便攜式踏步機結構與加工工藝設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 腳 是 以一定的頻率對踏板進行踩踏，左腳踩踏左邊踏板時，左踏板受到斜向下的壓力，左踏板將會以一定的圓弧斜向下運動。由于左右踏板通過機構連接，左踏板斜向下運動時，對左邊連桿產生一個拉力，左邊連桿拉動中間的過渡桿，然后過渡桿繞中心軸轉動，帶動右邊連桿，右連桿斜向上帶動右邊踏板斜向上運動，從而實現踏步機的踏步功能。 循環階梯式踏步機主要是讓使用者做類似于爬樓梯的訓練運動，此類踏步機工作原理的特征主要是在構型上擁有若干環接的階梯，當使用者踩踏在踏板上時，利用重心帶動踏板，如此可以讓使用者真正地做爬樓梯的運動，但是整體構型相 對于其他類別要來的大，因此較不適合在空間不大的家庭使用， 不過此類最大的特色是作爬梯運動時，抬起的一腳會與踏板分開，因此可以真正模擬爬樓梯運動，此類踏步機可供專業的健身訓練使用，缺點是循環階梯式踏步機不同于前述幾款，它是屬于重擊方式的踩踏運動，因此對于機械零件會有輸送帶型、凸輪型等二型。 踏步機的運動部位主要著重於使用者的腿部，利用不同的機構設計來達到踏步、爬梯、走路等不同需求的運動方式，這些運動方式皆利用下肢抬起踩下的擺動來完成，兩腳交互動作形成一個運動週期，將運動過程中腳踝的運動軌跡投影到矢狀面上，會 因不同的運動而有不同的描繪路徑。 液壓原理的定義：在一定的機械、電子系統內，依靠液體介質的靜壓力，完成能量的積壓、傳遞、放大，實現機械功能的輕巧化、科學化、最大化。液壓機械裝置一般由動力、執行、控制和輔助四部分組成。液壓機械具有重量輕、功率大、結構簡單、布局便攜式踏步機結構與加工工藝設計 第 12 頁 共 45 頁 靈活、控制方便等特點，速度、扭矩、功率均可做無級調節，能迅速換向和變速，調速范圍寬，快速性能好，工作平穩、噪音小，已經廣泛應用到醫療、科技、軍事、工業、自動化生產、運輸、礦山、建筑、航空等領域。小的液壓裝置，如用于地震救助的訂書機大小的混凝土鋼筋切斷儀 、微型機器人等；大的液壓裝置如運載火箭發射架液壓系統等，都少不了液壓機械設備。 踏步機的結構設計 本次設計的扭腰踏 步機主要由 踏步機、中間連接架、扭腰機組成。其中主要的構件有 機械連桿、電子顯示屏、 軸承 、底座、踏板、活塞桿、活塞缸、扭腰 彈簧 等，電子顯示屏計時計數 ,扭腰 機 同時也可以提供扭腰 鍛煉要不 的功能，能夠滿足健身者 多功能的要求 。 在踏板上考慮了人體的美學以及舒適性，設計了防滑的裝置 。 踏步機結構精良，踏步機底座踏板下面配有兩根油壓桿，可以消除運動時膝蓋關節的摩擦，并且更加的有益于筋骨的伸展，同時也具備可以調整健身者所需要的運動強度，讓健身者在不知不覺中燃燒脂肪，特別鍛煉腰、腹腿等部位，可以達到很好的健身作用。 踏步機還設計了變位孔 ， 能 滿足 各種身高不一的健身者 的要求，踏步機油壓桿的設計能夠滿足不同年齡群體的需求，由于有油壓桿可以任意的調節腳踏板的緩沖力能夠有效減 小膝蓋的摩擦，能夠讓健身者舒適的達到鍛煉身體的目的。 踏步機的基本尺寸設計 踏 步機 在 設計過程中 因為是給人類使用 的貼身舒適健身器材，所以 必須考慮到使用者的感受及舒適，因而在基本尺寸設計時需參照 GB/T 1000088 中國成年人人體尺 寸。踏步機設計的是站立式的運動方式，成年人的站立運動靠大腿肌肉，臀部肌肉。小腿肌肉發力。因此應該考慮到人體徒不的大小情況。 如圖 36所示成年人的人體尺寸。 華北科技學院畢業設計（論文） 第 13 頁 共 45 頁 圖 36 查取數據可得： 身高 H :1754mm 前臂長 L2: 253mm 上臂長 L1: 333mm 大腿長 L3: 496mm 小腿長 L4: 396mm 腳掌長： 250mm 腳掌寬： 100mm 綜合上述數據可以就可以設計出踏步機的大概基本尺寸。 便攜式踏步機結構與加工工藝設計 第 14 頁 共 45 頁 踏步機踏板的設計 踏步機踏板是安裝在踏步機踏桿上的一個用于人們腳掌踩踏的部件。踏板起著支撐作用以及保護作用。它必須符合人體腳掌的大小。而且還得能夠承受人體的重量，而不至于破裂。 如圖 37 是踏板的三維圖 圖 37 踏板 三維圖 如圖 所示 ， 踏板為該踏步機 中人體切身能感受到接觸到 的主要零部件， 因此踏板采用了人體美學，進行了人體舒適感調查。在 踏步機 的 兩 邊 各有一 個 踏板，采用左右踩踏的方式進行踏步運動， 踏步機踏板主要由橡膠注塑成 ， 在踏板表面 上有 設計了 許多防滑的小 突起結構 ， 能夠 保證健身者在踏步過程中， 不會打滑。 綜合考慮之下，初步選定踏板尺寸長 250mm,寬 100mm。如圖 38 華北科技學院畢業設計（論文） 第 15 頁 共 45 頁 圖 38 踏板尺寸圖 踏步機踏桿的設計 踏步機踏桿（也叫踏步機支撐桿）， 是作為支撐整個人體重量的關鍵部件 。在支撐人體的同時，他還有個作用，那就是塑造完美的臀型，通過踏桿的角度傾斜，使使用者在運動的時候上下提臀的同時，能夠以一個三角的角度關系，將力集中在臀部，使臀部更加上翹。獲得令人羨慕的好身材。這種角度在設計的時候是結合踏桿的軸進行設計，踏桿與軸相連，以一定角度傾斜踏桿支撐部分則是水平放置，在運動的時候，會有一個外狐線的運動。 初步擬定角度為 20 度。 如圖 39 是踏步機踏桿的三維圖 便攜式踏步機結構與加工工藝設計 第 16 頁 共 45 頁 圖 39踏桿三維圖 踏步機踏桿是作為支撐整個人體重量的關鍵部件，強度十分關鍵，所以在對踏桿經行設計的時候，應該充分考慮到人體的重量以及腳掌大小。作為踏桿的材料選擇，通過前文對各種材料的調查與考核，特選擇金屬材料。在踏板上有定位孔，能和踏板相互配合。 綜上所述，踏步機踏桿的初步設計就成型了。整體選擇由方形鋼和鐵圓管焊接而成。長度總共為 370mm，方形鋼長度 330mm，寬度 50mm。鐵圓管直徑 35mm，長度 100mm。 初 步方案如圖 310 所示： 圖 310踏步機踏桿尺寸圖 華北科技學院畢業設計（論文） 第 17 頁 共 45 頁 通過上文中對于人體的尺寸以及重量標準， 那么 當體重為 75Kg 的人在踏步機上踏步 運動 時 : M=75Kg， G=Mg=750N 單個踏桿平均所受的力為 375N. 因此 該踏桿強度 符合設計的要求，能夠保證健身運動的順利進行。 踏步機 傳動 機構設計 現在市場上的 踏步機 中，其傳動 機構的 方式五花八門，百家爭鳴 ，但 是 對于 絕 大多數 的 踏步機而言， 都無疑 暴露出了 他們其中 的 不足。例如，其中 一部分機構不能提供均勻的阻力，另外一部分機構能夠提供均勻等大的阻力 。并且 在使用的過程中 還 產生 了比較 令人煩躁 的噪音。因此，踏步機 傳動機構 的 創新改良 設計成為 了當務之急。 踏步機 的傳動 機構主要用來連接左右 踏桿 ， 在 人們使用踏步機進行踏步運動時，左腳和 右腳以一定的 節奏 對踏板進行 交互 踩踏 運動。當 左腳踩踏左邊踏板 的 時 候 ，左踏板會 受到斜向下的壓力 。此時， 左踏板將會以一定的圓弧斜向下運動。由于左右踏板 連接在踏桿上面，踏桿 通過 傳動機構 連接，左踏板斜向下運動時，對左邊 踏桿 產生一個拉力，左邊 踏桿 拉動中間的過渡桿，然后過 繩子和滑輪繞 中心軸轉動，帶動右邊 踏桿 ，右 便踏桿 斜向上帶動右邊踏板斜向上運動，從而實現踏步機的踏步功能。 要實現踏步機正常的踏步運動，能夠提供以下幾類方案供選擇： 方案一： 對踏步機踏板底下的液壓缸進行改進，將液壓缸的活塞桿上套上一個彈簧，當左右踏板以不同的頻率踩踏時，由于踏板底下彈簧的作用，被踩下的踏板能夠瞬間恢復原樣，從而實現踏步的功能。 方案二： 通過對踏步機踏板底下的油壓缸進行改進，用一根油管將左右兩個液壓缸連同，當其中的一個踏板被踩踏下時，踏板下面的液壓油缸將液壓油壓至另一只油缸，油缸的活塞桿將會斜向上運動，對另一邊的踏板產生推力，從而實現踏步的功能。 方案三： 通過機構來實現踏步機運動的功能。踏步機左右踏 板通過鋼絲繩連接，鋼絲繩繞在一個固定的滑輪上，當左邊踏板被踩下時，左踏板給鋼絲繩一個拉力，導致左便攜式踏步機結構與加工工藝設計 第 18 頁 共 45 頁 邊鋼絲繩縮短，右邊鋼絲繩伸長，左邊的拉力傳遞到右邊，對右邊踏板產生一個斜向下的拉力，導致右踏板斜向上運動，從而實現踏步的功能。 方案四： 利用機械連桿機構實現踏步的功能，該連桿機構主要由兩根連桿、一個連桿架、過渡桿組成，該機構主要通過鋼絲繩機構演變而來，將鋼絲繩機構的定滑輪替換成連桿架、過渡桿，將其中的鋼絲繩替換成連桿，當左右踏板以不同的頻率運動時，左右連桿將傳遞拉力，導致另外一邊的踏板以相反方向運動，從而實現踏步 機踏步功能。 踏步機連桿機構最優方案選擇 : 綜上所述，液壓缸彈簧裝置、液壓缸聯通機構、滑輪機構、機械連桿機構均能實現踏步機運動的功能。但并不一定都能完全滿足踏步機設計的需求，必須綜合考慮其優、缺點，選擇其最優的方案作為兩踏板之間的連接機構 。 連桿機構優缺點分析表 綜合 通過上表的分析半段，以及 兩踏板連接的作用考慮 。第一 ，必須能夠提供均勻阻力，以便減少膝蓋的摩擦。 第二 ，必須具備能夠調節踏板踩踏的幅度。 第三，能消除噪音。 從上述兩方面考慮，方案 三 ， 滑輪 機構為最佳方案。 名稱 優點 缺點 液壓缸彈簧裝置 瞬間彈力、踏板恢復快 踏板幅度不大、不能提供均勻阻力 液壓缸聯通機構 能提供均勻阻力 密封性不好，容易失效 滑輪機構 能提供均勻阻力 ，結構簡單 得網上購買 機械連桿機構 能提供均勻阻力、能消除噪音 機構復雜 華北科技學院畢業設計（論文） 第 19 頁 共 45 頁 本次設計了一 種臥式的滑輪機構作為踏步 機的傳動機構。滑輪的左右 兩端分別用剛繩連接左右踏 板的前端從而使左右踏板構 成左下右上、左上右下的運 動狀態。使用時，健身者以 雙腳分別直接踏于兩踏板帶 動液壓桿作拉伸、壓縮動作， 滑輪置于主座架下面，繩索 左右與支撐踏板的支撐桿 （踏桿）相連。因為滑輪的 繩索左右分別與兩踏板連 接，踏步運動中左右兩腳的動作因而受到了互相牽制。滑輪的繩索在左右滑動中會有稍小的角度，可以提供兩踏板作適度的左右扭轉動作，使踏步的動作從單一的上下踩踏動作變化為帶動大腿及胯部活動下肢的扭擺踏步運動。從而使令健身者必 須施加更大力量才能驅動液壓桿達到極限值動作。在滑輪與液壓桿的配合下，健身者就可以更多的豐富受到鍛煉的 肌肉群，并且猶如于真實環境下鍛煉身體。由此可以得到，臥式踏步機符合人體的運動學，使用后不會產生不良的反效果。不僅可營造出正常運動環境，而且使健身者獲得更多的鍛煉目標。并且解決了原有芯軸磨損過快的問題，從而達到本次設計的目的。 滑輪機構 ： 滑輪是變形杠桿機械，用途十分很廣。根據考察，其實在我國早在很久以前的春秋戰國時期的墨家學派的墨子所著的代表著作《墨經》中就有關于滑輪的記載，這是全世界最早關于機關術的記 載，是機械的雛形。滑輪周邊有槽，能夠繞軸轉動的小輪，由可繞中心軸轉動有溝槽的圓盤和 跨過圓盤的鋼索鎖所組成的。滑輪系統包括滑輪、旋鈕及繩索。當旋轉旋鈕將滑輪遠離兩凸耳方向移動式同時會將繩索拉緊，使得當一組液壓與支撐桿機構的踏板支撐桿被踩下時，會隨之將外的寧一組液壓與支撐桿機構的踏板支撐便攜式踏步機結構與加工工藝設計 第 20 頁 共 45 頁 桿拉起，如此就可以使倆踏板動作行程拉短，當旋轉旋鈕將滑輪往靠近倆凸耳方向移動時，繩索會變松。得當