毕业论文---自发电跑步机的研制

　　目 录

　　摘要：3

　　1引言3

　　1.1自发电跑步机的简介3

　　1.2关于Pro/E的简介4

　　2自发电发电跑步机简介4

　　2.1自发电跑步机的总体介绍4

　　2.2跑步机部分的介绍5

　　2.2跑步机发电部分的介绍5

　　3自发电系统的设计5

　　3.2减速装置的设计7

　　3.3自发电跑步机发电机部分的设计12

　　3.4逆变器的设计及应用14

　　4展望与总结15

　　参考文献16

　　谢辞18

　　自发电跑步机的研制

　　摘要：跑步机是家庭及健身房常备的健身器材，锻炼时不受天气影响，更安全，深受广大健身爱好者的欢迎。而当今社会的口号是环保，低碳。所以自发电跑步机应运而生。它避免了普通跑步机受地方空间及电源的限制。而当前我国能源的紧缺，也加快了自发电跑步机的发展。自发电跑步机不仅使人锻炼了身体，还是人的消耗的体能转化为电能，因此自发电跑步机具有“健身强身，储能节能，绿色环保”等多重功能。随着健身家庭和全民健身的普及，具有巨大的市场前景及社会效益。

　　关键词：自发电；跑步机；节能环保；

　　1引言

　　当今社会随着经济和科技的不断发展，人们的生活水平得到了很大提高。因此人们对身体健康的重视程度也在不断的加强，而在体育锻炼方面的消费相应的也在飞速的提高。近年来在我国，作为健身活动中主要使用的器材——跑步机的产量每年都以超过 25%的速度在增长。

　　但随着社会的发展，我国对能源的需求也在不断的增加，用电需求量每年也是在大幅度的攀升。而用于发电的自然资源绝大部分是不可再生的，人类在发展经济的同时，对自然资源的肆意开发和对环境的无偿利用，已经造成了生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。我国传统能源资源十分有限，世界能源供应市场危机不断，因而不允许我国长期的高能消费。

　　1.1自发电跑步机的简介

　　电动跑步机，又叫电动跑步台，是多年来流行大众健身器材，通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地走或者跑。由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，锻炼者可体验不同的跑步环境，如平地跑、变速跑等，个人可以根据自己的锻炼目的进行锻炼。跑步机在健身者运动时能显示出跑步时的速度、时间、节拍、距离等指标，使健身者能够随时根据自身的身体状况调节训练力度。自发电跑步机是在电动跑步机的基础上加上发电机，蓄电池，充电器等。使人们在锻炼身体的同时能节约电能。在健身器材上安装自发电装置后，让人们在健身活动中不仅锻炼了身体又将消耗的体能转换并储存为电能，再次加以利用。它不耗煤、石油、天然气等传统能源，充分挖掘利用源自人们健身运动时产生的由人体肌能转化来的可再生的自然人力资源，具有“强身健身、节能储能、环保绿色”等多重功能。随着健身家庭和全民健身大众化普及，具有巨大的市场前景、经济效益等。

　　1.2关于Pro/E的简介

　　Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAM/CAE一体三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图、零件制作、装配、钣金、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。　Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。本文自发电跑步机的自发电部分运用了行星齿轮结构实现变速，选用proe绘图软件对该行星论结构做了pro/E模型设计。

　　2自发电发电跑步机简介

　　2.1自发电跑步机的总体介绍

　　自发电跑步机主要由机架、电机、电源、皮带、自发电装置及仪表控制盘组成。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，前后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，皮带张紧绕装在前后滚筒上，皮带下装有支撑跑步板，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端；电机、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，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。传动方式采用带传动，传动级别为一级。发电装置与跑步机的前轴相连，通过一行星齿轮连接机构实现变速后，连接发电机，实现发电功能，然后通过充电器，把电能储存到蓄电池，通过逆变器的转化实现电能的再次利用。

　　2.2跑步机部分的介绍

　　跑步机的用于跑步的部分与传统意义的跑步机结构相似，它包括起支撑作用的支架，跑步机展开时支撑踏板的前端和扶手部分；此外，还有维持整个跑步机稳定的机架，它主要维持支架滚筒及前罩的平衡；还有保证旋转机构与执行机构隔离的前罩，前罩运用ABS塑料，不仅美观大方，而且很有质感能起到有效的防护作用；还有跑步板，该板由基板及覆盖在基板上或上下两个表面的导电耐磨层构成。而该跑步机的跑步带为具有高传导性的双层粘合跑带，防滑，运动时安全可靠。

　　2.2跑步机发电部分的介绍

　　该跑步机自发电系统是跑步机的前轴通过可移式联轴器与行星齿轮结构相连，前期由电源带动，等到正常运转后，关闭电源使跑步机通过发电机所发的电通过充电器传到蓄电池，再通过逆变器把电能输出，供跑步机其他部分的用电。发电机与跑步机的前轴用联轴器进行连接实现机械能到电能的转换。然后再由发电机与跑步机的用电机构相连，实现电能到其他形式的能量的转换。自发电跑步机的基本工作原理是跑步机先由电动机带动，等到正常运转后，启动自发电装置。由于惯性的作用，只要人在跑步机上跑步，就会带动发电机进行发电，然后通过充电器的整流，然后对蓄电池充电，使电能转化为电池的化学能，然后用有保护电路的逆变器，把电池里的化学能转化为交流220v市电，保证正常使用。

　　3自发电系统的设计

　　首先按照最市场上主要的跑步机的技术规格计算了自发电机构减速部分的参数，然后主要以输出轴径为二十毫米的跑步机为例完成了跑步机自发电装置中传动机构各部件的设计。其中主要包括了新型可移式联轴器的设计和行星齿轮减速传动机构的设计。并利用啮合功率法计算行星齿轮传动机构的传动效率。

　　表1跑步机的一些技术参数

　　图1自发电跑步机的基本工作原理

　　3．1可移式联轴器的设计

　　为了使跑步机前轴和发电机的主轴能紧密连接而不出现滑动或相对移动，使用新型联轴器。该新型联轴器由三个零件组成，两端的两个零件留有轴孔和键槽，用于插入输入输出轴；中间的零件用于两端零件的连接。而在装配时两个卡口处采用间隙配合，这样就可以使该联轴器具有一定的补偿两轴间的相对位移的功能。这种联轴器结构简单，制造加工简单，可以少量的补偿两轴相对位移，由于该联轴器并没有任何紧固件，所以使发电装置的拆卸变得十分简便，易于实现发电装置的简便，可拆卸性。

　　图2新式联轴器

　　3.2减速装置的设计

　　当跑步机的前轴与联轴器相连接后联轴器的另一端与变速器相连，跑步机轴的转速是固定的，发电机需要一定的转速才能正常工作故需要一减速机构实现变速达到发电机的正常工作转速。根据工作要求跑步机的额定转速是1920r/min，而发电机需要的额定转速是400r/min，所以必须通过一个减速装置来降低跑步机的转速。由于3Z和Z-X-V类型的行星齿轮传动方式一般应用于传动功率比较大的地方，所能传动功率值可达120kW，相应的结构也就比较复杂，零件尺寸大，且当传动比较大时，容易产生自锁。当中心轮a为输入件，转臂x为输出件时，该行星齿轮传动机构为Aabx，传动比为iabx，此时行星齿轮传动机构用于减速。根据各种行星齿轮连接方式，和根据发电机发电装置的工作特点，故选择2Z-X型行星齿轮传动方式来实现减速功能。

　　图3 2Z-X型行星轮传动

　　3.2.1行星齿轮传动的选则

　　根据工作特点行星齿轮传动类型选择恰当、结构布置合理时，它的传动效率值很高，可达到百分之九十九或者更高，但如果使用了不合适的传动类型，效率会变的非常低，可能会在百分之五十以下。所以为了得到比较高的传动效率，选择合适的传动类型非常重要。行星齿轮传动的类型很多，渐开线少齿差行星传动适用于中小型传动，摆线针轮传动齿数多传动平稳，效率一般在百分之九十。

　　在2Z-X类型的行星传动机构中，其各轮齿数与传动比 iabx的关系式为：

　　iabx=1-iaxb=1+za/zb=1+p (1)

　　在 2Z-X类型的行星传动机构中，其各轮齿数与传动比 iabx的关系式为p 为行星齿轮传动的参数，与给定的传动比 iabx有关。p 值必须合理选取。p 值太大或太小都是不合理。如果 p 值太大，可能使得在 zb值很大；或使得 za值很小。通常，内齿轮b尺寸是受到整个行星传动机构总体尺寸限制。为了不过分地增大外形尺寸，故 zb值不能很大。而中心轮 a 的尺寸应考虑到齿 za受到最少齿数 zmin的限制，及齿轮 za转轴的直径不能过小，故 za值不能特别小。对2Z~X类型的行星齿轮机构讲，一般选取 p=3-8。根据前文计算出 Iabx=4.8，可计算得此处 p=3.8，故符合要求。根据式可知zb=pza，所以当选定最小齿数 za时，便容易求得内齿轮 b的齿数zb值。为了更大缩小2Z-X型行星传动径向尺寸，在满足给定的传动比 iab的情况下，中心轮a 和行星轮c 的尺寸应尽可能小。故za应选用最少齿数，但在实际情况下，齿数太小导致尺寸小，导致给齿轮装配轴和轴承不容易。一般情况，齿轮 a 的最少齿数范围为 14~18。故取 za=15，据表1得iabx=4.8，可得zb=57。同时渐开线圆柱齿

　　3.2.2行星齿轮的几何尺寸计算

　　行星齿轮传动机构中共有三个齿轮：中心轮 a；行星轮 c；齿圈 b。齿圈 b是固定的。共有两对啮合齿轮副，分别为 a~c，b~c。现将齿轮 a，b，c 的几何尺寸计算结果见表2计算公式见参考文献[9]。

　　表2齿轮a齿轮b齿轮c的几何尺寸表

　　图4行星齿轮的设计

　　3.2.3 齿轮副的强度验算

　　行星齿轮变速机构中共有三对啮合齿轮副：a~c；b~c，a~c。它们的强度可

　　按以下公式进行。齿轮的齿根弯曲应力的强度条件公式是:σf ≤σfp

　　齿轮的齿根应力σF可按公式：σF=σf0KAKvKFβKfαKfP （2）

　　齿根应力的基本值 σFo可按下列公式计算：

　　σFo=FtYfaYsaYεYb/bm （3）

　　Ft=2000t/npdb （4）

　　许用齿根应力 σFp可按下列公式计算：

　　σFp=σflimYstYntYδreLYRrelTYx/Sfmin （5）

　　其余参见参考文献[5]。

　　表3公式中各符号代表的意义

　　np=3。其余参数均可查表[10]得出，计算结果见表3，皆满足齿轮的齿根弯曲应力的强度条件公式；

　　表2齿轮的齿根应力和许用应力

　　3.2.4轴的设计

　　轴的毛坯一般用圆钢或锻件。轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。

　　1．轴便于加工，轴零件要易装拆；

　　2．轴和轴上零件要有准确工作位置；

　　3．各零件要牢固而可靠固定；

　　4．改善受力，减小应力集中和改善疲劳强度。

　　轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要求是：强度高、刚度好、应力集中的敏感度小，加工性能好，有的轴表面要求也较高。轴的材料主要采用中碳钢或4合金钢20Cr等。最常用的是45号钢，它具有较高的综合机械性能。此设计采用45号钢。

　　图5轴的设计

　　齿轮，轴，联轴器，键设计完成后应当可以装配，实现各部件的连接，建立实体模型给人更形象更直观的视觉效果。

　　图6行星轮内部装配

　　图7行星轮总体装配结构

　　3.3自发电跑步机发电机部分的设计

　　可移式联轴器连接及行星轮系的减速以后，该转速已经达到发电机的发电转速，故以下设计发电机的部分。

　　图8发电机的外壳和定子

　　发电机的工作原理如下：发电机通常由定子、转子、端盖、电刷、机座及轴承等部件构成。定子由机座、定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。

　　图9发电机的转子

　　转子由转子铁芯、转子磁极、滑环、风扇及转轴等部件组成。通过轴承、机座及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。本文中是跑步机在正常工作运转后，启动自发电系统。跑步机的前轴通过联轴器与发电机的转轴相连接，从而带动转子磁极，绕线包绕组转动，切割磁感线，达到发电的目的。发电后，通过导线，充电器，蓄电池，逆变器，最终形成回路，产生电流。

　　下图为变速机构行星轮通过连轴器与发电机主轴相连接。

　　图10行星齿轮发电机轴的连接

　　3.4逆变器的设计及应用

　　当通过发电机产生电能后，通过充电器将电能输送到蓄电池里，而蓄电池里的电是直流电，而逆变器是把直流电能转变成交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于各种家电。逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是发电设备中一个重要部件。

　　图11逆变器的原理图和工作原理

　　4展望与总结

　　自发电跑步机是在普通电动跑步机的基础上的一次技术性变革。它在普通电动跑步机的基础上加上发电机，蓄电池，充电器等。使人们在锻炼身体的同时，能节约电能，而且响应了国家关于低碳，环保，绿色等理念。而且在跑步机上加上发电装置后，让人们在日常生活中不仅锻炼了身体，同时将身体消耗的能量通过发电设备转化为储存在蓄电池里的化学能，再通过导线形成闭合回路，释放电能，可以再次加以利用。

　　该自发电跑步机虽然在技术上比较新，但毕竟新事物有其两面性。与传统跑步机相比，制作成本肯定要高。很多家庭在考虑到性价比的基础上，可能不会选择该跑步机。而且自发电跑步机在普通跑步机的基础上加了发电机，用户们可能会担心有没有可能漏电的问题。

　　参考文献

　　[1]孙桓，陈作模。机械原理[M].北京：高等教育出版社，2001.6

　　[2]曹惟庆，徐曾荫.机构设计[M].北京：机械工业出版社，1993.10

　　[3]钱寿铨，白喜林.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，1993.5

　　[4]饶振纲.行星齿轮传动设计[M].北京：化学工业出版社，2003.9

　　[5]朱景梓，张展，秦立高.渐开线外啮合圆柱齿轮传动[M].北京：国防工业出版社，1990.12

　　[6]张宾.行星传动效率计算公式的研究[J].机械传动，1998，2

　　[7]胡茂弘.行星齿轮变速器的功率流与效率[J].机械传动，1998，2：13—1

　　[8]杨可桢，程光蕴.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，1997.

　　[9]王力中，王光大，王自新，等.机械工程手册第六卷[M].北京：机械工业出版社，1982.9

　　[10]机械设计手册编委会.机械设计手册齿轮传动[M].北京：机械工业出版社，2007.5

　　[11]刘白，汪大鹏.齿轮传动效率的实验研究[J].机械工程学报，2001.1

　　Development of spontaneous electric treadmill

　　Liu Chunlei

　　(Dezhou University Department of electrical and mechanical engineering 253023)

　　Abstract: The treadmill is very popular whether in gym or at home. Exercise is not affected by the weather and much more safe with it. And a lot of people like it. Nowadays the slogan is green city, low carbon .So the spontaneous electric treadmill emerge is coming. It avoids the common treadmill by local space and power restriction. China’s energy shortage , and it accelerates the spontaneous electric treadmill development. The spontaneous electric treadmill not only helps people exercise the b

　　Key word: electric treadmill, energy saving, environmental protection

　　谢辞

　　本论文在选题、构思和完成过程中，蒙导师姚俊红副教授的悉心指导。一年多来，导师渊博的学识、严谨的治学态度、富有远见和启发性的建议、一丝不苟的工作作风都将使我受益终生。值此论文成文之际，在此致以深深的祝福和衷心的谢意。

　　在整个课题的研究开发过程中，自始至终得到了指导老师的悉心指导和热情帮助，她渊博的知识和宝贵的意见以及忘我的工作精神将激励我在以后的工作中锐意进取、不断前进。在课题的研究过程中还得到了同学们的热情帮助。在两年多的研究生学习和生活中，和他们沟通交流使我获得了不少启发。最后我还要感谢我的家人和朋友，他们在我生活和学习上给予了充分的关怀、支持与鼓励。

　　谨向在百忙之中抽出时间审阅论文和参加答辩的各位老师表示衷心的谢意。

　　德州学院毕业设计评语

　　院　（系） 机电工程系 专　业 机械设计制造及其自动化

　　学生姓名 刘春雷 学　号 200811705011

　　题 目 自发电跑步机的研究

　　指导教师评语：

　　评定成绩：

　　指导教师签名：

　　年 月 日

　　德州学院毕业设计评语

　　院　（系） 机电工程系 专　业 械设计制造及其自动化

　　学生姓名 刘春雷 学　号 200811705011

　　题 目 自发电跑步机的研究

　　评阅人评语：

　　评定成绩：

　　评阅人签名：

　　年 月 日

　　德州学院毕业设计评语

　　院　（系） 机电工程系 专　业 机械设计制造及其自动化

　　学生姓名 刘春雷 学　号 200811705011

　　题 目 自发电跑步机的研究

　　答辩小组评语：

　　评定成绩：

　　答辩小组组长签名：

　　年 月 日