機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程大作業(yè)-健身車的結(jié)構(gòu)功能分析及改進(jìn)

一．背景概述近幾年來，我國(guó)健身器材市場(chǎng)一直呈逐年上升趨勢(shì)，隨著全國(guó)健身方案的實(shí)施，人民生活水平的提高和消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變等等，對(duì)健身器材、特別是家用健身器材、特別是家用健身器材的銷售也都有了極大的促進(jìn)作用，身器材的市場(chǎng)必然會(huì)越來越廣闊?！耙欢弧惫こ坛珜?dǎo)社區(qū)提供一處以上體育健身活動(dòng)場(chǎng)所，倡導(dǎo)每個(gè)家庭擁有一件以上體育健身器材，這就為健身器材市場(chǎng)繪制了宏偉的藍(lán)圖：假設(shè)以每戶平均有5口人計(jì)算，而每個(gè)家庭只以擁有一臺(tái)器材來計(jì)算，那么單就這一項(xiàng)，全國(guó)就需要2億4千萬件！這簡(jiǎn)直可謂天下第一市場(chǎng)。健身車是家庭健身器材中的領(lǐng)先產(chǎn)品，早年曾出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)健身車仍將是受歡送的健身器材。健身車在運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域叫做“功率自行車”，分為直立式、背靠式〔也稱為臥式〕健身車兩種，可以調(diào)整運(yùn)動(dòng)時(shí)的強(qiáng)度〔功率〕，起到健身的效果，所以人們把它稱為健身車。屬于典型的模擬戶外運(yùn)動(dòng)的有氧健身器材亦被稱為心肺訓(xùn)練器材。主要是通過身體較長(zhǎng)時(shí)間，適當(dāng)強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)心血管的運(yùn)動(dòng)，加快新陳代謝，增強(qiáng)心臟和肺部功能，從而改善人體的體質(zhì)。二．健身車的現(xiàn)狀和開展趨勢(shì)從健身車的阻力調(diào)節(jié)方式看，目前市場(chǎng)的健身車有普及型的磁控健身車〔根據(jù)飛輪的構(gòu)造不同還分為內(nèi)磁控和外磁控〕，較高階的電磁控健身車。1、磁控健身車磁控健身車是指產(chǎn)生阻力的金屬飛輪外圍〔或內(nèi)圍〕有磁鐵挨近，通過人力旋鈕拉線方式，調(diào)節(jié)磁鐵與金屬飛輪的遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)阻力大小來實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的要求，目前此類健身車是入門家庭用健身車的主力軍。2、電磁控健身車原理與磁控健身車類似，只是原先人力旋鈕調(diào)節(jié)更換為拉線馬達(dá)控制磁鐵與飛輪的遠(yuǎn)近阻力來調(diào)節(jié)阻力大小，因?yàn)轳R達(dá)的出現(xiàn)，加上電腦程序，電磁控健身車的阻力調(diào)節(jié)段數(shù)可以更細(xì)微，而且設(shè)定的程序允許在運(yùn)動(dòng)過程中自動(dòng)變換阻力大小，形成模擬類似爬山、山地、間歇等自然環(huán)境的程序。以適合較高階使用者。目前此類健身車是高階家用和小型健身會(huì)所常用設(shè)備。三．健身車功能分析健身車具有普通自行車所不可比較的優(yōu)點(diǎn)——可自由發(fā)揮自己的騎行速度、掌控騎行時(shí)間。通過健身車上配置的電子表，你可以隨時(shí)觀察自己每時(shí)每刻的速度、時(shí)間、心率值等。利用它進(jìn)行鍛煉，不僅能有效提高心肺功能，還有助于減肥、增強(qiáng)腿部肌肉力度和全面提高身體素質(zhì)。目前，先進(jìn)的健身車已到達(dá)電腦化程度。車前屏幕除顯示出各種數(shù)據(jù)，如訓(xùn)練者的心率、呼吸頻率、時(shí)間、速度、耗能外，還能計(jì)算出訓(xùn)練者的最正確訓(xùn)練時(shí)間、速度及消耗能量，讓你既不用擔(dān)憂自己因運(yùn)動(dòng)量缺乏而致使減肥失敗，也不必?fù)?dān)憂因運(yùn)動(dòng)量過大而造成身體不適。有的健身車上所裝置的彩色熒屏還能顯示出不同的風(fēng)景畫面，讓你在鍛煉時(shí)如同置身于田野外，頓覺心曠神怡。加載控制信號(hào)調(diào)節(jié)阻力大小輸入力熱量力轉(zhuǎn)化為速度速度轉(zhuǎn)化能量加載控制信號(hào)調(diào)節(jié)阻力大小輸入力熱量力轉(zhuǎn)化為速度速度轉(zhuǎn)化能量功能結(jié)構(gòu)圖四．現(xiàn)有健身車的主要結(jié)構(gòu)及工作原理健身車主要組成局部：主架、皮帶輪、電源、磁控裝置、皮帶、電子表、護(hù)罩、扶手等。1.整機(jī)外觀健身車外觀簡(jiǎn)潔柔和,內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用鋼管焊接而成,剛體車架穩(wěn)固結(jié)實(shí),外部罩殼采用各種塑料工藝,色彩多樣化,更能有效的防止汗水進(jìn)入內(nèi)部。2.儀表〔電子表〕顯示.A、轉(zhuǎn)度(RPM)：一分鐘傳動(dòng)圓輪盤所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。B、時(shí)間：?jiǎn)挝粸榉趾兔?，最高可顯示99分鐘。對(duì)于一般家用來說1個(gè)小時(shí)左右的有氧運(yùn)動(dòng)已足夠。在一些運(yùn)動(dòng)模式下也可以顯示的是倒計(jì)時(shí)。C、距離：國(guó)內(nèi)產(chǎn)品根本上是以公里為計(jì)量單位。D、心率：使用者的每分鐘的心跳次數(shù)，單位為次/分。E、卡路里：使用者運(yùn)動(dòng)時(shí)所消耗的熱量。1克脂肪燃燒可以釋放9卡路里的熱量。F、程序：可以顯示當(dāng)前的程序狀況。G、體脂測(cè)試：測(cè)試使用者的體內(nèi)脂肪含量。按“體脂測(cè)量”鍵，并根據(jù)提示，依次輸入年齡，身高，體重，性別，按開始鍵，雙手握在心率感應(yīng)器上〔測(cè)試使用者的身體導(dǎo)電率〕，即可測(cè)量。3.扶手健身車的扶手區(qū)分在于是立式健身車還是靠背式健身車,立式健身車的扶手在儀表盤的兩邊,而靠背式的健身車那么在坐墊位置的兩邊。4.車箱體車箱體的大小決定了運(yùn)動(dòng)的軌跡距離和內(nèi)部平衡飛輪的大小。5.阻力調(diào)節(jié)旋紐阻力調(diào)節(jié)旋紐只是在物理調(diào)節(jié)阻力大小的機(jī)器上有。構(gòu)造原理和自行車上的變速器一樣，它通過拉動(dòng)鋼絲繩調(diào)節(jié)另一端磁阻鐵離平衡飛輪的距離，以次來調(diào)節(jié)阻力的大小。阻力調(diào)節(jié)旋紐暫時(shí)分兩種，一種是有檔位的調(diào)節(jié)，阻力從1-16左右。一種沒有固定的檔位，可以進(jìn)行細(xì)微的調(diào)節(jié)。6.平衡飛輪平衡飛輪最主要的功能是讓機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)更順暢，產(chǎn)品的順暢程度和飛輪的大小，重量有關(guān)。橢圓機(jī)的平衡飛輪具有以下特點(diǎn)：飛輪的材質(zhì)多以熟鐵，其大小，重量決定了在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的慣性，越大越重其慣性越強(qiáng)，但太大了會(huì)造成車體內(nèi)部空間加大，而影響使用效果。一般平衡飛輪重量在5-8kg左右，太小慣性缺乏，使用時(shí)會(huì)有明顯的停頓感。飛輪外表會(huì)有凹槽，這樣和傳送皮帶接觸面積更大，不易打滑，一般分5槽和7槽。7.磁阻鐵磁阻鐵是控制橢圓機(jī)阻力大小的設(shè)備，安裝在平衡飛輪的正前方，靠鋼絲繩或電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)其和平衡飛輪的距離，由于磁力大小的不同，到達(dá)調(diào)節(jié)阻力的效果。8.水平調(diào)節(jié)墊健身車的水平調(diào)節(jié)墊有兩種：①水平墊腳:通過旋轉(zhuǎn)墊腳螺絲調(diào)節(jié)高度。②水平套筒:套筒的側(cè)面高度不一,通過旋轉(zhuǎn)套筒以到達(dá)調(diào)節(jié)水平的目的。9.腳踏腳踏材料為工程塑料一體壓制成型.做工精細(xì)的會(huì)在腳踏下部配有平衡塊,使腳踏一直處在水平的位置上,方便操作。10.移動(dòng)輪健身車的移動(dòng)輪根本上都設(shè)置在前端,也多為兩種方式。①滾輪式:前端做活動(dòng)的滑輪.②滾筒式:前端做可以活動(dòng)的套筒11.坐墊,靠背所有健身車的坐墊靠背都是人造革包裹泡沫海棉縫合而成.好壞主要取決于海綿的密度和縫合做工.12.曲柄健身車的曲柄就是連接腳踏位置的杠桿，有考慮到本錢左右兩邊的曲柄做成一體的,也有但獨(dú)分開安裝。13.導(dǎo)軌只有靠背式健身車才有,由于鋁合金的抗氧化性要高,所以多為鋁合金材料.考慮到很多老年人的使用方便,車身采用了無障礙設(shè)計(jì)。五．系統(tǒng)分析〔一〕支撐系統(tǒng)分析支撐系統(tǒng)主要有健身車底部?jī)蓷l條狀支架、座椅和把手組成。相較于整個(gè)車身底部接觸地面來講，條狀結(jié)構(gòu)與地面的接觸局部大大降低，因而穩(wěn)定性也更好，對(duì)于地面平整性的要求也更低。倘假設(shè)整個(gè)車身底部與地面接觸，其接觸局部存在局部突起也將使得整個(gè)健身車發(fā)生搖晃或者傾斜。此外條狀結(jié)構(gòu)在一定程度上節(jié)省材料，降低了生產(chǎn)本錢，提高了產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?！捕晨刂葡到y(tǒng)分析對(duì)于磁控健身車調(diào)節(jié)磁鐵與金屬飛輪的遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)阻力大小來實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的要求;對(duì)于電磁控式健身車其操縱原理與磁控健身車類似，只是原先人力旋鈕調(diào)節(jié)更換為拉線馬達(dá)控制磁鐵與飛輪的遠(yuǎn)近阻力來調(diào)節(jié)阻力大小，因?yàn)轳R達(dá)的出現(xiàn)，加上電腦程序，電磁控健身車的阻力調(diào)節(jié)段數(shù)可以更細(xì)微，而且設(shè)定的程序允許在運(yùn)動(dòng)過程中自動(dòng)變換阻力大小?！踩巢倏v系統(tǒng)分析：主要的操縱系統(tǒng)為車身兩旁的兩個(gè)腳踏板，和顯示面板兩側(cè)的各種控制按鈕。對(duì)于腳踏板〔四〕平安系統(tǒng)分析:對(duì)于健身器材來說，其主要功能即為了給人一個(gè)健康的體魄，沒有人會(huì)希望在鍛煉時(shí)受傷。故平安措施就顯得非常必要。針對(duì)鍛煉時(shí)防止因出汗而發(fā)生意外，在健身車的踏板上都布置有粗糙的花紋來提高摩擦力防止腳上打滑。另外在金屬的把手上都套有一層橡膠材料海綿結(jié)構(gòu)的吸汗套，一方面防止因手上出汗而導(dǎo)致意外發(fā)生，另一方面也提高了舒適性。此外座椅的高度可調(diào)，既可適應(yīng)身材較為矮小的人和保護(hù)身材較為高大的人。六．對(duì)現(xiàn)有健身車的總體評(píng)價(jià)及改良〔一〕評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：①健身車通過腳踏軸承帶動(dòng)慣性輪，模擬出騎自行車的感覺，由于是在室內(nèi)固定位置鍛煉,從而防止了在室外運(yùn)動(dòng)因天氣、環(huán)境等不利因素對(duì)運(yùn)動(dòng)者的身體影響，降低發(fā)生運(yùn)動(dòng)傷害的可能性,更讓很多不會(huì)騎車的朋友體驗(yàn)到此項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的樂趣。②健身車通過集成的電子設(shè)備及控制系統(tǒng)還可以方便地記錄運(yùn)動(dòng)者運(yùn)動(dòng)距離、消耗的時(shí)間、消耗的熱量等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，心率測(cè)試功能可以準(zhǔn)確顯示出運(yùn)動(dòng)者當(dāng)前的心率，更加科學(xué)、平安的進(jìn)行鍛煉。缺乏：①現(xiàn)有的健身車大都使鍛煉者通過消耗體力得到鍛煉效果，但人體消耗掉的能量沒有被利用。②室內(nèi)健身缺乏趣味性，鍛煉者不容易堅(jiān)持下去?！捕彻δ芨牧紴榱丝朔F(xiàn)有健身車的上述缺陷①，即鍛煉時(shí)人體消耗掉的能量沒有被利用的問題，可設(shè)計(jì)一種發(fā)電健身車，可利用鍛煉時(shí)人體消耗的能量。發(fā)電健身車能使鍛煉者通過消耗體力得到健身效果，同時(shí)使人體消耗掉的能量大局部轉(zhuǎn)換為電能，一舉兩得。公共健身場(chǎng)所，假設(shè)設(shè)置多臺(tái)這樣的健身車，回收的電能會(huì)是可觀的。對(duì)提倡開源節(jié)流、節(jié)能環(huán)保的當(dāng)今，發(fā)電健身車極有推廣前景。將現(xiàn)有健身車的飛輪改為發(fā)電機(jī)，并將上肢運(yùn)動(dòng)與下肢運(yùn)動(dòng)通過手臂搖動(dòng)裝置有機(jī)的連在一起，實(shí)現(xiàn)人體健身與發(fā)電兩大功能，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)巧秒，能量轉(zhuǎn)化率高。利用健身過程中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生所需要的電能，通過蓄電池把電能儲(chǔ)存起來，如果發(fā)電機(jī)功率按150w計(jì)算，那么每天健身一小時(shí)，發(fā)電量可以供應(yīng)一盞15w節(jié)能路燈工作12小時(shí)。具體實(shí)現(xiàn)方案如下：將健身車的飛輪改成發(fā)電機(jī)或下述盤式發(fā)電機(jī)；在軸13的大外圓固套沿軸向磁化的圓圈狀磁體12，磁體12為一整塊磁體或由多塊磁體拼結(jié)成；在非磁性絕緣圓盤6的中孔裝入軸承5，緊貼圓盤6的右端面聯(lián)接非磁性導(dǎo)電輪狀盤7，在輪狀盤7的間隔中填充非磁性絕緣材料16，但中孔除外；在非磁性絕緣圓盤10的中孔裝入軸承15，緊貼圓盤10的左端面聯(lián)接非磁性導(dǎo)電輪狀盤11，在輪狀盤11的間隔中填充非磁性絕緣材料16，但中孔除外；圓盤10與圓盤6相同；軸13的左端依次穿過輪狀盤7的中孔、軸承5的中孔，軸13與軸承5配合，且使磁體12的左端面離開圓盤6的右端面一間隙；在輪狀盤7的外圓套非磁性導(dǎo)電圓環(huán)9，圓環(huán)9的外圓與輪狀盤7的外圓大小相同，圓環(huán)9的內(nèi)圓離開磁體12的外圓一間隙；將輪狀盤11從軸13的右端套入，其左端面緊貼圓環(huán)9的右端面，且離開磁體12的右端面一間隙，輪狀盤11與輪狀盤7相同；在輪狀盤7、圓環(huán)9及輪狀盤11的外圓套非磁性絕緣圓筒8，且與圓盤6聯(lián)接；使軸13的右端依次穿過輪狀盤11的中孔、軸承15的中孔，軸13與軸承15配合，且使圓盤10與圓筒8聯(lián)接；軸承5、軸承15為滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承或磁軸承；軸13、磁體12組成轉(zhuǎn)子；其余的零件組成定子；所述轉(zhuǎn)子、定子組成所述盤式發(fā)電機(jī)；定子固定在車架；在軸13上裝傳動(dòng)齒盤或齒輪14，且使齒盤或齒輪14的左端離開圓盤10的右端面。人登轉(zhuǎn)大齒盤或齒輪1，通過鏈條或直接使齒盤或齒輪14轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使所述轉(zhuǎn)子在定子中轉(zhuǎn)動(dòng)，輪狀盤11與輪狀盤7上的輻射導(dǎo)電條切割磁體12的磁力線感應(yīng)出電勢(shì)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)越快，得到的感應(yīng)電勢(shì)越高。磁體12左右左右兩端的磁極相反，使輪狀盤11與輪狀盤7上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向沿徑向相反，導(dǎo)電圓環(huán)9將輪狀盤11的邊緣與輪狀盤7的邊緣連通，即使輪狀盤11與輪狀盤7串聯(lián)，分別從輪狀盤11的中部導(dǎo)電環(huán)，輪狀盤7的中部導(dǎo)電環(huán)接導(dǎo)線，就能導(dǎo)出感應(yīng)電能，可以儲(chǔ)存到蓄電池中或外供。注:此方案同樣也適