，方便以后的加工与装配。

关键词：划船器；结构分析；建模；运动仿真

目 录

第1章 划船器设计思路………………………………………1
1．1工作原理及用途………………………………1
1．2 设计思路………………………………………1
1．3 机构运动简图…………………………………2
1．4 提出和选择设计方案…………………………2
第2章 运动分析………………………………………………5
2．1 确定构件长度…………………………………5
2．2 建立运动分析方程……………………………5
2．3 程序设计框图…………………………………7
2．4 运动图示………………………………………7
第3章 整体材料选择计算……………………………………11
3．1 材料选择………………………………………11
3．2 安全系数………………………………………11
3．3 许用应力和断裂韧度…………………………12
第4章 轴的设计………………………………………………13
4．1 轴的选择………………………………………13
4．2 轴结构设计的主要要求………………………14
4．3 基本直径dmin…………………………………14
4．4 轴段长度L……………………………………14
4．5 提高轴的承载能力措施………………………15
4．6 许用切应力计算………………………………15
4．7 许用弯曲应力计算……………………………16
4．8 安全系数校核计算……………………………19
第5章 螺纹连接………………………………………………21
第6章 润滑和密封保养………………………………………22
第7章 软件仿真………………………………………………23

7．1 用Solid edge创建零件………………………23
7．2 爆炸图与三视图………………………………24
7．3 Ansys分析零件…………………………………25
7．4 Solid edge装配图………………………………27
结论………………………………………………………………28
参考文献…………………………………………………………29

《机械综合应用设计》课程设计说明书 第30页

第1章 划船器设计思路

1-1 工作原理及用途

划船器又叫划船机，是一种模拟划船运动的器材，对腿部、腰部、上肢、胸部、背部的肌肉增强有较好的作用。划船器运动是一项流畅且具趣味性和挑战自我的健身运动。每划一次，上肢、下肢、腰腹部、背部在过程中都会完成一次完整的收缩与伸展，可以达到一个全身肌肉的练习效果。尤其对腰腹部和上臂部脂肪较多的人群，划船器运动给您带来意想不到的塑身效果。

1-2 设计思路

明确工作原理

提出3种待定方案

分析评估，选择设计方案

进行设计计算（包括材料、结构及尺寸）

建模，仿真，绘出零件图、装配图

划船器未来发展和展望

总结

1-3 机构运动简图

（1） 依据图片建立起机构运动简图；

图1-1 原方案机构运动简图
（2） 对运动原理进行分析和研究，确认其机构的合理性；
自由度：

所以，机构自由度数=机构原动件数，
故，机构具有确定运动。

1-4 提出和选择设计方案

（1） 提出划船器运动方案
方案一：
机构运动简图如图所示：

图1-2 方案一机构运动简图
方案二：
机构运动简图如图所示：

图1-3 方案二机构运动简图
方案三：
机构运动简图如图所示：

图1-4 方案三机构运动简图

（2） 分析三种方案优缺点，选定设计方案
方案一，自由度：

优点：机构两个自由度，能同时锻炼上身和腿部力量；
缺点：机构较复杂，运动不够稳定。
方案二，自由度：

优点：利用平行四边形机构使座椅的移动更平稳；
缺点：座椅构件中间无支撑，刚度差，易产生弯曲变形，且不能同时锻炼上身和腿部力量。
方案三，自由度：

优点：同时具有方案1和2的优点；
缺点：具有两个自由度，需要手脚的协调配合。
比较以上三种方案，可以发现方案三的机构运动平稳，且能同时锻炼腿部与上身力量，对身体更健康，因此选择方案三为最终方案。
第2章 运动分析

2
2-1 确定构件长度

根据设计要求，划船器适用范围体重在40-140kg,身高在1.3米-1.8米，为适应更广泛的人群使用，设计机构尺寸如下：

图2-1 尺寸设计简图

2-2 建立运动分析方程

图2-2 机构坐标简图

2-3 程序设计框图

开始

输入已知数据和列写的方程，解出α,βγ的关系

t=0

计算出α,β,γ

t=t+0.1
计算5,8点的x,y

求导，计算5,8点的速度v

求导，计算5,8点的加速度a

t>5?

输出位置、速度、加速度曲线

结束

2-4 运动图示

5点运动位置，速度，加速度曲线：

图2-3 5点运动图示
8点运动位置，速度，加速度曲线：

图2-4 8点运动图示

第3章 整体材料选择计算

3
3-1 材料选择

图3-1 含碳量对碳钢力学性能影响图
根据含碳量对碳钢力学性能的影响图，可知含碳量越高，强度、硬度越高，而塑性、韧性越低，综合表现，选用45钢，进行适当的热处理，以提高材料的塑性、韧性；表面喷砂氧化防腐不锈。

3-2 安全系数

45钢调质处理后的性能为：σ-1=307MPa，m=9,N0=5*106。以对称循环变应力σ1=500MPa作用104次，σ2=400MPa作用106次。

3-3 许用应力和断裂韧度

主支承件的原始横截面长为0.2m，宽为0.1m，屈服力为Fs=100kN。
∴屈服强度

∴许用应力

∴工作应力σ<[σ]
主支承件的应力强度因子KI=1.8*107MPa▪mm1/2，
∴断裂韧度

第4章 轴的设计

4
4-1 轴的选择

由于划船器结构简单，应力集中少，轴上零件不经常拆装，所以选用易加工、经济实惠的光轴。

图4-1 光轴

图4-2 轴的常用材料及其性能

材料选用45钢，调质处理。毛坯直径≤200mm，查上表可知，材料的硬度为217-255HBS，抗拉强度σB=640MPa，屈服强度σs=355MPa，弯曲疲劳极限σ-1=275MPa，剪切疲劳强度τ-1=155MPa。

4-2 轴结构设计的主要要求

▪轴应具有良好的制造工艺性
▪轴与轴上零件要有准确且牢固的 工作位置（周向和轴向固定）
▪轴上零件装拆、调整方便
▪尽量避免应力集中

4-3 基本直径dmin

图4-3 轴常用材料的[τT]和C值
由上表可知，轴的材料载荷系数为C=110，
∵一般划船器的功率为P=3.75kW，n=30次/min完整的划船动作
∴

4-4 轴段长度L

图4-4 圆锥面定位
采用圆锥面定位，为了定位可靠，相应轴段长度比零件轮毂短2~3mm.
∴L=78mm

4-5 提高轴的承载能力措施

▪合理布置轴上零件，减小轴所受的转矩
▪改进轴上零件结构，减小轴所受的弯矩
▪载荷分担，降低轴上载荷
▪采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷
▪改变支点位置，减小轴所受载荷
▪改进轴的结构,减少应力集中
▪改善轴的表面品质，提高轴的承载能力

4-6 许用切应力计算

▪传动轴或主要传递转矩的轴
▪初步估算轴径以进行轴结构设计

▪不太重要的轴可作为最后计算结果

4-7 许用弯曲应力计算

图4-5 轴的空间力系图
画出轴的空间力系图，将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分力，并求出水平面和垂直面的支点反力RH和RV。

图4-6 水平受力示意图

水平支承反力

图4-7 垂直受力示意图
垂直支承反力

图4-8 水平弯矩示意图
水平面上的弯矩

图4-9 垂直弯矩示意图
垂直面上的弯矩

图4-10 合成弯矩示意图
合成弯矩

图4-11 轴的转矩示意图
轴的转矩可看作是不变的，取应力矫正系数α=0.3

校核轴的强度

图4-12 轴的许用弯曲应力
由上表可知，[σ-1b]=65MPa，
∴σb≤[σ-1b]
∴轴的强度安全

4-8 安全系数校核计算

（一） 求应力
抗弯、抗扭截面模量为

弯曲应力为对称循环应力，其应力幅和平均应力为：

切应力为脉动循环应力，其应力幅和平均应力为：

（二） 求综合影响系数

（三） 求安全系数

查得[S]=1.4，因此S>[S]，轴的疲劳强度是安全的
第5章 螺纹连接

图5-1 螺纹连接分布示意图
图示划船器底板用8个螺栓与支架相连，划船器与其承重总质量为100kg，所以每个螺纹所受向下的轴向力为

由于划船器工作载荷稳定，则残余预紧力

取

则螺栓的总拉力

选择性能等级4.6的螺栓，则σs=240MPa，按不控制预紧力：设螺栓直径为M20，查表：[SS]=5，[σ]=240/5=48MPa

查手册，M20螺栓：d1=17.294mm>dc，合适
第6章 润滑和密封保养

润滑脂可以减小摩擦降低阻力和能源消耗、提高机器效率和寿命，同时也可起防锈、冷却、散热、吸振、降噪等作用。划船器运动速度较低，可以采用一般润滑脂或油润滑。
尽量在固定地方使用，减少搬动，定期紧固螺丝，定期清理灰尘、杂物，定期更换转头。
划船器使用前应该进行检查，为防止出现不必要的危险，应该仔细查检。看有没有锣丝松动，划船器轨道与座位处有没有异物，以防止划船器出现不必要的损坏。
要经常清洁划船器，减少不必要的磨损，延长划船器的使用寿命。
尤其是划船器轨道与座位处的接连处，磨损最快，要经常定量的加硅油或者润滑油，保持运动时更顺畅。
第7章 软件仿真

5
6
7
7-1 用Solidedge创建零件

图7-1 零件示意图

7-2 爆炸图与三视图

图7-2 爆炸图

图7-3 三视图

7-3 Ansys分析零件

图7-4 模态分析图

图7-5 受力分析图

7-4 Solidedge装配图

图7-6 装配图

结 论

本次课程设计主要成果是对划船器进行了结构分析，使其能够在原有基础上更加稳定与安全。本次设计优点是：相对于原有模型，该设计更加简洁方便、美观易用。当然，限于作者水平，还是有不少缺点的：首先是在结构分析上，对于具体尺寸，作者借鉴其它划船器的尺寸标准，而没有具体通过计算得出结论，导致某些细节部分不够完善；其次是在三维建模时，构件间的连接不够细化，杆件截面形状不够清楚，基于减重的构件结构仍需优化；最后是二维建模，局部剖视图太少，装配关系表达不够清楚，这些都是以后需要加以提升的地方。
本次设计着重强调了平行四边形的稳定性，可能有一些不合适的地方，但仍是一个可以借鉴与注意的问题。
我国健身器材行业尽管内外销市场趋旺，但在国际市场缺乏知名品牌却是一个不得不面对的事实。目前，我国出口的健身器材产品基本上是以“委托加工”和“贴牌生产”的方式进入国际市场，产品附加值较低，同时，与国际先进水平相比，我国不少生产企业还处在仿制生产阶段，产品研发和技术创新能力不足，从而导致健身器材起不到较好的锻炼作用，白白浪费资源。因此我们要不断创新，不断优化产品，是健身器材起到其真正的作用。
在今后的进一步研究中，划船器会有越来越多的功能，也会越来越美观实用，对人体的锻炼作用也会越来越明显，希望在以后的研究中，能把划船器的缺点也能一一改进，比如不易移动、占位空间大等。人类社会总是一点点进步的，相信不久的将来，通过健身器材的普及，人民的身体素质为慢慢提高，会越来越健康。
参考文献

[1] 濮良贵，陈国定，吴立言，等. 《机械设计》. 北京：高等教育出版社，2013-05
[2] 冯鉴，何俊，等. 《机械原理》. 成都：西南交通大学出版社，2008-06
[3] 江晓禹，龚晖编，等. 《材料力学》. 成都：西南交通大学出版社，2009-02
[4] 徐耀信，等. 《机械加工工艺及现代制造技术》. 成都：西南交通大学出版社，2005-02
[5] 王运炎，朱莉，等. 《机械工程材料》. 北京：机械工业出版社，2008-12
[6] 王守志 李占锋，等. 《Solid Edge实用教程（机械设计）》. 天津：天津大学出版社，2009-09
[7] 熊诗波，黄长艺，等. 《机械工程测试技术基础》. 北京：机械工业出版社，2006-05
[8] 胡国良，任继文，等. 《Ansys11.0有限元分析入门与提高》. 北京：国防工业出版社，2009-01
[9] 陈日耀，等. 《金属切削原理》. 北京：机械工业出版社，2012-01