自发电跑步机的研制毕业论文.doc

目 录摘要：21引言21.1自发电跑步机的简介21.2关于Pro/E的简介31.3关于Protel99SE的介绍32自发电跑步机的基本结构42.1自发电跑步机的外形设计42.2跑步机传动结构的设计93自发电系统的设计103.1可移式联轴器的选择123.2发电机的基本原理133.3逆变器的基本原理144跑步机的日常使用145展望与总结15参考文献：16谢辞18自发电跑步机的研制 摘要：跑步机是家庭及健身房常备的健身器材，锻炼时不受天气影响，更安全，深受广大健身爱好者的欢迎。而当今社会的口号是环保，低碳。所以自发电跑步机应运而生。它避免了普通跑步机受地方空间及电源的限制。而当前我国能源的紧缺，也加快了自发电跑步机的发展。自发电跑步机不仅使人锻炼了身体，还是人的消耗的体能转化为电能，因此自发电跑步机具有“健身强身，储能节能，绿色环保”等多重功能。随着健身家庭和全民健身的普及，具有巨大的市场前景、可观的经济效益和社会效益。关键词：自发电；跑步机；节能环保1引言当今社会随着经济和科技的不断发展，人们的生活水平得到了很大提高。因此人们对身体健康的重视程度也在不断的加强，而在体育锻炼方面的消费相应的也在飞速的提高。近年来在我国，作为健身活动中主要使用的器材跑步机的产量每年都以超过 25%的速度在增长。但随着社会的发展，我国对能源的需求也在不断的增加，用电需求量每年也是在大幅度的攀升。而用于发电的自然资源绝大部分是不可再生的，人类在发展经济的同时，对自然资源的肆意开发和对环境的无偿利用，已经造成了生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。我国传统能源资源十分有限，世界能源供应市场危机不断，因而不允许我国长期的高能消费。1.1自发电跑步机的简介自发电跑步机是在跑步机的基础上加上发电机，蓄电池，充电器等。使人们在锻炼身体的同时能节约电能。在健身器材上安装自发电装置后，让人们在健身活动中不仅锻炼了身体又将消耗的体能转换并储存为电能，再次加以利用。它不耗煤、石油、天然气等传统能源，充分挖掘利用源自人们健身运动时产生的由人体肌能转化来的可再生的自然人力资源，具有“健身强身、储能节能、绿色环保”等多重功能。随着健身家庭和全民健身的普及，具有巨大的市场前景、可观的经济效益和社会效益。1.2关于Pro/E的简介Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。1.3关于Protel99SE的介绍Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。本文则利用该软件设计了逆变器的部分。1.3.1电路工程设计部分 (1)电路原理设计部分：电路原理图设计部分包括电路图编辑器简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （2）印刷电路板设计系统：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器、零件封装编辑器和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。 （3）自动布线系统：本系统包含一个基于形状的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。 1.3.2电路仿真与PLD设计部分（1）电路模拟仿真系统：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。 （2）可编程逻辑设计系统：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。 （3）高级信号完整性分析系统：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。2自发电跑步机的基本结构2.1自发电跑步机的外形设计2.1.1支架的设计支架在跑步机中起到支撑其他部件的作用，跑步机展开时，支撑着踏板的前端和扶手部分，跑步机折叠起来时，就支撑着整个跑步机。 图1 跑步机底座跑步机的支架一般分成底部支架和上部支架两部分，通过插拔的形式安装和拆卸，目的是包装时节省空间，材料采用空心钢管，连接为焊接，保证稳定性。底部支架与地面接触，为了实现二级缓冲，通常会在其上按有橡胶垫；上部支架是两条斜安装的管，支架还包括扶手，仪表安装，辅助支架等。图2前支架和面板2.1.2基架的设计基架的设计是整个跑步机稳定的保证，全部采用镶嵌式固定。支架，滚筒以及前罩等等，都要靠基架来维持平衡。通过调研，看现有市场上的跑步机的基架结构的流行设计，在此我基础上进行自己产品的开发，紧跟市场，在尺寸的确定方面参考了人体运动工学推算1000mm宽X1500mm长跑步带面积，以此保证给人以足够的运动面积，为主要数据展开对基架的设计，再考虑电机的尺寸，传动机构带传动的中心距离，电机的安装，前后滚筒的位置，PWM调速电源的安装位置，以及传感器安 装位置的预留等等，设计了下图的基架，在设计中特意将两边框设计了足够的宽度，以此为锻炼过程中短暂的休息提供两脚踩放的位置，另外也为万一跑步机失灵发生意外，人可快速两脚分开脱离旋转的跑带，提供足够的安全踩放位置。图3跑步机基架2.1.3轴的设计滚筒轴属于固定心轴，轴的毛坯一般用圆钢或锻件。轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。其主要要求是：1）轴应便于加工，轴上零件要易于装拆； 2）轴和轴上零件要有准确的工作位置；3）各零件要牢固而可靠地相对固定；4）改善受力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要求是：强度高、刚度好、应力集中的敏感度小，抗疲劳，加工性能好，有的轴表面要求也较高。轴的材料主要采用中碳钢35或45钢和合金钢20Cr或40Cr等。最常用的是45#钢，它具有较高的综合机械性能。此设计采用45#钢。 图4轴的设计2.1.4滚筒的设计主动滚筒的外圆全跳动小于0.33mm，从动滚筒的外圆全跳动小于0.25mm。滚筒均采用2.1mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下。滚筒均有防静电处理。滚筒外部经防锈处理。图5滚筒2.1.5跑步带的设计跑带要求双层粘合跑带，具有高传导性，跑步带国际防滑型，运动时安全可靠。跑步带，其实就是提供一个跑步的面积，所以绝对要在乎跑步带面积的大小，左右宽度及前后长度都要够，否则无法自然迈开步伐，跑起來弯扭不顺畅，更容易跌倒。根据人体运动工学推算，100cm宽X150cm长，应是一个合宜的参考面积，然后再依个人的实际条件做增减。有不少生产"加码"跑步机，跑台加宽，左右踏条增大，以营造物超所值得虚胖假象，但最重要的跑步带面积并没增加；所以焦点要放在跑步带面积上。理论上來说，在相同的马力条件下，如果跑步机所能提供的跑步带面积越大，且整台实际的占地面积越小，应是较佳的设计。图6跑步带2.1.6跑步机的整体结构图7跑步机整体装配图2.2跑步机传动结构的设计初始条件：电动机的选择专门为跑步机生产的永磁直流电动机，传动功率P=2.2KW，主动轮转速为n1=3000r/min 传动比定为i= 1.07由于普通V带适于家用电动跑步机这种功率，所以择之。2.2.1确定设计功率PcPcKAP （1）KA工作情况系数，根据跑步机使用的特性，选择每天工作时间10小时，载荷变动小。KA=1.1 故 Pc= KA P=1.1*2.2=2.42 kw2.2.2确定V带型号对于普通V带的型号可根据设计功率Pc=2.42 KW和小带轮转速n1=3000r/min选取,选Z型普通V带。2.2.3确定带轮直径d1d2小带轮基准直径：d1由d1 应不小于50，现取d1 =71mm大带轮基准直径: d2 d2 =id1 （1-）=1.07*71*(1-0.02)=74.575mm故d2 =75mm（虽使d2 略小，但其误差小于5%，故允许）2.2.4V带基准长度L0和a0中心距的大小对带传动的影响：增大结构越大由于载荷变化引起带的颤动掉带 A减小带的长度越小在一定速度下，单位时间内带的应力变化次数N愈多，会加速带的疲劳损坏；当传动比i较大时，包角越小 对于V带传动，初步选取中心距a0=1.5（d1 + d2 ）=1.5（71+75）mm=219取a0 =200，符合0.7（d1 + d2 ）2（d1 + d2 ）确定带的有效长度Ld L0=2a0+/2（d1d2）+(d2-d1)2/4a0=2*200+229.22+0.02=629.24mm得，对Z型带选用Ld =630mm2.2.5V带根数Z= Pc /(Po+Po)KKL （2）今n1=3000r/min,d1=71mm,得Po=0.5KW所以 Po=0.04由1 =178°得K =1， KL=0.96，由此可得z=2.42/(0.5+0.04)*1*0.96=1.25 ，故取2根2.2.6作用在带轮轴上的压力FQ由q=0.06kg/m,故得单根V带的初拉力Fo=500 Pc /zv *(2.5/K-1)+qv2=90N作用在轴上的压力FQ=2z Fosin/2=2*2*90*sin178°/2=360N2.2.7普通V带轮的结构选择和尺寸设计要求质量小和分布均匀，结构工艺性好，无过大的铸造内应力，转速高时要经过动平衡 ，轮槽工作面要精细加工，以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。材料带轮常用铸铁制造，有时也采用钢或非金属材料（塑料、木材）。铸铁带轮（HT150、HT200）允许的最大圆周速度为25m/s。速度更高时，可采用铸铁钢或钢板冲压后焊接。塑料带轮的重量轻、摩擦系数大，常用于机床中。带轮直径较小时可采用实心式；中等直径的带轮可采用腹板式；直接大于350mm时可采用轮辐式。带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，并根据带的型号及根数确定轮缘宽度，根据带的型号确定轮槽尺寸则小带轮和大带轮都是用D1=71，D2=75选取实心式。3自发电系统的设计该跑步机自发电系统是跑步机的前轴与发电机的主轴相连，前期由电源带动，等到正常运转后，关闭电源使跑步机通过发电机所发的电带动跑步机的电动机正常运转，而发电机的部分运用行星齿轮结构实现变速。发电机与跑步机的前轴用联轴器进行连接实现机械能到电能的转换。然后再由发电机与跑步机的电机相连，实现电能到机械能的转换。目前市场上转动类型的健身器材主要有跑步机。人在跑步机上跑步时速度一般为 2m/s。根据市场调查跑步机，可以计算出行星齿轮减速传动机构的传动比，如表所示。后文设计了一套用于输出轴径为 20mm 类型的跑步机上的发电装置。表1跑步机的一些基本参数输出轴径（mm）输出转速（r/min）发电机额定转速(r/min)传动比ip跑步机2019204004.83012803.2409602.4.自发电跑步机的基本工作原理是跑步机先由电动机带动，等到正常运转后，启动自发电装置。由于惯性的作用，只要人在跑步机上跑步，就会带动发电机进行发电，然后通过充电器的整流，然后对蓄电池充电，使电能转化为电池的化学能，然后用有保护电路的逆变电源，把电池里的化学能转化为交流220v市电，保证正常使用。图8自发电跑步机的基本工作原理3.1可移式联轴器的选择为了使跑步机前轴和发电机的主轴能紧密连接而不出现滑动或相对移动，使用新型联轴器。该联轴器由三个零件组成，两端的两个零件留有轴孔和键槽，用于插入输入输出轴；中间的零件用于两端零件的连接。而在装配时两个卡口处采用间隙配合，这样就可以使该联轴器具有一定的补偿两轴间的相对位移的功能。这种联轴器结构简单，制造加工简单，成本低，不仅可以少量的补偿两轴相对位移，而且由于该联轴器并没有任何紧固件，所以使储能装置的拆卸变得十分简便，易于实现储能装置的通用性，可拆卸性。图9可移式联轴器的选择3.2发电机的基本原理图10 发电机的定子和外壳发电机的工作原理如下：发电机通常由定子、转子、端盖、电刷、机座及轴承等部件构成。定子由机座、定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。图11发电机的转子转子由转子铁芯、转子磁极、滑环、风扇及转轴等部件组成。通过轴承、机座及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。本文中是跑步机在正常工作运转后，启动自发电系统。跑步机的前轴通过联轴器与发电机的转轴相连接，从而带动转子磁极，绕线包绕组转动，切割磁感线，达到发电的目的。发电后，通过导线，充电器，蓄电池，逆变器，最终形成回路，产生电流。3.3逆变器的基本原理逆变器（inverter）是把直流电能转变成交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于各种家电。逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是发电设备中一个重要部件。图12逆变器的原理图4跑步机的日常使用1在确认安装好跑步机后，才能通电源。2 将电源线插头插入带有安全接地的电源插座中，电动跑步机的电源线是专用的，若电源线发生损坏，请尽快与厂家联系。3 跑步机为室内健身器材，请勿室外使用，若阳台使用，务必防雨防暴晒。摆放场所要干净平整，注意防潮，注意勿将跑步机放置厚地毯一类物品上，以免影响跑步机底遮板空气流通。4 锻炼时不能穿太长，太宽松的衣服，以免衣服挂到跑步机上造成安全事故。建议穿有胶底的跑步鞋或健身鞋锻炼。5展望与总结自发电跑步机是在普通电动跑步机的基础上的一次技术性变革。它在普通电动跑步机的基础上加上发电机，蓄电池，充电器等。使人们在锻炼身体的同时，能节约电能，而且响应了国家关于低碳，环保，绿色等理念。而且在跑步机上加上发电装置后，让人们在日常生活中不仅锻炼了身体，同时将身体消耗的能量通过发电设备转化为储存在蓄电池里的化学能，再通过导线形成闭合回路，释放电能，可以再次加以利用。它不耗煤，石油，天然气等传统化石能源，充分挖掘利用人们健身运动时产生的由人体机能转化来的可再生的自然人力资源，具有“健身强身，储能节能，绿色环保”等多重功能。随着健身家庭和全民健身的普及，它将有巨大的市场前景和可观的经济效益及社会效益。 该自发电跑步机虽然在技术上比较新，但毕竟新事物有其两面性。与传统跑步机相比，制作成本肯定要高。很多家庭在考虑到性价比的基础上，可能不会选择该跑步机。而且自发电跑步机在普通跑步机的基础上加了发电机，用户们可能会担心有没有可能漏电的问题。参考文献：1孙桓，陈作模。机械原理M.北京：高等教育出版社，2001.62曹惟庆，徐曾荫.机构设计M.北京：机械工业出版社，1993.10 3钱寿铨，白喜林.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，1993.5 4饶振纲.行星齿轮传动设计M.北京：化学工业出版社，2003.95 邹慧君主编.机械原理课程设计手册.高等教育出版社，19986 赵松年主编.现代机械创新产品分析与设计，20007 杨家军主编.机械系统创新设计.华中理工大学出版社，20008杨可桢，程光蕴.机械设计基础M.北京：高等教育出版社，1997.9机械设计手册编委会.机械设计手册联轴器、离合器与制动器M.北京：机械工业出版社，2007.610饶振纲.行星传动机构设计M.北京：国防工业出版社，1980.9Development of spontaneous electric treadmill Abstract: The treadmill is very popular whether in gym or at home. Exercise is not affected by the weather and much more safe with it. And a lot of people like it. Nowadays the slogan is green city, low carbon .So the spontaneous electric treadmill emerge is coming. It avoids the common treadmill by local space and power restriction. Chinas energy shortage , and it accelerates the spontaneous electric treadmill development. The spontaneous electric treadmill not only helps people exercise the body but also save energy .So the electric treadmill has the function of “fitness health, energy saving, green and environmental protection”. With the development of fitness family around the national fitness, we will got great market potential, considerable economic benefit and social benefit.Key word: electric treadmill, energy saving, environmental protection 谢辞本论文在选题、构思和完成过程中，蒙导师 的悉心指导。一年多来，导师渊博的学识、严谨的治学态度、富有远见和启发性的建议、一丝不苟的工作作风都将使我受益终生。值此论文成文之际，在此致以深深的祝福和衷心的谢意。在整个课题的研究开发过程中，自始至终得到了指导老师的悉心指导和热情帮助，她渊博的知识和宝贵的意见以及忘我的工作精神将激励我在以后的工作中锐意进取、不断前进。在课题的研究过程中还得到了同学们的热情帮助。在两年多的研究生学习和生活中，和他们沟通交流使我获得了不少启发。最后我还要感谢我的家人和朋友，他们在我生活和学习上给予了充分的关怀、支持与鼓励。谨向在百忙之中抽出时间审阅论文和参加答辩的各位老师表示衷心的谢意。