娛樂(lè)健身木馬車的設(shè)計(jì)

謝 雄，趙 聰，廖益豐

（成都大學(xué) 工業(yè)制造學(xué)院，四川 成都 610106）

0 引言

根據(jù)近年來(lái)多方調(diào)查結(jié)果，目前我國(guó)上班族大多缺乏娛樂(lè)健身活動(dòng)，身體處于亞健康狀態(tài)，主流城市的白領(lǐng)亞健康比例高達(dá)76%，原因有八成是因?yàn)榫米粍?dòng)、缺乏鍛煉引起的，尤其是近來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，生活節(jié)奏越來(lái)越快，上班族白天忙于工作，晚上忙于照顧小孩，因此很少有時(shí)間進(jìn)行娛樂(lè)健身活動(dòng)。

現(xiàn)有的木馬僅適用于兒童，健身自行車供成人鍛煉身體，目前還未見(jiàn)一種能將木馬與健身自行車結(jié)合在一起，同時(shí)滿足大人鍛煉與小孩娛樂(lè)的健身娛樂(lè)器材。于是我們?cè)O(shè)計(jì)出一種娛樂(lè)健身木馬車，讓大人在照顧小孩的同時(shí)達(dá)到鍛煉身體的目的。

1 娛樂(lè)健身木馬車的主要功能及工作原理

該娛樂(lè)健身木馬車的主要功能是讓成人鍛煉身體的同時(shí)又能使兒童娛樂(lè)，增進(jìn)父母與子女的情感交流，促進(jìn)家庭和諧，它克服了健身自行車與旋轉(zhuǎn)木馬功能單一的缺點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來(lái)，而且采用純機(jī)械裝置，既鍛煉了身體，又節(jié)能環(huán)保。圖1為該木馬健身車的整體外觀圖。

圖1 娛樂(lè)健身木馬車整體外觀圖

該車的加載是通過(guò)加載鋼繩、剎車片、飛輪和剎車片調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕可改變剎車片與飛輪之間的摩擦力，從而可根據(jù)需要調(diào)節(jié)健身強(qiáng)度。

蹬踩腳踏板使健身車的主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)健身車的從動(dòng)鏈輪，健身車的從動(dòng)鏈輪與木馬車的主動(dòng)鏈輪固連在木馬車的曲柄中軸上，從而帶動(dòng)木馬車的從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)與木馬車的主動(dòng)鏈輪和其從動(dòng)鏈輪連接的鏈條帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪及固定在木馬車的從動(dòng)鏈輪上的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)連桿和搖桿運(yùn)動(dòng)，最終使固定在連桿上的木馬在鉛垂面內(nèi)作有規(guī)律的波浪形運(yùn)動(dòng)，所安裝的彈簧阻尼器、飛輪可使木馬的運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)。

2 設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題及解決方法

木馬在向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其重力的作用會(huì)對(duì)健身車的踏板產(chǎn)生一個(gè)“回沖力”，使踏板在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力呈“雙向脈沖狀態(tài)”。對(duì)此我們?cè)谘b置中加入了彈簧阻尼器和帶有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪盤的加載裝置。彈簧阻尼器起到反向加載作用，加載的阻力使踏板僅單向受力，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程變得連貫。而飛輪盤吸收反沖的能量，延遲反沖作用的時(shí)間。

不同體質(zhì)的人鍛煉強(qiáng)度不一樣，小孩的重量也可能相差很大，為使不同體質(zhì)的人都能達(dá)到各自理想的鍛煉效果，我們?cè)O(shè)置了加載裝置，該裝置通過(guò)調(diào)節(jié)連有剎車鋼線的旋鈕來(lái)改變剎車片與飛輪之間的正壓力，加大（或減小）摩擦阻力載荷，以適應(yīng)不同強(qiáng)度的鍛煉。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 鏈輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)

健身車部分：主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)為24；從動(dòng)鏈輪的齒數(shù)為16。

木馬車部分：主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)為16；從動(dòng)鏈輪的齒數(shù)為48。

鏈輪的總傳動(dòng)比：i＝i1×i2＝16／24×48／16＝2。

3.2 木馬車上下起伏頻率的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)正常人蹬踩腳踏板的轉(zhuǎn)速為（50～70）r／min，則木馬車的轉(zhuǎn)速n（r／min）為：

n＝（50～70）／i＝25～35 。

3.3 加入彈簧阻尼器緩減的脈沖力的計(jì)算

木馬車的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的受力分析如圖2所示。

圖2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)受力分析圖

將小孩看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)心位于連桿BC中心處。此時(shí)木馬曲柄由B點(diǎn)轉(zhuǎn)到B1位置，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為α，彈簧的彈力系數(shù)為k（將所安裝的彈簧簡(jiǎn)化為一根），彈簧的伸縮量為Δ，則B1處的受力為（0.5G－kΔ）。則曲柄受到的力矩M2為：

其中：G為小孩及木馬的重量；L為木馬車曲柄的長(zhǎng)。

在圖3的二級(jí)鏈傳動(dòng)中，腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩M1與曲柄受到的力矩M2的關(guān)系為：

其中：η1為健身車部分鏈傳動(dòng)效率；η2為木馬車部分鏈傳動(dòng)效率。

圖3 娛樂(lè)木馬車的二級(jí)鏈傳動(dòng)圖

由于i＝2，故腳蹬踩腳踏板轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ與木馬車曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度α的關(guān)系為：

聯(lián)立式（1）～式（3）可解得：

由式（4）可知，當(dāng)0.5G＝k L時(shí)，M1的振幅最小。此時(shí)有：

假設(shè)小孩的重量G＝300 N，L＝0.04 m，k＝3 750 N／m。查表可知η1＝η2＝0.97。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5）計(jì)算可得 M1＝1.6sinθ（Nm）。

當(dāng)不加彈簧阻尼器時(shí)（即kΔ＝0時(shí)），腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩M0為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）計(jì)算可得M0＝3.（Nm）。

飛輪上加載時(shí)，由于加載的阻力與人蹬踩腳踏板運(yùn)動(dòng)總是相反，故通過(guò)加載一定的阻力可使踏板僅單向受力，從而消除了雙向脈沖力，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程變得連貫。飛輪加載后腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩為：

其中：ΔM為飛輪加載前、后腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩的增量。

比較未加彈簧阻尼器且飛輪未加載、加上彈簧阻尼器且飛輪未加載和加上彈簧阻尼器且飛輪加載3種情況下腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩M0、M1、，如圖4所示。

圖4 三種情況下腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩比較

4 結(jié)論

該裝置將木馬和健身自行車完美結(jié)合，解決了正在撫育小孩的工作群體鍛煉身體和照顧小孩的矛盾，加深了大人與小孩的情感交流，促進(jìn)家庭和睦，且既能父（母）子同樂(lè)，也能讓大人單獨(dú)健身鍛煉。

［1］ 王知行，鄧宗全.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 濮良貴，紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 宋寶玉.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書［M］.北京：高等教育出版社，2006.