《机械创新设计方法》结课报告设计题目：多功能跑步器
学生姓名：潘峰胡聿珩杨水
学号：
班级：120314
任课教师：xxx
2015 年 9 月 23 日
1. 运用《机械创新设计方法》课程所学的创新思维、创新技法，以及机械系统方案设计、机构设计、结构设计等方面的创新知识，针对某一你所熟悉的产品、设备或零件，提出你在上述某一方面的具体的创新与改进措施。
2. 设计课题在主题框架内可自行确定，课题可以是机构设计，结构设计，外观设计，创新设计等；
3. 每个课题可一人一题，也可两人或三人一题，但需要有较明确的分工；
一．拟定设计任务书（设计原由，设计技术条件，设计内容，设计对象说明）
现在由于快节奏的生活方式和不良的生活习惯，致使大多数人的身体处于亚健康甚至低于亚健康的水平，长此以往必将影响国家的可持续发展，为此普及全民运动的理念显得尤为重要。跑步是国际流行的有氧健身运动，被医学界和体育界给予高度评价，对于提高使用者的心肺功能、肌体耐力以及脂肪消耗都具有非常好的效果。此课题的目的就在于运用巧妙而简单的设计，来实现健身的多样性和便捷性，降低大众健身运动的门槛，实现足不出户便可健身，使全民都能参与其中，并感受到其中的乐趣。此新型便携式跑步机便是响应这一理念而生。
二．功能原理与工作原理分析
功能原理：利用与脚接触的运动部分的往复运动模拟出跑步的效果。
工作原理：通过一定的控制方式，使机构在不同的条件下完成特定的运动方式，最终形成循环往复的运动，以实现对跑步过程的模拟。
三．国内外同类产品现状
电动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、跑步皮带及仪表控制盘组成，其特征在于框架与支架垂直连接，前轴与后轴分别装在框架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步皮带张紧绕装在前后滚筒上，跑步皮带下装有支撑跑步板，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端，电动机、可调电源,安装在框架的前端，控制传感器装在电动机上，速度传感器安装在紧靠在从动皮带轮的框架上，皮带调节螺栓一端连接在电动机外壳的孔板上，另一端连接在焊接于框架前端的孔板上，跑步机扶手架安装于支架的顶端，仪表控制盘安装于扶手架上。传动方式采用带传动机构，传动级为一级。
四．机构方案评价
评价指标具体项目机构方案评价
1 2 3
A
运动性能1.运动规律、轨迹
2.运转速度、运转程
度
直线往复型
运转程度好
直线往复型
运转程度好
循环往复型
运转程度一般
B
工作性能1.效率高低
2.使用范围
效率高、适用于
直线传动
效率高、适用于
直线传动
效率一般、适用
于往复传动
C 动力性能
1. 承载能力
2. 传力特性
3. 振动噪声 传力平稳，正常
润滑下无噪声
传力平稳，正常润滑下无噪声
承载能力强，传力不平稳有脉冲，有较小噪声
D 经济性 1. 加工难易 2. 维护方便性 3. 能耗大小 短齿条加工简单，维护方便，能耗较大
长齿条加工较复杂，维护方便，能耗小
加工简单，维护较麻烦，能耗较大
E 结构紧凑
1. 尺寸
2. 重量
3. 结构复杂性
尺寸小，较重，结构比较复杂，不便安放电机等
尺寸小，较轻便
携，结构简单，便于安放其他零件
尺寸小，较重，
结构简单，便于安放其他零件
五．三种方案的机构（结构）构型（要求绘制机构运动简图或示意图；）
结构 1 利用短齿条和多齿轮啮合的方式传动（图中为与上齿条啮合情况），且保证段齿条长度至少大于两齿轮中心距，以保证传动的连续性，使用短齿条可是生产成本降低，易于批量生产。
结构 2 利用长齿条与单齿轮啮合的方式传动（图中为与上齿条啮合情况），齿条可运动超出主体箱，运动行程由踏板控制。运动过程中齿条始终与齿轮啮合，且齿条的有效啮合长度较其运
动范围较短，以免出现超程后卡死的情况。
结构3 选用链轮的传动方式，利用链轮循环往复的特点，踏板被下压后由链条带动运动，踏板升起后由弹簧将其拉回原位，其特点是回程速度快，但是不具规律性。
六．确定最佳方案并阐述所选方案功能及工作原理
由上边可知，结构2为最优结构方式，不仅便于生产制造，还便于携带与收藏。且能耗相对较小，利用率高。同时紧凑的结构也便于电机与线板等的布置与连接。现对结构分析如下：此模型包括“固定部分”、“运动部分”和“控制部分”此三大部分组成。
固定部分由主体、齿轮、电机（在建模中为了提高效率，电机及辅助件部分并未进行展开设计，而只是对主体结构进行探索）等组成，固定于地面之上，以此来为系统提供稳恒的动力输出；运动部分为踏板盒，相对固定于主体之上，可实现前后方的直线运动，构成了往复运动的基础；控制部分是指由弹簧连接的伸展与压缩，来实现双排齿条与齿轮的啮合条件的变换，进而完成对往复运动的调控，达到了简易条件下人工智能的效果。
工作原理：先将人的跑步过程抽象，得到如下的两点假设。
假设 1 人在跑步过程中时刻一只脚撑地（前脚刚落地且后脚即将离地的时刻相对较短，在此往复循环运分析中可忽略）。
假设 2 弹簧被压缩过程十分短暂，不会对速度造成明显的波动，或产生的波动远小于人的感知。
现对跑步机运行过程进行分析如下，在奔跑中的某一刻左脚刚落下且右脚刚提起，此时左边弹簧被压缩，齿轮与下齿条脱离且迅速与上齿条啮合，齿条的运动方向与之前相反，开始随左脚向后运动；当右脚提起时，弹簧被释放，使齿轮与上齿条脱离而与下齿条进行啮合，同理右脚的运动部分方向将反向。由此实现了所要求的回复运动。
由上述分析可知，仅用弹簧的伸缩性便完成了对运动的控制。从某种意义上来说，用弹簧实现了PLC的功能，体现了现代创新设计简单、便捷、高效的发展理念。
七．结构设计（另附图纸）(包括所承担工作所起的作用； 3D建模的零件名称，数量，将相应的图剪贴在实验报告中；完成工作所遇到的问题及解决方法) 此设计作品系本人独立完成。建模零件包括，主体箱、踏板垫、踏板芯、上齿条、下齿条、齿轮及弹簧。
对于循环往复运动模型的建立是此机构的关键点，再利用双齿条变换啮合后，此问题被迎刃而解。此外，在仿真中，弹簧的画法也是难点，在搜寻资料后，此问题也一并解决。
所建模零件图如下：
