机械创新设计报告

机械创新设计报告

《机械创新设计方法》结课报告

设计题目：多功能跑步器

学生姓名：潘峰胡聿珩杨水

学号：

班级：120314

任课教师：xxx

xx 年 9 月 23 日

1. 运用《机械创新设计方法》课程所学的创新思维、创新技法，以及机械系统方案设计、机构设计、结构设计等方面的创新知识，针对某一你所熟悉的产品、设备或零件，提出你在上述某一方面的具体的创新与改进措施。

2. 设计课题在主题框架内可自行确定，课题可以是机构设计，结构设计，外观设计，创新设计等；

3. 每个课题可一人一题，也可两人或三人一题，但需要有较明确的分工；

一．拟定设计任务书（设计原由，设计技术条件，设计内容，设计对象说明）

现在由于快节奏的生活方式和不良的生活习惯，致使大多数人的身体处于亚健康甚至低于亚健康的水平，长此以往必将影响国家的可持续发展，为此普及全民运动的理念显得尤为重要。跑步是国际流行的有氧健身运动，被医学界和体育界给予高度评价，对于提高使用者

的心肺功能、肌体耐力以及脂肪消耗都具有非常好的效果。此课题的目的就在于运用巧妙而简单的设计，来实现健身的多样性和便捷性，降低大众健身运动的门槛，实现足不出户便可健身，使全民都能参与其中，并感受到其中的乐趣。此新型便携式跑步机便是响应这一理念而生。

二．功能原理与工作原理分析

功能原理：利用与脚接触的运动部分的往复运动模拟出跑步的效果。

工作原理：通过一定的控制方式，使机构在不同的条件下完成特定的运动方式，最终形成循环往复的运动，以实现对跑步过程的模拟。

三．国内外同类产品现状

电动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、跑步皮带及仪表控制盘组成，其特征在于框架与支架垂直连接，前轴与后轴分别装在框架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步皮带张紧绕装在前后滚筒上，跑步皮带下装有支撑跑步板，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端，电动机、可调电源,安装在框架的前端，控制传感器装在电动机上，速度传感器安装在紧靠在从动皮带轮的框架上，皮带调节螺栓一端连接在电动机外壳的孔板上，另一端连接在焊接于框架前端的孔板上，跑步机扶手架安装于支架的顶端，仪表控制盘安装于扶手架上。传动方式采用带传动机构，传动级为一级。

四．机构方案评价

五．三种方案的机构（结构）构型（要求绘制机构运动简图或示意图；）

结构 1 利用短齿条和多齿轮啮合的方式传动（图中为与上齿条啮合情况），且保证段齿条长度至少大于两齿轮中心距，以保证传动的连续性，使用短齿条可是生产成本降低，易于批量生产。

结构 2 利用长齿条与单齿轮啮合的方式传动（图中为与上齿条啮合情况），齿条可运动超出主体箱，运动行程由踏板控制。运动过程中齿条始终与齿轮啮合，且齿条的有效啮合长度较其运

动范围较短，以免出现超程后卡死的情况。

结构 3 选用链轮的传动方式，利用链轮循环往复的特点，踏板被下压后由链条带动运动，踏

板升起后由弹簧将其拉回原位，其特点是回程速度快，但是不具规律性。

六．确定最佳方案并阐述所选方案功能及工作原理

由上边可知，结构2为最优结构方式，不仅便于生产制造，还便于携带与收藏。且能耗相对较小，利用率高。同时紧凑的结构也便于电机与线板等的布置与连接。现对结构分析如下：

此模型包括“固定部分”、“运动部分”和“控制部分”此三大部分组成。

固定部分由主体、齿轮、电机（在建模中为了提高效率，电机及辅助件部分并未进行展开设计，而只是对主体结构进行探索）等组成，固定于地面之上，以此来为系统提供稳恒的动力输出；运动部分为踏

板盒，相对固定于主体之上，可实现前后方的直线运动，构成了往复运动的基础；控制部分是指由弹簧连接的伸展与压缩，来实现双排齿条与齿轮的啮合条件的变换，进而完成对往复运动的调控，达到了简易条件下人工智能的效果。

工作原理：先将人的跑步过程抽象，得到如下的两点假设。

假设 1 人在跑步过程中时刻一只脚撑地（前脚刚落地且后脚即将离地的时刻相对较短，在此往复循环运分析中可忽略）。

假设 2 弹簧被压缩过程十分短暂，不会对速度造成明显的波动，或产生的波动远小于人的感知。

现对跑步机运行过程进行分析如下，在奔跑中的某一刻左脚刚落下且右脚刚提起，此时左边弹簧被压缩，齿轮与下齿条脱离且迅速与上齿条啮合，齿条的运动方向与之前相反，开始随左脚向后运动；当右脚提起时，弹簧被释放，使齿轮与上齿条脱离而与下齿条进行啮合，同理右脚的运动部分方向将反向。由此实现了所要求的回复运动。

由上述分析可知，仅用弹簧的伸缩性便完成了对运动的控制。从某种意义上来说，用弹簧实现了PLC的功能，体现了现代创新设计简单、便捷、高效的发展理念。

七．结构设计（另附图纸）(包括所承担工作所起的作用； 3D建模的零件名称，

数量，将相应的图剪贴在实验报告中；完成工作所遇到的问题及解决方法)

此设计作品系本人独立完成。建模零件包括，主体箱、踏板垫、踏板芯、上齿条、下齿条、齿轮及弹簧。

对于循环往复运动模型的建立是此机构的关键点，再利用双齿条变换啮合后，此问题被迎刃而解。此外，在仿真中，弹簧的画法也是难点，在搜寻资料后，此问题也一并解决。所建模零件图如下：齿轮

齿条（上）

齿条（下）

踏板垫

踏板芯

- 10 -

主体

- 11 -

弹簧

- 12 -

装配体

- 13 -

八．本项设计的创新点

结构简单巧妙，化繁为简，抓住跑步过程中的唯一变量——双脚——进行探索，巧妙的将单向直线运动进行“对称布置”后实现了往复的循环运动，并且驱动、执行、“伺服机构”一应俱全。

尤其是设计中，利用弹簧可以贮存弹性势能的特点，实现了对了

双排齿条与齿轮啮合形式的选择控制，从某种意义上来说，实现了PLC的功能，体现了现代创新设计简单、便捷、高效的发展理念。

九．本项设计的应用和发展前景

通过生活中的见闻，我深刻的了解到现代人的缺乏运动以及它的

危害性，因此此设计旨在降低健身运动的客观条件，享受随时随地的健身效果。即便是阴雨天，或者室内面积较小，依然可以充分享受运动健身所带来的充实和健康。另外，饭后可在低速下进行散步，一来加快血液循环，而来有助于食物的消化。同理也可用于久病卧床后的康复理疗过程，伴随使用可加快复原的进度。

由于结构巧妙，使得其占地面积小，具有便携性。材料用量少，

制造工艺要求不高，大大的降低了生产成本，并且实用性高，适用范围广，这些都是好的产品所具有的客观因素，在具备了这些因素之后，可以预见此新型便捷式的跑步机必将收大众的青睐，得到推广。

十．完成此次《机械创新设计方法》结课报告的收获和体会

沿着简约设计的方向并且结合自身的观察，决定了以便携式的跑

步机作为设计课题。通过对跑步过程中人双腿运动的基本变量的分析，终于发现这种利用齿轮齿条由单向运动进行对称布置后向往复对称

方向运动变化的结构，又利用弹簧伸缩的特点完成了对变换啮合的控制。用弹簧以小博大，来作为伺服控制部分，这是作为设计者得我最得意的部分之一了。