多功能健身器設計【說明書+CAD+CATIA】
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多功能健身器設計
多功能健身器的設計
總計：畢業(yè)論文： 40 頁
表 格： 1 表
插 圖： 10 幅
- 1 -
目錄
摘 要 I
Abstract II
緒論 - 1 -
1. 前言 - 3 -
1.1 方案確定與分析 - 3 -
1.2 設計要求 - 4 -
1.3 整體結(jié)構(gòu) - 4 -
2. 腿部鍛煉機構(gòu)設計 - 6 -
2.1 傳動方案的選擇 - 6 -
2.2 鏈傳動的設計計算 - 7 -
2.4 軸的設計 - 8 -
2.5 飛輪機構(gòu) - 10 -
3. 健身器腰部鍛煉機構(gòu)設計 - 12 -
3.1 座椅的設計 - 12 -
3.2 彈簧的設計計算 - 12 -
4. 臂力機構(gòu)及機架設計 - 15 -
4.1 設計材料的選定 - 15 -
4.2 底座的設計 - 15 -
4.3 支架的設計 - 15 -
4.4 配重的設計 - 17 -
4.5 滑輪的設計 - 17 -
4.7 其他零件的設計 - 18 -
4.8 標準件的選定及校核 - 18 -
4.9 導管設計 - 19 -
4.10 運動分析 - 19 -
5. 環(huán)保分析 - 21 -
6. 設計總結(jié) - 22 -
致 謝 - 23 -
摘 要
我畢業(yè)設計的主題是多功能健身器材，設計了多功能健身器，用于鍛煉身體的主要功能：鍛煉手臂部位肌肉群、鍛煉大腿小腿部肌肉組織、鍛煉腰腹部核心肌肉群。
大腿小腿的肌肉組織可以根據(jù)鏈條傳遞的原理和飛輪的特點達到肌肉訓練的效果；關(guān)于腰腹部核心肌肉群的鍛煉可以利用圓柱螺旋拉伸彈簧的受力拉伸、撤力自動恢復的特點來達到肌肉鍛煉的目的；手臂肌肉群的鍛煉可以通過相關(guān)機構(gòu)帶動一定重物作上下升降的動作來達到肌肉增強的作用；手臂肌肉群的鍛煉機構(gòu)包括操縱、導向、調(diào)節(jié)等相關(guān)機構(gòu)；框架的主要功能是為上述三個結(jié)構(gòu)的正確安裝提供一個平穩(wěn)的平
臺。另外，多功能健身器具還具有使用方便，安全性能好，成本低，裝配設計等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：多功能；健身器；機構(gòu)；鍛煉
Abstract
The theme of my graduation design is the multi-functional fitness equipment, designed a multi-functional fitness, for exercise the main function of the body: exercise arm parts muscle group, exercise thigh calf muscle tissue, exercise waist and abdomen core muscle group.
The muscles of the thigh calf can be transmitted according to the principle of the chain and the characteristics of the flywheel to achieve the effect of muscle training; on the waist and abdomen core muscle group exercise can use the cylindrical spiral tension spring tension, the automatic recovery of the characteristics of The purpose of muscle exercise; arm muscle group exercise through the relevant institutions to promote a certain weight for the movements up and down to achieve the role of muscle enhancement; arm muscle group exercise institutions, including manipulation, guidance, regulation and other related institutions; Is to provide a smooth flat for the correct installation of the above three structures station. In addition, the multi-functional fitness equipment also has the advantages of easy to use, good safety performance, low cost, assembly design and so on.
Keyword: multifunctional; body-building; mechanism; exercise
II
多功能健身器設計
緒論
社會不斷在進步，人們的生活水平也在不斷提高。從20 世紀80 年代開始，一直到今天，隨著生活節(jié)奏的不停加快，廣大上班族不得不面臨著越來越大的日常壓力，高負荷的工作任務使得他們的身體素質(zhì)不斷下降，加上內(nèi)心所承受的巨大精神壓力難以舒緩，從而導致了類似于普華永道和富士康等公司員工猝死事件的屢屢發(fā)生，這無疑為一眾國民敲響了健康問題的警鐘。中國醫(yī)學專家指出，目前，國內(nèi)有近 70%的人正處于亞健康狀態(tài)，罹患抑郁癥、精神分裂、頸椎病、高血壓等系列疾病的風險較以往大幅增加且逐漸呈年輕化趨勢?；诖耍藗冊谧分鹞镔|(zhì)利益的同時，也開始注重追求新的生活方式和貫行新的健康理念，而健身器材的設計與推廣，正是迎合了當前社會潮流發(fā)展的趨勢
中國健身器材業(yè)分析：（1）中國有廣大的市場，便宜的人力資源和原材料市場，及政府的各種優(yōu)惠政策，中國處于高速發(fā)展的時代，及運動會帶動全民健身意識，帶動健身器材行業(yè)的發(fā)展。（2）主要表現(xiàn)以下幾個方面：整體規(guī)模偏小、在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中所占的比重較小、商業(yè)化運作水平不高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，市場多元化開發(fā)不夠、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的潛能沒有充分發(fā)揮。起步較晚。健身器材工業(yè)起源于20世紀70年代初的美國及加拿大，別的國家也先后在70-90年代初發(fā)展起來，而中國在90年代中才開始。（3）國際市場廣大，進一步促進中國的高速發(fā)展，產(chǎn)品價格便宜;全民健身理念推廣。（4）中國經(jīng)濟高速發(fā)展，各行業(yè)的競爭升級，外資的進入對健身器材行業(yè)產(chǎn)生強大的機會和威脅，周邊發(fā)展中國家的健身器材業(yè)發(fā)展也有一定的威脅;發(fā)達國家對產(chǎn)品品質(zhì)和服務的要求在考驗中國的健身器材行業(yè)。我國健身器材行業(yè)的發(fā)展應該從以下三個策略出發(fā)：1、標準化戰(zhàn)略，短時間把我國健身用品業(yè)的標準整理修訂一遍;沒有高基準線的標準，所生產(chǎn)出來的健身器材就沒資格參與未來市場的競爭。2、認證戰(zhàn)略，根據(jù)國際慣例，原帶行政職能的審定將被第三方認證所替代， 而目前我國體育用品業(yè)內(nèi)的認證市場較為混亂，還未與國際接軌。3、名牌推進戰(zhàn)略，中國制造的產(chǎn)品在未來幾年內(nèi)的國際市場上還將不斷擴大，但以獨立的民族品牌出現(xiàn)在世人面前的還是鳳毛麟角。為了振興民族的體育用品制造業(yè)，我們必須擁有自己強大的品牌群體[20]。
隨著近年來人們享受式消費在逐年增長,城市中大量涌現(xiàn)了白領(lǐng)階層,大家紛紛加入各式各樣的健身俱樂部,享受著時尚且新奇的健身體驗。我國城市居民用于個人健身等方面的消費以30%的速度在增長,大大高于全球20%的平均增速。市場需求規(guī)模快速增長，市場空間大。
在健身市場較為成熟的歐美國家，健身器材市場非常龐大，以美國為例，由于健身鍛煉的具體方式方法的教育在大學之前就已完成 ，全民對健身知識的掌握和主動健身的觀念非常高。
施瓦辛格在《健身百科全書》中提到，健身器材改變了以往那只利用身體本身自重去鍛煉的歷史，是一個非常巨大的進步 ，所以這一市場將是非常龐大的，因為它帶給人們的不僅僅是方式上的改變，同時也帶動了健身產(chǎn)業(yè)的另一種衍生品的發(fā)展 ；同時，只要健身俱樂部不斷的發(fā)展，健身器材行業(yè)就不斷地發(fā)展，未來家庭式健身器材也會大大地普遍[21]。
健美冠軍之父本韋德在《韋德之路》中談到，健身器材工業(yè)起源于20世紀70年代初的美國及加拿大，所以美國及加拿大的健身設備制造廠是歷史最為悠久的工廠，他們經(jīng)歷了健身工業(yè)的高峰與低谷，經(jīng)歷了健身器械的誕生和發(fā)展過程，所以說美國及加拿大的健身設備是技術(shù)最專業(yè)的最優(yōu)秀的產(chǎn)品[22]。
從政策角度來看，由于健身娛樂市場可以有效地拉動居民的消費，符合國家拉動內(nèi)需、刺激經(jīng)濟發(fā)展的政策，有望得到政府的進一步支持。同時，一個需要特別注意的發(fā)展傾向是從人們對健身娛樂的消費趨勢上來看，人們健康的需求也正逐步從被動的治療性向主動的預防保健型轉(zhuǎn)換，這也預示未來的健身娛樂市場必然向科學保健、運動和娛樂合理搭配的方式發(fā)展。
- 2 -
多功能健身器設計
1. 前言
1.1 方案確定與分析
多功能健身器是一個很實用的創(chuàng)新型的結(jié)構(gòu)設計課題，在設計之前我做了相對完整的市場研究，并且在網(wǎng)上搜集到了一部分與健身器材有關(guān)的資料。除了這些以外，我還去了一些健身房里走訪了健身房里比較突出的健身教練及健身愛好者，并且親自體驗了相關(guān)健身器械，力求做到親身經(jīng)歷。健身器結(jié)構(gòu)：因為目前市場上所存在的絕大多數(shù)的健身器材大體上都是屬于盲目的單一追求功能多樣化的健身器。市場上有一囊括了十七種繁復功能的健身器產(chǎn)品，倘若一個健身器的功能最終閑置下來，那么也就失去了該健身器原本的初衷，并且由于搭載太多的鍛煉功能會導致健身器的設計工作變得尤為復雜，同時也會造成健身器的工作不穩(wěn)定，故障率比較大，維修困難等一系列問題。
在社會不斷向前發(fā)展的過程中，我國居民的物質(zhì)生活水平也得到了質(zhì)提升，民眾也慢慢的開始意識到了健身的重要性，各大高校和一些街道的健身房猶如雨后春筍一般，但是因為現(xiàn)在的社會條件下國人們的收入水平還不足以支持每一個人都到健身房去消費，在目前的社會背景下看來，普通的工薪階層雖然還不足以承受私人健身器械，但是比去健身房更便宜，比去健身房節(jié)省更多的時間，所以目前大部分的健身器材產(chǎn)品都是大多數(shù)白領(lǐng)，還有消費水平處于白領(lǐng)之上的那一群人。這個人群因為在時間分配上的原因，沒有多余的時間去健身房進行體育鍛煉，并且由于個人經(jīng)濟原因，他們也足夠消費得起私人家用健身器械，與此同時由于我國的人口基數(shù)比較大，房屋單人面積人均占有率低，導致了房屋價格的飛速上升，目前的社會時代背景下，商品房經(jīng)濟背景下的人們所居住的環(huán)境相對非常狹小，所擁有的空間極其有限，所以在進行設計的初期我就已經(jīng)明確了本次健身器材設計的大體方向，多功能健身器械的機械結(jié)構(gòu)相對緊湊，占地面積小，安全系數(shù)高，可以很容易地滿足人們對大多數(shù)肌肉鍛煉的渴望。健身的運動器械增加鍛煉的多功能性質(zhì)，在另一方面，可以讓人們鍛煉更舒適。因此，健身設備的性能進行了優(yōu)化，并通過去除一些不常用的功能，以提高健身器材的使用效率，以滿足人們的體質(zhì)的不同需求。
單人多功能健身器是我這一次畢業(yè)設計的器械，盡管這一個健身器械只能夠滿足單人對肌肉鍛煉的要求然而其提供了多項鍛煉性能。在我走訪了一部分健身房教練、還有一些健身愛好者之后發(fā)現(xiàn)，目前人們主要是針對于胸肌、肱二肱三以及腿大肌進行相關(guān)的增肌鍛煉。我這一次的設計理念主要也源自于這里，所以我這一次畢業(yè)設計所設計的多功能健身器的主要功能也是圍繞著以上幾個功能開展的設計工作。主要功能包括腿部肌肉的鍛煉、腰腹部核心肌肉群的加強、坐姿手拉拉手上下移動、站姿手拉拉桿的肱二肱三加強鍛煉。以上這四種功能綜合起來會使得健身器的整體結(jié)構(gòu)顯得較為美觀，并且在動作上也會顯得比較協(xié)調(diào)。通過該多功能健身器能夠鍛煉到的肌肉包括：胸肌、背闊肌、斜方肌、手臂肌肉前束、后束、肱二肱三、腿大肌、股直肌、三角肌等肌肉。
1.2 設計要求
按照本次多功能健身器的設計要求，該健身器需要滿足以下幾點：
（1）多功能健身器械，僅容一人進行鍛煉操作；
（2）要具備有安全性能高，運行平穩(wěn)無太大噪音的性能；
（3）配重設計為可調(diào)重量樣式，單級5kg，更換鍛煉強度便捷；
（4）機械結(jié)構(gòu)安裝合理，能夠解決當前社會背景下的健身器材市場上大多數(shù)健身器材或多或少都存在于設計上的缺陷 ，并且能夠可以便于制造。
1.3 整體結(jié)構(gòu)
1.3.1 手臂鍛煉機構(gòu)及機架
底座、立柱、拉手、鋼索、導桿、配重還有銷軸組成了整個手臂肌肉群的鍛煉機構(gòu)，該框架提供了兩個肱肌運動平臺結(jié)構(gòu)非常有效的組合三，手臂肌肉運動機構(gòu)驅(qū)動電纜，電纜通過手柄驅(qū)動配重上下移動，以達到肌肉運動的目的
1.3.2 腿部肌肉鍛煉機構(gòu)
腿部肌肉鍛煉結(jié)構(gòu)主要由鏈傳動，鏈輪軸以及飛輪組成。這個肌肉鍛煉機構(gòu)的設計靈感主要來源于自行車的傳動機構(gòu)，通過腳掌帶動踏板，踏板帶動鏈輪軸，軸帶動傳動鏈等一系列連鎖反應，最后將能量存儲到鏈輪軸兩端的飛輪中，而飛輪又接著將其存儲的能量反向傳遞到了小鏈輪上。在小鏈輪軸上，鏈條踏板向上移動。
1.3.3 腰腹部鍛煉機構(gòu)
座椅底座、靠背以及圓柱螺旋拉伸彈簧構(gòu)成了整個腿部肌肉鍛煉機構(gòu)。鍛煉者坐于座椅上，往后靠給靠背一個力，帶動靠背繞軸進行向后進行轉(zhuǎn)動，帶動彈簧受力進行拉伸（彈簧其中一端的圓鉤將其固定于座椅之上，另外一端圓鉤將其固定在靠背的左下或右下側(cè)），彈簧在失去靠背給的力之后，在本身彈力的作用下將靠背復位。
整體結(jié)構(gòu)見圖一
圖1.1：裝配圖
2. 腿部鍛煉機構(gòu)設計
2.1 傳動方案的選擇
初步考慮帶傳動和鏈傳動兩種方案，如圖二所示為鏈傳動。
圖2.1：鏈傳動
2.1.1 方案一:采用傳統(tǒng)的皮帶傳動
定義：（帶輪傳動屬于眾多撓性傳動的一種，皮帶傳動的主要部件為兩個皮帶輪（驅(qū)動皮帶輪和從動皮帶輪）以及一條驅(qū)動帶。當驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，通過皮帶輪與傳動帶之間的摩擦和嚙合作用，通過傳動帶將運動以及動力傳遞給從動皮帶輪）[2]。
傳動原理：（皮帶的張力被用作柔性部分以產(chǎn)生皮帶和皮帶輪之間的摩擦和傳動）[2]。
優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)比較簡單②傳動較為平穩(wěn)③緩沖以及吸振 ④價格比較低廉 ⑤對于安裝的精度要求低⑥比較適合長距離傳動。
缺點：①容易產(chǎn)生疲勞損壞 ②傳動帶嚙合傳動相對比，其張緊力比較大，且軸上承受的壓力大 ③皮帶的長度較長、不太緊湊 ④很容易出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象⑤由于帶與帶輪間會產(chǎn)生摩擦放電，故一般不用于高溫等場合。
2.1.2 方案二：使用鏈傳動方式
定義：鏈傳動也屬于撓性傳動之中的一種。它由鏈條以及鏈輪（主動鏈輪和從動鏈輪）組裝而成。運動和動力主要依靠鏈輪、鏈輪以及鏈條三者之間的嚙合來傳送[2]。
工作原理：運動和動力通過鏈輪鏈（中間柔性元件）與鏈輪齒嚙合來傳遞[2]。
優(yōu)點：①傳遞效率高 ②整體尺寸較小，能夠保持很好的結(jié)構(gòu) ③張緊小，作用于軸上的徑向壓力比較小?、艹休d能力高?、輰ぷ鲌龊系囊蟮?⑥成本低
缺點：①瞬時的傳動比不能得到保證 ② 磨損后容易發(fā)生跳齒 ③ 在運行過程中會產(chǎn)生噪聲和沖擊，不適合高負載、高速、快速反向傳輸。
由于本次設計要求運動平穩(wěn)，傳遞效率高等特點。綜上所述，初步確定決定采用鏈傳動鏈傳動這個方案。
2.2 鏈傳動的設計計算
鏈輪傳動的傳動比增大，導致鏈條與小鏈輪上之間的包角減小，與此同時正在嚙合的鏈輪輪齒數(shù)就會減少，每一個輪齒所承受的載荷就會增大，加速了輪齒的磨損，并且比較容易造成跳齒、脫鏈的現(xiàn)象。鏈傳動的傳動比一般情況下取，一般取。
初步選用短節(jié)距精密滾子鏈。低速級的傳動系統(tǒng)中一般用滾子鏈作為傳動結(jié)構(gòu)，傳遞的功率一般不到，鏈傳動速度低于 。依據(jù)實際情況，初步選定主動鏈輪的轉(zhuǎn)速為，傳動比取，鏈傳動所傳遞的功率為。
2.2.1 鏈輪齒數(shù)
初步選定小鏈輪齒數(shù)，大鏈輪齒數(shù)。
2.2.3 確定計算功率
由表9-6查得[2]，由圖9-13查得，單排鏈[2]，則計算功率為
2.2.4 選擇鏈條型號和節(jié)距
由Pca=1.35kW以及n1=60r/min查圖9-11[2]，選取滾子鏈型號為16A。查表，鏈條節(jié)距為。
2.3 對鏈節(jié)數(shù)和中心距的計算
2.3.1 計算鏈速v，確定潤滑方式
初步選擇中心距
現(xiàn)取，則鏈長節(jié)數(shù)
取節(jié)。
查表得到中心距計算系數(shù),則鏈傳動的最大中心距為
由和鏈號，可得滾子鏈的潤滑方式為定期人工潤滑。
2.3.2 壓軸力的計算
有效圓周力為
由于鏈輪為垂直設置，則壓軸力系數(shù)，則壓軸力為:
2.3.3 對鏈輪結(jié)構(gòu)的設計
選擇大鏈輪和小鏈輪均為整體式。
2.3.4 鏈輪的材料
鏈輪輪齒要具備有足夠高的耐磨性和強度。因為小鏈輪輪齒比大鏈輪輪齒嚙合的次數(shù)多，所受的沖擊也大鏈輪大，所以小鏈輪需要采查表用較好的材料制造。由表9-5[2]可知，小鏈輪的材料為15號鋼，大鏈輪的制造材料為20號鋼，采取滲碳、淬火和回火等熱處理，熱處理之后的硬度約為。
2.4 軸的設計
2.4.1 對輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩的計算
取傳動效率，則
（11）
（12）
于是
mm （13）
2.4.5 對作用在軸上的力的計算
在傳動軸上的力為壓軸力和支撐力。參見后文示圖。
(1) 最小軸徑的確定
有公式初步估算最小軸徑。取45鋼制造軸，調(diào)質(zhì)處理。取，得：
（14）
但由于輸出軸的最小直徑安裝在飛輪處軸的直徑和,故取==。
2.4.6 軸的結(jié)構(gòu)設計
現(xiàn)初步設計軸的割斷尺寸位置，如下圖。
圖2.2：軸段圖
根據(jù)各零件的軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度[3]。1）飛輪的軸向定位要求通過軸肩來滿足，所以在軸上需要制造相關(guān)的軸肩，故取。2）軸承的選擇。經(jīng)過軸承的受力分析后，初步選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，大軸承初步選取單列深溝球軸承6008，其尺寸為，=40×68×15,故，而。3）鏈輪的安裝軸段的直徑；鏈輪的軸向通過軸套進行定位。輪轂厚度為，該軸段由于定位要求需要短于輪轂的厚度，所以取。鏈輪的右端利用軸肩進行軸向定位，尺寸為，故取，那么這一段軸的。這一段軸的厚度b≥1.4h，取。
4）軸承蓋的厚度為20mm，為了使得軸承蓋便于裝卸，方便軸承的潤滑，取，而。
周向定位：周向定位均采用鍵連接的方式。按查表6-1得大鏈輪與軸的連接平鍵截面[2]，同理，飛輪與軸的連接，選用平鍵為，飛輪與軸的配合為。由過渡配合來確保深溝球軸承與軸之間的周向定位要求，所以此處選軸的直徑尺寸公差為m6.
2.4.7 按彎扭合成應力校核軸的強度
危險截面為截面C
圖2.3：大連輪軸
校核軸上最大彎矩及扭矩截面強度，軸上所承受的扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取，則：
（15）
軸的材料為經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45號鋼，由表15-1查得[2]。因此，故安全。
圖2.4： 載荷分析圖
2.5 飛輪機構(gòu)
2.5.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算
1） 該機構(gòu)的許用運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)
（16）
2）等效驅(qū)動力矩Med
（17）
3）飛輪所應該具備的轉(zhuǎn)動慣量
（18）
2.5.2 飛輪尺寸的確定
金屬材料盡可能少地獲得飛輪慣性矩輪的最大值，這相當于飛輪在輪輞部分相對于輪輞的絕大多數(shù)重量，輪輻和慣性輪非常小， 足夠小，被忽略。 輪緣上存在的慣性力矩近似等于：
（20）
如果輪輞的寬度為B，則用于飛輪的材料的單位體積重量被設定為，則：
(21)
采用作為飛輪的制造材料，，則H=20mm，B=16mm。
圖2.5：三維結(jié)構(gòu)圖
3. 健身器腰部鍛煉機構(gòu)設計
3.1 座椅的設計
3.1.1 設計思路
座椅設計用于將座椅的后部繞基座轉(zhuǎn)動。 主要部件是座椅板，靠背和可調(diào)高度基座。座板填充足夠泡沫棉和較為舒適的墊子?？勘承枰M行適當調(diào)節(jié)，高度可調(diào)的底座可以適應各類人群。材料選用，鑄造工藝足以滿足一般的要求，并滿足座椅設計的要求。
3.1.2 座椅的尺寸[9]
（1）座高：座椅高度是可調(diào)節(jié)的，適合所有類型的高個子。 座椅的前緣被設計為3?5厘米遠離人體的高度，并且具有450mm的圓弧.
（2）座寬：為魁梧人群座椅寬度設計標準，臀寬為基準尺寸，婦女作為設計基準的上限大小，采取450毫米。
（3）座深：座椅深度是指后緣之間的距離前排座椅，舒適的座椅深應能夠更容易地使靠背可以輕松支持腰椎，一般人只要他的小腿能得到穩(wěn)定的支撐，大腿會一般不太容易引起疲勞。 因此，為了適應各種高度，深度需要按照人群設計標準進行設計，一般取400mm。
（4）靠背高度：人體在最舒適的時間背面應該是狀態(tài)的背部肌肉的自然延伸，此時將形成腰椎前凸的一部分，成人腰位置大致位于上述座面，比高度略高 的支點到腰部支撐，方便支持背部重量本身，取。
（5）靠背寬度：合適的寬度應在肩部作為標準設計的基礎上，考慮整體布局，所述座椅靠背的寬度的設計需要寬的寬度取。
（6）靠背傾斜角度：根據(jù)脊椎的形狀，角度比較適合45度。
3.2 彈簧的設計計算
(1) 反復變形后，彈簧應保持良好的強度，韌性和耐疲勞性，并且還應保證抗沖擊性。
（2）查相關(guān)資料選擇合適的旋繞比C，查表10-2-17可知，旋繞比C=6，由公式（16-4）[5]得曲度系數(shù)K值：
(35)
（3）安裝空間的初始尺寸，彈簧的中間直徑D和彈簧絲的直徑由C值估算，彈簧絲的容許應力由設計手冊進行檢查?？紤]到安裝空間的大小，彈簧直徑的初始尺寸，由此可得
(36)
（4）彈簧工作圈數(shù)由變形兼容性條件進行計算，由表10-2-24可知[5]：
(37)
（5）彈簧的相關(guān)尺寸。
(38)
(39)
=102.5mm (40)
最大拉力，最小拉力，行程，其載荷作用次數(shù)為，由具體工作情況及具體條件選定其材料為油淬火回火碳素彈簧鋼絲B類，它的端部結(jié)構(gòu)為圓鉤型。初定彈簧剛度為：
（41）
因為是載荷，≥，取，但由于是拉伸彈
簧，所以應將表10-2-16[5]中值乘以，則
（42）
彈簧線徑d及彈簧中徑D:查表10-2-16[5]，選取d=3.5mm，D=18mm，Pj=564.41，fj=2.221，。由上述材料的選擇知。將從表10-2-16[5]中查到的Pj=564.41及fj=2.221按照表10-2-15[5]進行修正：
（43）
有效圈數(shù)，現(xiàn)取，則其剛度 ，最小工作載荷下和最大工作載荷下的變形量分別為，，求得極限載荷下的變形量為：
（44）
彈簧的內(nèi)徑D1=D-d=18-3.5=14.5mm，外徑D2=D+d=18+3.5=21.5mm，彈簧的自由長度H0=（n+1）d＋2D=（18+1）×3.5+2×18=102.5mm，最小工作載荷下的長度
（45）
最大工作載荷下的長度：
（46）
極限工作載荷下的長度，螺旋角,節(jié)距t=d=3.5mm，圓柱螺旋拉伸彈簧的展開長度
mm （47）
實際極限變形量：
（48）
最大工作載荷
（49）
極限工作載荷，即451.53＞425
故所選圓柱螺旋拉伸彈簧強度在允許條件范圍內(nèi)。
4. 臂力機構(gòu)及機架設計
4.1 設計材料的選定
材料的選擇是臂機構(gòu)和機架的核心設計，選擇將是實力機構(gòu)和身體的安全，性能和壽命保證。
1）為了符合設計和制造標準，我們參考以下材料：
空心方管，標記分別為：
2）無縫鋼管材料為（屈服強度235MP）
3）板材都為
4.2 底座的設計
底座將是整臺機械性能保障。所以對其的強度和結(jié)構(gòu)有較高的要求。
在底座設計之初，由于在底座左右兩側(cè)安裝立柱，導向裝置及支架和其配重等機構(gòu)，所以優(yōu)先考慮受力情況。為便于拆裝，故將其對稱安裝，這樣也將有利于簡化底座受力。具體結(jié)構(gòu)詳見健身器裝配圖，其主要承受型材自重。
綜上，選取Q235的板材制造底座，。
4.3 支架的設計
4.3.1 支架的作用
支架是這臺健身器械相的重要的部件，主要用于架接滑輪組，實現(xiàn)手部肌肉鍛煉機構(gòu)的相關(guān)動作。
4.3.2 支架力學性能分析
(1)受力分析：
截面A主要受人的拉力，其值為，
截面C主要受配重的拉力，其值為，
取，。
由此，可以計算出、
(50)
(51)
圖4.1：示意圖
（2） 力矩圖：
圖4.2：力矩圖
(3) 強度校核
從圖中可以看出，A截面上的應力是最大的，它是危險的部分，其強度被校核。
(52)
(53)
用于支架的材料是，查表2-6 得，[3]，符合設計要求。
4.3.3 支架的工藝處理
所述托架由冷彎方管焊接，焊接需要變形后進行校準。 同時，毛刺被拋光，表面被噴涂以防止生銹。
滑輪位置在組裝設計中，材料選用冷成型鋼，
底板和支架螺栓連接在一起，以減震和拆卸和組裝方便。
4.4 配重的設計
為降低配重在上升下降中產(chǎn)生的噪音和損壞后的便于維修，所以將配重的上面對稱地加兩條橡膠帶，這樣將可以在配重在下降的時候起到一定的緩沖作用。除此之外配重需要有良好的互換性。
配重也對健身器材的性能有重要影響，因此需要考慮以下幾點：
1）在鍛煉時由于配重的上、下降運動會產(chǎn)生撞擊，需考慮這點。
2）由于導桿選材為不銹鋼材，價格較高且為保護導桿，需改進配重孔。
3）根據(jù)目前市場數(shù)據(jù)，配重一般選擇13塊。
綜合考慮上述幾點，現(xiàn)對配重做出如下改進：
1）在導管中用一定長度的塑料管加熱使其往外翻，以防止導桿被配重磨損。
2）選材為厚冷軋鋼板標號為：,它的強度不成問題，韌性也能保證。
4.5 滑輪的設計
滑輪的作用：滑輪主要作用是承擔鋼絲繩的導向及減少摩擦，由于它的受力相對較小，可以采用鑄造件，在本次設計中主要受不超過壓應力的作用，但所選取的鋼材一般大于此值，故不考慮強度校核。
4.6 鋼絲繩的設計
由《機械設計手冊》查得，
(54)
選擇系數(shù)的公式為：
(55)
式中n：安全系數(shù)，k：折斷系數(shù)，：鋼絲繩的充滿系數(shù)
其中的算法為
初步選擇，6級安全系數(shù)，，則。
根據(jù)手冊c取0.114代入
其中，，故其材料為鋼芯鋼絲繩（）,標號為。
4.7 其他零件的設計
對于其他部件可以通過工廠定制，其設計要求相對較低，如使用緩沖螺栓，座椅連接，鋼絲繩長度按照要求安裝。
4.8 標準件的選定及校核
應特別注意設計中使用的標準件的選擇。 本設計采用以下標準件：軸承，螺栓，螺釘，墊圈等。
4.8.1 螺栓連接的選定及校核
立柱跟底座之間采用螺栓連接，材料選取，，實際取[2] ，則
(56)
其中，30mm，因此立柱取M12螺栓連接是符合要求的 。
4.8.2 軸承的選定及校核[2]
在整個健身器中只有小鏈輪和大鏈輪的輪軸部分選用了軸承。
校核大鏈輪輪軸處的軸承。
查閱設計手冊可得，選用深溝球軸承，型號為
預設可靠度，在徑向載荷作用下工作，工作應力循環(huán)次數(shù)為。
由《機械設計》表13-9知，可靠度為時壽命修正系數(shù)，相應的基本額定壽命為：
(57)
軸承額定動載荷為
(58)
軸承壽命符合要求。
4.9 導管的設計
由于導管的精確度的要求是比較高的，比如：為防止造成運動的卡頓造成健身者的不適，則直線精度不能過低；同時表面不可以噴漆，因為在工作時配重與導管會產(chǎn)生摩擦，表面的漆容易掉落后導致導管產(chǎn)生銹蝕，故采用不銹鋼管制作導管，牌號為，表面需烤漆。
4.10 運動分析
鏈傳動結(jié)構(gòu)存在了轉(zhuǎn)動副，通過小鏈輪帶動轉(zhuǎn)動副運動進而帶動了傳動鏈的運動，而傳動鏈的運動又進一步帶動了大連輪的轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動。當給小鏈輪一個恒定的角速度時，從動輪的角位移與時間之間成正比。
圖4.3：鏈傳動簡圖
圖4.4：鏈傳動角位移時間圖像
5. 環(huán)保分析
目前，世界公眾對環(huán)境保護的要求越來越高，各國也正在制定越來越嚴格的環(huán)境保護法和相關(guān)標準。環(huán)境保護直接約束企業(yè)的經(jīng)營行為，有無良好的環(huán)保性已成為國際市場上產(chǎn)品競爭的重要指標之一。
健身器在運動的過程中，由于各個部件之間的相互碰撞會產(chǎn)生比較大的噪音，比較容易形成噪聲污染，在此，在設計的時候，需要充分考慮，使健身器對于周邊的環(huán)境影響降至最低。這是我們對產(chǎn)品負責，也是對社會的負責。
環(huán)保型工程首先采用能再生利用的材料和資源，在各系統(tǒng)和部件設計中所選用的材料應是可回收，易分解，能再生，且在加工過程中對環(huán)境無害的材料，特別是結(jié)構(gòu)件的設計應盡可可能采用比較容易裝配和分解的大模塊化結(jié)構(gòu)和無毒材料，提高工程機械材料的再生率。盡量采用低環(huán)保負荷材料，在零部件設計中應盡可能不使用含氟利昂，含氯橡膠，樹酯及石棉等有害材料。
工作過程中產(chǎn)生噪聲污染，我們要在健身器安裝時把連接件擰緊，設備試工作一段時間后，應對松動的連接件及時擰緊，而后繼續(xù)開始進行工作，然后再次進行檢測，直到?jīng)]有松動的地方。同時也使零件的使用壽命增加，減少因松動而引起沖擊力使零件失效。在接觸較多的零件處，可以多應用一些隔音或者消音的材料。例如橡膠材料。
6. 設計總結(jié)
本次畢業(yè)設計前期進行了相關(guān)資料的收集，閱讀相關(guān)文獻，并且根據(jù)已掌握的資料對健身器的整體結(jié)構(gòu)方案進行確定，并且依據(jù)人類的鍛煉習慣進行了相關(guān)機構(gòu)的尺寸確定。在進行設計的時候，運用了關(guān)于軸、鏈傳動以及彈簧的設計等理論知識，并且對相關(guān)受力部分進行了受力分析。根據(jù)所設計的結(jié)構(gòu)分析了軸所承受壓力，完成了鏈傳動以及彈簧校核等相關(guān)計算相關(guān)計算，設計了腿部鍛煉機構(gòu)，手部肌肉群鍛煉機構(gòu)，腰腹部肌肉群的鍛煉機構(gòu)，可以有效的對人體各肌肉群進行增強鍛煉，實現(xiàn)本次設計的中心：多功能。同時，在畢業(yè)設計進行的過程中，完成了裝配圖的設計繪制以及相關(guān)零件圖的繪制工作。
經(jīng)過這樣的設計，我為多功能健身這個知識了解得更好的系統(tǒng); 加強機械結(jié)構(gòu)設計; 加強機械設備部件選型及相關(guān)設計計算; 加強機械結(jié)構(gòu)設計理論與方法; 在很大程度上測試他們是否可以在實際應用中學習理論知識四年; 培養(yǎng)自學能力和合作能力。
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致 謝
在本設計完成之際，首先要向我的指導老師馬宗民致以最誠摯的感謝。在論文的寫作過程中，馬老師給了我許許多多的幫助和指導。在馬老師的悉心指導下，我不僅對以前所學的知識更熟練更扎實，而且更加開闊了視野，更深入，也在怎樣處人處事上受益匪淺；同時馬老師對工作的熱情、一絲不茍、實事求是的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，是我以后參加工作學習的榜樣。
在此謹向馬老師表示衷心的感謝和深深的敬意。我要感謝學校給我提供了良好的學習環(huán)境和豐富的學習資源，感謝大學期間所有為我授課的各位老師，是他們的傳道、授業(yè)、解惑，讓我學到了知識，培養(yǎng)了能力。也感謝我的同班同學，感謝他們的幫助和支持。
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