多功能電動(dòng)跑步車的研究

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(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

人們?cè)诮∩矸矫娴南M(fèi)大多使用機(jī)械式跑步機(jī)鍛煉。理論上能量被更多消耗，健身目的更加明顯。但實(shí)際附加的運(yùn)動(dòng)傷害較自然跑步更多，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)報(bào)告稱：常規(guī)跑步，人體運(yùn)動(dòng)組織都會(huì)受到不同程度的震蕩，易導(dǎo)致肌體損傷，在機(jī)械跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)，除接受自身重量產(chǎn)生的震蕩外，人體運(yùn)動(dòng)組織，特別是跟腱，還會(huì)承受額外的摩擦扭矩。導(dǎo)致的韌帶、扭矩等關(guān)鍵受力部位的慢性疲勞，不利于健康。因?yàn)闄C(jī)械跑步機(jī)的缺陷對(duì)人體有較大損害，電動(dòng)跑步機(jī)漸漸取代了機(jī)械跑步機(jī)，通過(guò)電力輔助克服以上的缺陷，讓使用者進(jìn)行健康鍛煉變得安全放心。針對(duì)交通擁堵問(wèn)題本款電動(dòng)跑步車的設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)電動(dòng)車基礎(chǔ)上，安裝前后行駛輪，整合動(dòng)力傳輸方式，將電動(dòng)跑步機(jī)改進(jìn)為代步工具，增加交通功能。改良出一款用于社區(qū)范圍內(nèi)的健身交通器械，使用者以不同的速度在跑步車上跑步，隨時(shí)根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度；而且還可以啟動(dòng)助力模式，在行駛輪的帶動(dòng)下，將跑步車作為代步工具，跑步車在健身者運(yùn)動(dòng)時(shí)能顯示出跑步時(shí)的速度、時(shí)間、心率、熱量、節(jié)拍、距離等指標(biāo)，使健身者能夠隨時(shí)根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度。

1 總體方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)跑步車的功能包括跑步健身和行使代步。電動(dòng)跑步車是由車體架、電機(jī)、跑步帶、滾軸、車輪等主要部分構(gòu)成。此設(shè)備通過(guò)跑步帶循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)形成運(yùn)動(dòng)的跑道，跑道運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度同使用者跑步的速度相一致，運(yùn)動(dòng)的方向相反，從而使用者能在跑步帶上進(jìn)行持續(xù)的跑步鍛煉。跑步帶以后車輪作為動(dòng)力輪，由調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)鏈條和鏈輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn),跑步機(jī)整體三維圖見(jiàn)圖1。

圖1 跑步機(jī)整體三維圖

作為通用健康器材產(chǎn)品的跑步車，它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須能讓不同體重的使用者正常使用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低檔位運(yùn)轉(zhuǎn)速度必須提供較大轉(zhuǎn)矩，滿足減肥者身體肥胖，跑不快的動(dòng)力需求。相反，對(duì)想要健身的人群，他們跑步快但重量輕，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高檔位運(yùn)轉(zhuǎn)速度提供的轉(zhuǎn)矩需求較小。所以電機(jī)的速度調(diào)節(jié)要求范圍較廣，要求低速轉(zhuǎn)矩較大。

此跑步車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為受重110kg，功率1.5HP。擬定跑步車滾軸直徑為60mm，所以最大轉(zhuǎn)矩：

Tmax=F×L=16.17N·m

2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)所需的是固定傳動(dòng)比的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，適合選擇帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)是具有撓性件的傳動(dòng)方式，可以緩解沖擊載荷，保持運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)噪音，超載的情況可能發(fā)生與軸傳動(dòng)帶打滑現(xiàn)象，防止損壞其他部件，額外的保護(hù)功能，并且?guī)鲃?dòng)中間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用范圍廣。

根據(jù)跑步車傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，選擇質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)工藝好的多楔帶帶軸；為了減少帶的磨損，帶軸的輪槽工作面必須經(jīng)過(guò)精細(xì)加工；每載荷的大小和角度，必須保持較高的精度，可以使應(yīng)力分布更為均勻。

蛇形帶主要與參考軸的直徑有關(guān)，先根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式選擇，然后根據(jù)其模型和輪緣槽寬度、根的數(shù)量和尺寸而確定。然后選擇D=33.5mm小軸L12LK33.5固體型、規(guī)范。大皮帶軸選擇D=71mm Web型，L12LK71規(guī)范。

作為整臺(tái)機(jī)器的支撐框架，專業(yè)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能為跑步車提供堅(jiān)實(shí)可靠的性能支撐，穩(wěn)定強(qiáng)效的運(yùn)轉(zhuǎn)保障。

跑步機(jī)前車架和跑步架見(jiàn)圖2。

圖2 前車架和跑步架圖

為了保障系統(tǒng)的有效性，跑步前架采用焊接結(jié)構(gòu)。臺(tái)架從工作到設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以及基準(zhǔn)。首先，分析框架和工作到貨架的設(shè)計(jì)，風(fēng)格，尺寸，結(jié)構(gòu)的確定等。在常規(guī)跑步機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，尺寸數(shù)據(jù)：450mm寬×1300mm長(zhǎng)的跑帶面積，為了保證足夠的交通面積大小的基地，然后參考電機(jī)皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心之間的距離的位置，電機(jī)安裝前和安裝后輥、位置等。

臺(tái)架和工作到地圖的運(yùn)行表明整個(gè)前機(jī)架框和最有可能的地方前進(jìn)和運(yùn)行時(shí)刻的現(xiàn)象在架在中央。臺(tái)架和工作到他身邊60kg承受荷載的計(jì)算，因?yàn)橛幸欢ǖ臎_擊力，取跑步時(shí)腳相對(duì)于跑步架8m/s,與跑步架接觸0.3s計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如下，許用應(yīng)力[σ]=60MPa。

所以

彎矩

M=F2×500=451300N·mm

彎矩應(yīng)力

所以可用。

由圖3前車架和跑步架圖可知，整個(gè)前車架和跑步架最有可能出現(xiàn)斷裂的地方在下前車架和跑步架的尾部。

圖3 前車架和跑步架受力圖

所以可用。

車輪和電機(jī)所采用傳動(dòng)方式，即，通過(guò)電機(jī)齒輪將動(dòng)力傳至主動(dòng)鏈輪，主動(dòng)鏈輪通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳至從動(dòng)鏈輪，從動(dòng)鏈輪將動(dòng)力傳至主動(dòng)輪。原理圖如圖4。

A：主動(dòng)鏈輪，B：從動(dòng)鏈輪，C：主動(dòng)輪，D：鏈條

圖4 鏈輪傳動(dòng)原理圖

軸在交變應(yīng)力作用下工作，材料要求剛度、強(qiáng)度、加工性能好，抗疲勞性能高。

軸的材料主要采用中間45#鋼或合金鋼40Cr。

這是常用的45#鋼(碳含量0.45%)，具有較高的綜合力學(xué)性能。

本設(shè)計(jì)采用45#鋼。

(1)計(jì)算軸上功率P1、運(yùn)轉(zhuǎn)速度η1和轉(zhuǎn)矩T

查手冊(cè)得，多楔帶的傳動(dòng)效率η為0.98。則

P1=Pη=1097.6W

(2)計(jì)算作用在大帶軸上的力

大帶軸的直徑de2=71mm

作用在大帶軸上的力：

Fa=Fttanβ=0N

作用在軸上是力：軸固定，所以

Fa1=0N

(3)擬定軸的最小直徑

擬定軸的最小直徑。按無(wú)特殊要求，選擇軸的材料為45鋼，查按轉(zhuǎn)矩計(jì)算軸時(shí)的τp和C值表，取C=110，于是得

因?yàn)樽詮墓ぷ鲿r(shí)，軸承受的扭矩，而不只是在應(yīng)用型的，所以，必須采取T= 0。因?yàn)槭枪潭ǖ男妮S的影響，考慮啟動(dòng)、停止等。結(jié)果，點(diǎn)軸截面的應(yīng)力可以被看作是循環(huán)應(yīng)力。所以：固定心軸必須容許應(yīng)力[σ]=102MPa

彎矩M=Fr×250=16.6N·m

抗彎截面系數(shù)

彎矩應(yīng)力

所以可用，則通過(guò)設(shè)計(jì)能承受足夠的工作強(qiáng)度。

前滾軸即主動(dòng)滾軸的外圓全跳動(dòng)要小于0.33mm，后滾軸也就是從動(dòng)滾軸的外圓全跳動(dòng)要小于0.25mm。滾軸均采用5.0mm壁厚的優(yōu)質(zhì)鋼管，光潔度達(dá)到0.8以下。具有防靜電防腐處理外部輥輥，后處理，前后滾軸的外形如圖5、圖6所示。

圖5 前滾軸圖

圖6 后滾軸圖

速度控制系統(tǒng)是電動(dòng)自行車的電動(dòng)自行車控制器的核心，它不僅能完成外部信號(hào)的處理，還有無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制策略，更重要的是，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。速度控制系統(tǒng)，包括：用于檢測(cè)電源電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、電壓、電流、速度和位置檢測(cè)電路和保護(hù)電路、制動(dòng)器、聲光報(bào)警、轉(zhuǎn)速顯示電路。36伏特的電壓，電源控制器、電池、模塊、電源模塊的直流-直流變換，分別獲得第15伏和5伏直流電源模塊分別與聲光報(bào)警，單片機(jī)的MOSFET的驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)電路的控制器的輸出速度傳感器的信號(hào)，相應(yīng)的PWM方波信號(hào)的脈沖寬度的大小，將塑料驅(qū)動(dòng)波形信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)放大控制，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序。控制器根據(jù)速度調(diào)整電壓，調(diào)整電壓以模擬電壓以控制馬達(dá)的速度。ATmega88接收信號(hào)由電機(jī)和Holzer位置傳感器解碼，因此，實(shí)現(xiàn)電子整流電機(jī)來(lái)改變相位序列。電阻負(fù)載電流采樣檢測(cè)。當(dāng)電流的流量過(guò)大時(shí)，保護(hù)芯片發(fā)出指令，以避免控制器和機(jī)械損傷。

3 結(jié) 論

1)跑步速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，獲得優(yōu)化的數(shù)據(jù)。

2)突出了人力電力混合傳動(dòng)系統(tǒng)的功能性，使跑步者能體驗(yàn)到跑步車運(yùn)動(dòng)元的力量和行駛元便捷。實(shí)現(xiàn)交通、運(yùn)動(dòng)合為一體的跨界混搭式新型交通工具。既適應(yīng)了當(dāng)今社會(huì)快節(jié)奏的生活狀態(tài)，又符合當(dāng)今社會(huì)低碳環(huán)保的發(fā)展理念。

參考文獻(xiàn):

[1] 朱龍根主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 劉鴻文主編.材料力學(xué)(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2003.

[3] 關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇與應(yīng)用分析[J].劉銳.科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2016(04).

[4] 楊玲，吳乾坤.跑步機(jī)用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào). 2013.

[5] 韓方恒.跑步機(jī)的動(dòng)力選擇和傳動(dòng)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2014(13).

[6] 唐春風(fēng)主編.電動(dòng)跑步機(jī)種類及性能分析[J].北京：文體用品與科技，2006.