多功能健身器设计摘 要：本次设计的主题是多功能健身器。该款多功能健身器由腿部锻炼机构、腰部锻炼 机构、手臂锻炼机构和机架四部分组成。腿部锻炼机构利用了链传动的工作原理和飞轮的优点，达到锻炼腿部肌肉的效果；腰部锻炼机构利用了曲柄滑块机构的工作原理和弹簧的优点，达到锻炼腰部肌肉的效果；手臂锻炼机构利用了操纵机构（拉手和钢丝绳）、导向机构（双导杆）、调节机构（调节杆）和配重的有效组合，达到锻炼手臂肌肉的效果；机架为三个机构的合理组合提供平台。此外，该款多功能健身器具有使用方便、安全性好、成本低和拼装设计的特点。关键词：多功能；健身器；机构；锻炼 Multifunctional body-building device design Abstract: The subject of this design is multifunctional body-building device. Multifunctional body-building device is composed of four parts: leg exercise mechanism, waist exercise mechanism, arm exercise mechanism and the rack. To take leg part muscles exercise effect, leg exercise mechanism uses the working principle of belt transmission and the advantage of flywheel. To take waist part muscles exercise effect, waist exercise mechanism uses the working principle of slider crank mechanism and the advantage of spring. To take arm part muscles exercise effect, arm exercise mechanism uses the effective combination of operated control devices (fixer and cable), guiding mechanism (twin guide bars),controlled device(control lever) and counterweight. Furthermore, this multifunctional body-building device is provided with the advantages of applying easy, safety, cheap and assembly design. Keyword: multifunctional; body-building; mechanism; exercise1 前言1.1 方案确定与分析体育健身器械的创新设计是一门实践性的课题，我在确定方案的时候做了许多的市场调查，并在网上收集了许多相关的资料。除此之外，我还走访了许多的健身教练及健身爱好者，最后在老师的指导下，经过我仔细的思考最终确定了这次设计的思路：由于目前市场上的健身器械大多是单人多功能健身器械，好多一味追求功能的齐全，有的产品甚至包含了十八种功能，这样就造成了许多功能的闲置，而由于设计复杂，工作时常出现故障，维修困难。随着人们生活水平的提高，大众健身的意识越来越强，高校，社区纷纷开设了健身房，但由于目前中国人们的消费水平还不满足人人到健身房消费，虽然健身器械看起来还是有点超出普通人的消费水平，但依然比去健身房实惠，而且能更加方便，所以以后的产品针对的人是大部分的白领，及以上够消费的人群。他们由于时间的原因，去健身房不大适合时间安排，而且他们也消费得起，同时由于中国人口众多，人均房屋面积底下，同时造成房价暴涨，现在的让人们普遍住在商品房里面，所以空间有限，所以我在设计的时候明确了自己设计的方向，要求作品结构紧凑，相对占地较小，安全性能高，能满足人们对多种肌肉的锻炼，一方面增加锻炼的多功能性，另一方面也让人们舒适锻炼，方便锻炼。为此在功能上进行优化选择，将一些不常用的功能删除，提高器械的使用效率，节约资源，以符合人们健身的需求。我设计的是一款多功能的单人健身器，它虽然只提供单人健身锻炼但是他提供了多项功能。同时据我的调查，现在人们普遍锻炼的肌肉是：胸肌，肱二头肌，肱三头肌，以及腿大肌。我设计的单人多功能健身机可以提供一下四种锻炼：腿部锻炼，腰部锻炼，做手向前的锻炼，以及人站立手拉拉杆的锻炼。这四种功能集成起来，就会使得器械整体比较协调，而且看起来特别美观（锻炼的机构分别在器械的上面，中间，和下面），这样就可以锻炼的多块肌肉如：胸大肌，腿大肌，趾长肌，股直肌，肱二头肌，肱三头肌，斜方肌，三角肌，背阔肌等肌肉。1.2 设计要求 根据健身器械的要求，作品应满足一下要求： 1）提供单人锻炼，但为多功能器械； 2）安全可靠，工作平稳，无噪声； 3）设计合理，解决目前市场上健身机械的设计不足 ，并便于生产制造； 4）外型美观，采用拼装结构，便于包装运输； 5）选材合理，经济性能好。图1 三维效果图1Fig.1 3D Efect1.2 整体结构1.2.1 手臂锻炼机构及机架 手臂锻炼机构及机架由底座、立柱、支架、拉手、钢丝绳、双导杆、配和调节杆组成，机架为整个机构提供一个有效组合的平台，手臂锻炼机构通过拉手操作配重的上下移动，以达到锻炼效果。1.2.2 腿部锻炼机构 腿部锻炼机构由链传动机构、轴（包括轴承、轴承座）和飞轮组成，腿部的运动通过链传动机构将能量传递并储存到飞轮，进而飞轮把储存的能量反过来传递到小链轮上，链动腿部运动起来。1.2.3 腰部锻炼机构腰部锻炼机构由座椅、曲柄滑块机构、座椅固定架和弹簧组成。通过靠背（即曲柄）向后的转动，链动滑块和弹簧（弹簧挂钩一端固定在机架，另一端固定在滑块上）移动，弹簧受力之后，进而将滑块拉回原处。虽然单人多功能健身器由上面这几部分组成，但在具体装配过程中依然可能会有些许的变动，因为它涉及得到零件的配合关系，以及当地的地理环境。同时结合市场以及健身房里的健身器械，虽大部分都属于单人多功能型的，但由于某些体育公司为了谋求利益使得器械的强度达不到应有的强度要求，由此一旦器械坏了，将造成器械维修麻烦和器械的使用寿命不高等。所以在我的设计中非常注意材料的选择，只有注意了这方面才能有效地提高器械的性价比。2 腿部锻炼机构设计2.1 传动方案的选择2 腿部锻炼机构采用机械传动的形式，带传动和链传动为两种可供考虑的方案。2.1.1 方案一:采用带传动方式 定义：带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动带轮转动时，利用带轮和传动带间的摩擦和啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。 传动原理：以张紧在至少两轮上带作为中间挠性件，靠带与轮接触面间产生摩擦力来传递运动与动力 优点：1）有过载保护作用 ，过载时带在带轮上打滑，可以防止其它器件损坏2）传动带具有良好的弹性，能缓冲吸振，尤其是V带没有接头，传动较平稳，噪声小 3）运行平稳无噪音 4）适于远距离传动（=15m） 5）制造、安装精度要求不高 缺点：1）有弹性滑动使传动比i不恒定 2）张紧力较大（与啮合传动相比）轴上压力较大 3）结构尺寸较大、不紧凑 4）打滑，使带寿命较短 5）带与带轮间会产生摩擦放电现象，不适宜高温、易燃、易爆的场合。2.1.2 方案二：采用链传动方式 定义：链传动也是一种挠性传动。它由链条和链轮组成。通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。 工作原理：靠两轮间的链条（中间挠性元件）啮合来传递动力和运动。 优点：平均传动比准确，无滑动 结构紧凑，轴上压力Q小 传动效率高=98% 承载能力高P=100KW 可传递远距离传动=5m，可用于温度高、环境恶劣的场合 成本低 缺点：瞬时传动比不恒定 传动不平稳 传动时有噪音、冲击 比较方案一和方案二，健身器为室内型器材，要求运行平稳且无噪声和冲击，有过载保护和缓冲吸振的作用。综上所述，初步确定方案二较为合理，即采用链传动的方案。2.2 链传动的设计计算采用短节距精密滚子链。滚子链常用于传动系统的低速级，一般传递的功率在100kW以下，链速不超过15m/s，推荐使用的最大传动比imax=8。根据实际情况，设定主动链轮的转速n1=60r/min，传动比i=2，链传动所需传递的功率为P=1kW。2.2.1 选择链轮齿数取小链轮齿数z1=19，大链轮齿数为z2=iz1=219=38。2.2.2 确定计算功率由表9-6查得KA=1.0，由图9-13查得KZ=1.35，单排链，则计算功率为 Pca=KAKZP=1.01.351kW=1.35kW2.2.3 选择链条型号和节距根据Pca=1.35kW及n1=60r/min查图9-11，可选16A-1。查表9-1，链条节距为p=25.4mm。2.2.4 计算链节数和中心距初选中心距a0=（3050）p=（3050）25.4mm=7621270mm取a0=800mm，相应的链长节数为Lp0 = 2a0/p + （z1+z2）/2 + (z2-z1)/2p/a0 =91.78取链长节数Lp=92节。查表9-7得到中心距计算系数f1=0.24883,则链传动的最大中心距为a=f1p2Lp-(z1+z2)=0.2488325.4292-(19+38）=802.688002.2.5 计算链速v，确定润滑方式v=n1z1p/(601000)=601925.4/(601000)m/s0.5m/s由v=0.5m/s和链号16A-1，查图9-14可知应采用定期人工润滑。2.2.6 计算压轴力Fp有效圆周力为Fe=1000p/v=10001/0.5=2000N链轮垂直布置时的压轴力系数KFP=1.05，则压轴力为FpKFPFe=1.052000=2100N2.2.7 链轮的结构小链轮制成整体式，大链轮制成孔板式。2.2.8 链轮的材料链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多，所受的冲击也较大，故小链轮应采用较好的材料制造。查表9-5可知，小链轮采用15号钢，大链轮采用20号钢，热处理方式为渗碳、淬火和回火，热处理后的硬度为5060 HRC。2.3 轴的设计2.3.1 求输出轴上的功率、转速和扭矩若取每级传动的效率（包括轴承效率在内），则 又 （11） （12）于是=9550000=74808Nmm （13）2.3.2 求作用在轴上的力传动轴主要受一对平衡力的作用，即链传动对轴的压轴力和两个轴承对它的支