机械创新设计方法结课报告多功能跑步机

《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

2015 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

评价指标具体项目机构方案评价

1 2 3

A

运动性能1.运动规律、轨迹

2.运转速度、运转程

度

直线往复型

运转程度好

直线往复型

运转程度好

循环往复型

运转程度一般

B

工作性能1.效率高低

2.使用范围

效率高、适用于

直线传动

效率高、适用于

直线传动

效率一般、适用

于往复传动

C 动力性能

1. 承载能力

2. 传力特性

3. 振动噪声 传力平稳，正常

润滑下无噪声

传力平稳，正常润滑下无噪声

承载能力强，传力不平稳有脉冲，有较小噪声

D 经济性 1. 加工难易 2. 维护方便性 3. 能耗大小 短齿条加工简单，维护方便，能耗较大

长齿条加工较复杂，维护方便，能耗小

加工简单，维护较麻烦，能耗较大

E 结构紧凑

1. 尺寸

2. 重量

3. 结构复杂性

尺寸小，较重，结构比较复杂，不便安放电机等

尺寸小，较轻便

携，结构简单，便于安放其他零件

尺寸小，较重，

结构简单，便于安放其他零件

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

主体

弹簧

装配体

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。

由于时间仓促，加上设计经验的不足，导致了作品不能被深度的挖掘，因此只进行了主体部分的设计。即便是只进行了主体设计，也是对设计过程很苦恼，有时候一个小小的变动，需要重头到尾的修改好多个参数，从零件图到子装配体，再到总的装配体，一个个的寻找，一个个的校正，实在是很繁琐，有时候就是一个很细微不足道的地方，稍微优化一下，就可能导致一场“灾难”。单单是从这些我们就可想而知，如果完成一次完整的设计，是需要耗费多少时间和精力的。

通过大学本科对机械知识的初步学习，使我认识到再复杂的机构设备系统，都是由一些最简单基本的运动形式复合而成，因此抓住问题的本质，以最简单速效的办法解决是发展生产节省资源促进发展的唯一方式，科技的进步不是让我们用更复杂的方式去改变社会，而是使我们的生活更加简约。所以我没有为了这门课程得到高分而化简为繁，或者说设计一些看似深远却经不起推敲，甚至都不能实现的东西。

通过这次设计以及经历，让我更加坚定了我的设计理念，坚定了作为一个设计人员需要具备的自信心与决策能力，排除外界干扰，做出最好的产品。