第1章 绪论第1章 绪 论随着我们国家经济的发展，人们生活水平不断提高，在物质生活得到满足的前提下，人们开始追求更高的生活质量，通过不同的方式使生活变的更加丰富多彩。由于这样或那样的原因，健身器材越来越受人们所青睐。我们随处可以感受到人们对健身的重视，不管是老年人，中年人还是儿童都会选择一定的方式来健身。选择什么样的健身方式和选择什么样健身器材也是值得人们所考虑的问题。健身器材起源于20世纪70年代初的美国和加拿大，它的发明是一个很让人认可的事，将人们的运动由室外转向室内，这是一个创举。我们不用为每天刮风下雨影响锻炼效果而在意，这样就使得跑步机成为健身器材中最受欢迎的设备。经过30年的工业创新，使的美国及加拿大的产品成为全球健身器材产品的领跑者，人们意识到了健身器材工业是一个朝阳产业，而且越来越为广大使用者接受。我国到了90年代末才出现了一些厂家生产健身器材，这是我国健身器材工业的开始。现在大多数的健身器材都是固定在某个场所，如健身俱乐部，体育场馆和家庭等。这样的健身器材虽然能够达到一定的健身目的，但是很难提升人们健身的乐趣。怎样才能让人们既达到了健身的目的，又对健身产生乐趣。一种新型的健身器材脚踏摆动健身踏板车的产生可以为我们解决这些问题。它的使用场合很广，如在上学的路上，在上班的路上都可以健身，健身变得方便和具有乐趣。在健身的同时可以享受大自然的美丽，给人们在身体上和精神上的享受。 脚踏摆动式健身踏板车在许多方面优越于现有的运动健身器材，使其更具有市场，会越来越受人所青睐。脚踏摆动式三轮健身踏板车设计为自拟课题，具有创新的设计，要综合考虑机械运动原理、机械设计学和人因工程学方面的知识。这次设计对我来说是一次很好的锻炼机会，通过老师的指点，同学的帮助，对课题的内容进行了探索和设计，现将设计过程和内容阐述于下。第2章 健身器材的现状与发展2.1健身器材的产生与发展过程2.1.1健身器材的产生健身器材起源于20世纪70年代初的美国和加拿大，它的发明是一个很让人认可的事，将人们的运动由室外转向室内，这是一个创举。我们不用为每天刮风下雨影响锻炼效果而在意，这样就使得跑步机成为健身器材中最受欢迎的设备。经过30年的工业创新，使的美国及加拿大的产品成为全球健身器材产品的领跑者，人们意识到了健身器材工业是一个朝阳产业，而且越来越为广大使用者接受。我国到了90年代末才出现了一些厂家生产健身器材，这是我国健身器材工业的开始。2.1.2健身器材的发展健身器材从当初单一的跑步机、室内自行车等发展到现在的多功能健身车、健身椅等等，容入越来越多的科学技术与科学的健身方法，使得健身越来越有成效。健身器材同时也向室外发展，我们可以在居民小区里看到一些健身器材，那些健身器材小巧，使用方便，适合大众化的健身需求。作为一种室外健身器材，脚踏摆动式健身踏板车有它独特的优势，那就是能够移动健身，能够在上班的路上、上学的路上，在公园休闲时体验健身。2.2脚踏摆动式三轮健身踏板车的特点脚踏摆动式健身踏板车具有传统踏板车的小巧，灵活，可以折叠等等特点，正得到越来越多的健身爱好者的喜爱。它又有独特的设计，那就是具有动力装置，使踏板车得到了改进与发展，健身者通过脚踩踏板，使动力通过动力装置传递给车轮，从而使得车子前进。它能够达到时速20公里，动力装置由棘轮和齿轮机构组合而成，由于单一的基本机构往往由于其本身所固有的局限性而无法满足多方面的要求，采用组合机构，既发挥了各基本结构的特长，又避免各机构的局限性，形成一种新的机构系统。在脚踏摆动式健身踏板车启动的时候，由于棘轮存在较大的空程，齿轮转速越小，空程影响越明显，所以只有当车子获得一定的初速度后才能踩动踏板，而在静止状态下直接踩动踏板将不能获得理想效果。2.3脚踏摆动式三轮健身踏板车的组成 脚踏摆动式健身踏板车主要包括以下5部分的内容： 1. 车架27第3章 脚踏摆动式三轮健身踏板车的设计计算与说明 2. 折叠装置 3. 动力装置 4. 车轮 5. 其他装置下面就脚踏摆动式健身踏板车方案的可行性进行分析，对健身车5个部分的设计进行计算和说明。第3章 脚踏摆动式三轮健身踏板车的设计计算与说明3.1脚踏摆动式三轮健身踏板车可行性分析脚踏摆动式健身踏板车采用脚踩踏板使不完全齿轮摆动，不完全齿轮带动齿轮棘轮组合件，传递给齿轮机构，再通过链条把动力传递到车轮，实现整个动力的传递。如踏板车要求时速达到20公里，那么后轮的线速度为1。 （3.1）后轮的转速（选择直径为300的轮子） （3.2）取不完全齿轮的转速 （3.3） 齿轮总的传动比为35.4,齿轮传动为二级齿轮增速机构，传动比分别为3.3和4.3。链传动的传动比为2.5。也就是说只要使两个齿轮每秒转过60度就可以保证踏板车有20km/h的速度。动力传递方面，取踏板车和人的总重量为80kg，与地面的摩檫系数取0.1。后轮传递提供的功率2。 （3.4）其余各轴所传递的功率分别为 （3.5） （3.6） （3.7）人只要提供0.554kw的功率就可以是踏板车运动。3.2脚踏摆动式三轮健身踏板车的原理大自然离我们有多远，我们离健康就有多远。身处城市，我们的运动健身空间被压缩。但是空间少了并不意味着放弃运动健身。我们需要一种运动健身器械，它应满足：1.它是一种充满趣味的运动器材，时尚且平易近人让人们使用的时候既能接受，又能具有实用价值。2.它应当符合全民健身这么一个概念。这就需要它老少兼宜安全并且具有容易上手使用的特点。3.作为一种户外的运动工具它应当保证一定的运动量，并且在此基础上有一种高效的运动健身效率。这就是设计“脚踏摆动健身车”的原始动机。 脚踏健身踏板车的动力传递部分由棘轮和齿轮机构组合而成，通过不完全齿轮的来回摆动带动齿轮棘轮组合件的摆动，再带动齿轮增速机构，最后通过链传动把动力传递给后轮，实现后轮驱动。在使用过程中首先需要使用者单脚蹬地，使车子获得一定的速度后将两脚一左一右放在踏板上，轻轻摆动上身，通过重心的移动来踩动踏板。由于棘轮机构存在一定的空程，速度越小空程影响就越明显，所以只有当车子获得一定的初速度后才能踩动踏板，而在静止状态下直接踩动踏板将不能获得理想的效果。运动原理图如图3-1所示：1、不完全齿轮 2、齿轮棘轮组合件 3、大齿轮 4、惰轮 5、小齿轮 6、大链轮 7、小链轮图3-1 运动原理图 按照图中标出的箭头方向，可以看出动力传递的方向，最后通过链轮把动力传递给后轮，实现后轮驱动。3.3脚踏摆动式三轮健身踏板车各部分的设计说明与计算脚踏摆动式健身踏板车是一个机构的组合体，它由各个功能不同的机构按照一定的组合来共同完成踏板车的功能，现将各部分的功能说明如下3。3.3.1车架的设计与计算车架需要安装轴及齿轮等几乎全部的零部件，它的尺寸将影响车子的主要重量，设计合理的车架形状能够使得车子变的轻巧，美观等，除此之外，其强度也需要满足它的使用者。在参考有关踏板车的资料后，决定采用类似T型截面的铸铁梁结构的材料制成车架，结构简单，通过校核其强度来满足使用要求。铸铁虽然属于脆性材料，不具备好的抗拉强度，但具备较好的塑性，抗压强度较好，在使用过程中车架主要承受抗压，所以在承受压力时不易变形，保证齿轮传动的稳定。设计时主要考虑其抗压和抗拉强度是否满足使用要求，此外，为了使踏板车设计更加美观与小巧，对车架的宽度在满足能够安装齿轮，齿轮运动过程中不相互干涉后进行缩小，以便使得车子的重量进一步缩小。 车架平面图如图3-2所示： 图3-2 车架结构图 3.3.2折叠装置设计折叠装置和制动装置是脚踏摆动式健身踏板车不可缺少的两个结构。折叠装置的设计，能够使得车子在不用时所占的空间更小，方便存放。而制动装置的设计，能为使用者带来方便与安全，这两个部分使得踏板车的设计更加的合理。首先来说折叠装置。通过有关资料的查阅和相关踏板车图片的参考后进行了设计。折叠装置主要指车把与前轮在踏板车不用时可以平放到与踏板重合的位置上的结构.此结构由一个圆弧型带弯沟的导轨、车架、弹簧、销钉等几部分组成，弹簧与销钉相连接，销钉安装于导轨上，可以通过导轨移动，车架的另一端铰接于车架上，可以转动。使用者可以在使用前把车把向前拨4，拨到一定角度时便卡住不能再往前，这样就能在使用时保证车把有个固定的张开角。在使用完后拨动与弹簧相连接的销钉，使其沿着圆弧轨道向下移动50度，同时带动车把向踏板靠近36度，完成折叠功能。使用时张开的角度为，销钉移动的轨道半径为。需要提醒的是，在折叠完成后要使车架保持水平，这样可以保护齿轮机构不受损伤。如图3-3所示：图3-3 折叠结构示意图3.3.3 动力装置脚踏摆动式健身踏板车使用不完全齿轮与齿轮棘轮组合件的配合来完成动力的传递，这也是本次设计过程中最重要的部分之一，这中配合有多种方案可以选择，经过对比后，我选择踏板车左右各有一个不完全齿轮与齿轮棘轮组合件的配合，动力由不完全齿轮传递给齿轮棘轮组合件，通过组合件的单向作用来控制在一个方向上的运动。不完全齿轮与齿轮棘轮组合件的配合示意图3-4所示， 1、齿轮棘轮组合件 2、踏板 3、不完全齿轮图3-4 不完全齿轮与齿轮棘轮配合示意图齿轮增速机构分为两级，第I级为动力通过不完全齿轮传递给输入轴上的齿轮棘轮组合件，齿轮棘轮组合件既有齿轮的功用又有棘轮的功用，先通过不完全齿轮与齿轮的啮合传递动力，再通过棘轮5的单向作用控制轴只在一个方向上的运动：第II级为输入轴上的大齿轮大齿轮把动力传递给输出轴上的小齿轮，进一步增加传递的动力，为了能使后轮正向运动，所以要在中间加一个惰轮来改变传递的方向。齿轮增速机构如图3-5所示：图3-5 齿轮机构示意图 各级齿轮的校核如下：第I级齿轮校核考虑到该减速器的功率不大，故大、小齿轮都选用45钢调质处理，齿面硬度分别为220HBS、260HBS、属软齿面闭式传动，载荷平稳，齿轮速度不高， 初选7级精度，小齿轮的齿数是Z1=25，大齿轮齿数，取大齿轮齿数Z2=83，按软齿面齿轮非对称安装查表6.取齿宽系数由公式 （3.8）试选小齿轮的转矩=9.551061.48105 N.mm (3.9)查表得出材料系数=189.8按齿面硬度查表得 (3.10) (3.11)查表得接触疲劳寿命系数确定许用接触应力 (3.12) (3.13)取 (3.14)带入数据求得取大齿轮的模数， (3.15)取模数