机械原理课程设计-踏板式跑步机设计说明书

西南交通大学

机械综合设计I设计说明书

设计题目：

学生姓名：

学生学号：

所在班级：

指导老师：

2013年06月

引言 (1)

1选题背景 (2)

1.1问题的提出 (2)

1.2文献综述 (2)

1.3设计技术要求及指标 (2)

2机构选型 (2)

2.1设计方案的提出 (2)

2.2设计方案的确定 (3)

3尺寸综合 (4)

3.1曲柄摇杆机构的计算 (4)

3.2皮带传动的计算 (5)

3.3关键尺寸的优化 (5)

4受力分析 (6)

4.1机构动态静力描述 (6)

5机构建模 (7)

5.1机构运动简图及尺寸标注 (7)

5.2机构关键构建建模过程 (7)

5.2.1架身的建模 (7)

5.2.2架杆 (13)

5.2.3 左边踏板的建模 (14)

5.2.4右边踏板的建模 (16)

5.2.5前皮带轮的建模 (16)

5.2.6后皮带轮的建模 (18)

5.2.7箱盖的建模 (19)

5.2.8后皮带轮轴的建模 (20)

5.2.9其他部件的建模 (23)

5.3机构的总体装配过程 (25)

6机构仿真 (32)

6.1机构仿配置 (32)

6.1.1质量属性的定义 (32)

6.1.2 重力加速度的定义 (33)

6.1.3 力的定义。 (33)

6.1.4 皮带传动的定义 (34)

6.1.5 伺服电机的定义 (34)

6.1.6 快照的定义 (35)

6.2机构仿真过程及测量分析 (36)

6.2.1位置分析 (36)

6.2.2运动学分析 (37)

6.2.3力平衡分析 (39)

6.2.4动态分析 (41)

6.3仿真中存在的不足 (41)

7设计总结 (42)

8收获及体会 (42)

9致谢 (42)

引言

21世纪，是科技高速发展的时代。21世纪,也是人们生活水平发生翻天覆地变化的时代。21 世纪，人类将面临和平、人口、能源、环保等一系列挑战，在竞争日益激烈的信息时代，新型的生产、工作、学习和生活环境的建立，对人的反应、协调、思维、适应等健康素质提出了更高的要求。伴随着科技水平的高速发展，人类生活水平的逐步提高，人们对生活质量，生活环境也有了更高的要求。但现代人在十分注意学习各种知识，掌握多种技能，提高自身的各种能力的同时，却往往忽视了社会主体——人的身体能力，健康的身体是更好地适应现代工作、学习和现代节奏生活的基础。

我们在研究了十几种现行的健身器材的实用性,安全性以及使用寿命等指标后,针对”踏板式跑步机”这一目前为止,集结构简单,操作方便,使用性价比高于一身的便捷健身器材做出进一步的调查,剖析.并且在市面上现有的踏板式跑步机进行了结构力学分析,包括自由度的计算,结构比例的调整,以及支架受力分析计算.

在本次课程设计中，我们主要运用了机械原理，机械设计，制造技术，材料力学等相关的专业基础课知识。使用了PRO/E，AutoCAD等相关的专业软件对整个设计的草图、原理图、机构图和三维模型进行的绘制，并用PRO/E进行了仿真运动和有限元分析。在整个课程设计的过程中，不仅对以前学过的相关专业基础课知识进行了具体的应用，更加深了对知识的理解与巩固，而且还对相关的专业软件进行了进一步的学习，使我们的软件能力得到了进一步的提高，对相关专业应用软件更加的熟悉，得到了很大的收获。

1选题背景

1.1 问题的提出

随着时代的高速发展，人们的工作学习生产生活节奏逐渐加快，但现代人在十分注意学习各种知识，掌握多种技能，提高自身的各种能力的同时，却往往忽视了社会主体——人的身体能力，健康的身体是更好地适应现代工作、学习和现代节奏生活的基础。

尽管现在市面上形形色色的健身器材已经在人们的休闲娱乐中扮演了非常重要的辅助角色，但是新的问题也同步出现，怎样让人们充分利用短暂的休息时间去完成高效有致的放松锻炼。

1.2 文献综述

根据以上提出的问题，我们筛选并改进了这一款机构简单，原理清晰的踏板式跑步机。它的机构选型设计方案十分简单易懂，所需的机械元件数量较市面上其他款型的健身跑步机比要少数，元件的机械型号是最为普遍的，价格也非常便宜。除此之外，它突破了以往普通健身器材重量大，难挪移的缺陷。这款新型踏板式跑步机的重量只集中在中间的箱体，总重量同比其它等性能的健身器材而言有明显的优势，使得消费者能在合适且自由的场合随时随地进行放松休闲运动，达到健身的目的。

1.3 设计技术要求及指标

（1）在运动过程中只需要人来推动踏板式跑步机的运动，不需要其它任何驱动装置；

（2）架杆（即摇杆）在运功过程中上端前后摆动的幅度不要太大，控制在200mm 之内；

（3）踏板在运动过程中与水平线的最大夹角不能超过30 ；

（4）可以安装刹车装置，以提高安全性。

2机构选型

2.1 设计方案的提出

当今社会,时代的步伐愈发紧凑,快节奏的生活让人们在精神的高度紧张状态下工作,学习,生活,所以在空余时间更加需要锻炼身体.目前市面上在售的健身器材种类众多,功能全面,但是存在的机械设计问题也有待解决,鉴于机械综合设计这门课的机械原理,机械构造及机械设计的要求较高,所以我们小组特意走访了几家大型健身器材专卖店和沃尔玛,家乐福等大型超市,找到了好几种不同机械结构的踏板式跑步机.

有两种典型的机械原理机构,我们做出了机械结构原理图进行分析。

方案一原理图

方案二原理图

通过方案一和方案二的对比，我们发现，方案一和方案二在机械原理上都比较简单，但是方案一工作起来更为可靠。

而且由于在前皮带轮可以设置飞轮和刹车片，

2.2 设计方案的确定

一方面增加了转动惯量使得人体所给予踏板的力增大事人更加充分地得到锻炼；另一方面，人们可以使用刹车装置使踏板式跑步机快速停止运动，提高了锻炼时的安全性。综合以上各点我们采用方案一进行踏板式跑步机的设计。

根据设计要求，我们建立计算模型，已知(,)(0,0)(,D D A A x y x y ==-，该机构实现四个精确位置，

11223344(,)(641,856)

(,)

(756,870)(,)(689,878)(,)(565,830)

P P P P P P P P x y x y x y x y =-=-=-=-，12131490180270???=== 。 已知,,,D D A A x y x y ，设计变量为1211,,,B B C C x y x y ，杆CD 的位移矩阵为

111111111cos sin (1cos )sin []sin cos (1cos )sin 001i i D i D i i CD i i D i D i x y D y y ????????--+?? ?=-- ? ???

2,3,4i =①

摇杆上点B 和点P 满足B P 、之间的距离保持不变的运动约束，为此建立约束方程为

22221111()()()()2,3,4B P B P Bi Pi Bi Pi x x y y x y y y i -+-=-+-=② 并且连杆上点B 和点C 满足B C 、之间距离保持不变的运动约束，

为此建立约束

3 尺寸综合

3.1 曲柄摇杆机构的计算

方程为

2222

1111()()()()2,3,4B C B C Bi Ci Bi Ci x x y y x y y y i -+-=-+-=③

另外建立摇杆AB 的位移矩阵 111111111cos sin (1cos )sin []sin cos (1cos )sin 001i i P i P i i AB i i P i P i x y D y y ??θθ??θθ--+?? ?=-- ? ???

2,3,4i =④ 式中：11,arctan Pi Bi i i i Pi Bi

y y x x θθθθ--=-=1,2,3.4i = 并且点C 满足位移矩阵方程

111[]11Ci C Ci i CD C x x y D y ???? ? ?= ? ? ? ?????⑤ 点B 满足位移矩阵方程

111[]11Bi B Bi i AB B x x y D y ???? ? ?= ? ? ? ?????

⑥ 利用matlab 联立以上方程，可以解出1211,,,B B C C x y x y 。从而可确定出机构的中各个杆件的杆长分别为

861.3AD l m m ==

768.5AB l m m ==

2.899CD l m m ==

169.2BC l m m ==

根据在X5112的测量数据，踏板式跑步机后皮带的直径为287.6mm ，前皮带轮的直径为88.3mm 。根据机械设计皮带传动设计部分的知识，要满足小皮带轮（即前皮带轮）的包角120β> ，此时经计算前后皮带轮的中心距202.05a mm >。为了更好的满足皮带传动的要求，我们取400a mm =。

在3.1中我们已经求曲柄摇杆机构的各个杆件的杆长，但是求得的结果是小

数，我们将其圆整得到：

172900680CD BC AB l mm l mm l mm ===，由于点A D 、3.2 皮带传动的计算

3.3 关键尺寸的优化

坐标是定值，故861.3AD

l mm =，420AP l mm =。

曲柄存在验算： 172900680863CD BC AB CD l l l l mm mm mm mm +<+=+<+，故存在曲柄。

图4.1-1 机构受力简图

从摇杆CD 开始进行受力分析，很明显地可以看出杆CD 是一个二力杆，它受到机架给它的力03F 和杆BC 给它的力23F ，由二力平衡可知这两个力的方向沿着CD 杆。对杆BC 受力分析，杆BC 受到三个力分别是杆CD 对它的力32F 、人的脚步对它的力1F 以及杆AB 对它的力12F 。首先有牛顿第三定律可以确定32F 的方向以及大小，力1F 的方向可以竖直向下（忽略静摩擦力），由三力汇交和平衡可以求得力12F 的方向。同理可以求得机架对杆AB 的力01F 的方向。（其中力2F 为人的手作用在杆AB 上的力）。

4 受力分析

4.1 机构动态静力描述

5机构建模

5.1 机构运动简图及尺寸标注

图5.1-1 机构尺寸标注

5.2 机构关键构建建模过程

5.2.1架身的建模

在该模型中,架身部分是最复杂也是消耗时间最长的部件。在该模型的建立过程中运用了扫描、拉伸、抽壳、倒圆角、边倒角、镜像、阵列、边界混合、合并以及实体化等多种特征工具。所以在本文中,我们着重详细介绍一下架身的建模过程。

（1）首先进行草绘一条扫描曲线，进行草绘曲线的目的是方便后面的修改。

图5.2.1-1草绘扫描曲线

图5.2.1-2 扫描结果

（2）创建架杆安装连接部位

通过两次拉伸、倒圆角以及镜像得到如图示结果。

图5.2.1-3

（3）创建表盘

首先创建基准平面DTM2，以TOP平面作为基准面进行便宜并选择边F6进行旋转得到图示结果

图5.2.1-4 DTM2基准面的创建

然后以此前建好的DTM1平面作为基准平面进行拉伸，在拉伸特征创建过程中选择拉伸至选择的点、曲线、平面或者曲面，由此我们选择DTM2作为拉伸终点，接下来便进行拉伸以及倒圆角特征的创建最终表盘结果如图示。

图5.2.1-5 表盘的创建

（4）创建杯子底座以及旋钮特征

通过拉伸、拔模、倒圆角创建出旋钮底部特征，通过拉伸、扫描倒圆角以及创建组之后进行阵列最后得出旋钮如图示。

图5.2.1-6 旋钮

杯子底座的创建过程较为简单通过简单的拉伸以及倒圆角即可得出。

图5.2.1-7 杯子底座

（5）架身把手的创建

首先创建一条草绘曲线，在草绘视图中选择使用样条曲线命令，这样得出的曲线并通过对关键点（图中创建了5个关键点）的修改可以使得曲线光滑并具有较强的美感。首先是使用草绘命令进行草绘再选择使用扫面命令式为了方便在后续扫描出现错误时进行修改。进行草绘之后得出的曲线以及扫描特征如。

图5.2.1-8 把手扫面曲线

其次进行拉伸14的创建，以FRONT为草绘平面以上步草绘曲线终点为参照进行草绘拉伸如图示

图5.2.1-9 拉伸14

选择拉伸为对称，拉伸深度为50mm。紧接着进行DTM10的创建，以上步创建的拉伸17的轴和曲面F86为参照如图示。

图5.2.1-10 DTM10的创建

然后以DTM10为基准面经过一系列的草绘、扫描以及拉伸得出以下结。：

图5.2.1-11 把手图

在完成以上特征的创建后我们对把手的断面进行了局部处理，在此过程中我们运用了PRO/E的插入菜单中的边界混合和编辑菜单中的合并、实体化工具。具体创建过程如下：

草绘8、9、10

图5.2.1-12 草绘8、9、10

经过编辑最终如图。

图5.2.1-13 把手端部

（6）前后皮带轮支撑架的创建

支撑架的创建过程比较简单只是把基准面建好以及尺寸计算正确经过拉伸即可，这里不再叙述，结果如下。

图5.2.1-14 支撑架

（7）架身最终结果如下：

图5.2.15 架身

5.2.2架杆

在架杆创建的过程中主要运用了扫描、拉伸、旋转、孔、镜像等命令。首先利用草绘命令创建一条扫描曲线，然后使用扫描命令选取上面绘制的曲线进行扫描如图示。

（1）主体建模

图5.2.2-1 架杆扫描曲线与结果

（2）与架身相连接部位的建模

首先进行拉伸，然后在拉伸端面进行旋转命令操作，最后进行孔特征操作得到如图示结果。

图5.2.2-2 连接部位

（3）与踏板部分相连接部位的建模

使用旋转命令以FRONT为基准面，绘制旋转图形如下，创建旋转特称之后选用拉伸命令，并选中切除命令，得到该部位的最终结果

图5.2.2-3 架杆底部

（4）架杆最终结果如下。

图5.2.2-4架杆

5.2.3左边踏板的建模

踏板模型创建的过程中主要运用了拉伸、扫描、旋转以及镜像等特征命令。（1）与架杆相连接部位的建模。

首先使用拉伸命令将该部位主体构建出，然后使用拉伸命令切除切口（去除材料），拉伸切口命令使用两次，最后再使用拉伸命令画与架杆连接的连接销的轴。

图5.2.3-1 踏板头部

（2）脚踏部位的建模

首先使用拉伸命令在踏板主体上切除凹槽，然后使用拉伸命令将该部位的主体创建出来，再一次使用拉伸命令将多余部分的材料切除，完成以上步骤以后使用拔模（斜度）和倒圆角命令得到如图示的结果。

图5.2.3-2 脚踏板部位草绘拉伸

脚踏部位与鞋子之间需要存在一定的摩擦力以防止打滑，光整的平面与鞋底之间的静摩擦系数较小，为此我们在脚踏部位增加纹路以提高静摩擦系数。纹路的创建主要是通过扫描命令绘制得到，在上述过程中已经提到了扫描命令的使用方法，故在这里不再赘述，得到结果如下。

图5.2.3-3 脚踏板部位纹路

(3) 踏板最终结果如下。

图5.2.3-4 脚踏板

5.2.4右边踏板的建模

右边踏板和左边踏板外观差不多只是将脚踏的部位进行方向调整即可，故不再叙述，结果如下。

图5.2.4-1右边踏板

5.2.5前皮带轮的建模

前皮带轮在本装置中的主要作用就是增大摩擦以消耗体力使人得到锻炼的效果。首先是轮毂的建模，首先使用旋转命令，在旋转命令绘制的草图如下。

图5.2.5-1 旋转草绘

选中旋转中心轴旋转360度，得到图示结果。

图5.2.5-2 旋转结果

结果拉伸（去除材料）以及阵列等操作，轮毂部分的建模结果如下。

图5.2.5-3 轮毂部分

接下来便是前皮带轮中飞轮和刹车片的建模，由于这两个部位通过拉伸命令即可获得，不再叙述。最终前皮带轮的结果如下。