机械系统设计跑步机改进方案

一、设计背景随着经济的发展和人们对健康的要求越来越高，自行车必将成为人们近距离的第一交通工具。时下，自行车的设计只考虑到了少数人的因素，自行车的设计急需更加人性化。同时，技术水平越来越成熟，自行车的设计更加强调人的舒适、安全、以及人的身心健康，也就是人因工程学。这样一来，对自行车的设计就更加合理，更好的实现人机配合。设计理念我们在对自行车的设计过程中，强调人的效能、安全、舒适和身心健康，在设计高效的同时，充分考虑人的因素，反映人的需要，把人与机密切结合起来。依据人体的生理特征来设计，根据实际情况（环境，个人情况）来重点设计，最后，随着科技进步逐步改进，使产品功能更完善，使人的更多的要求得以满足。改善方案（一）、车座设计1、分析：1）从人体解剖学分析人体形态。根据人体组织的解剖特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，身体的主要重量均由骨盆下的两块面积约为25cm2的坐骨结节承受。（注：应考虑到男女性别差异带来的设计差异）2）人体处于坐姿时，坐骨结节离臀部后缘约10～12cm3）有关的研究还表明，人在骑车时身体适当后倾，人体的迎风面积减小，更有利于发力和加速4）根据人体坐姿的生物力学分析得知，人体上身越前倾，脊柱的弯曲程度越大，背部肌肉受力越大。当人骑车时，几乎完全伏在车把上，背部与水平面几乎平行，腰部椎间盘压力分布不当，腰椎变形。2、设计不合理的危害：1）使坐骨结节处在车座外缘或紧挨外缘的位置，身体的压力使得坐骨结节被迫分离的趋势过大，由此导致臀部的疼痛感。2）人坐在车座上时，坐骨生殖区靠在平坦的座面上，车座会压迫到坐骨生殖区的组织和脂肪以及坐骨生殖区的血管和神经，造成人体会阴区的疼痛和麻木。3)会阴区深层中含有泌尿组织、血管及生殖动脉和传导神经，这样也会造成生殖区域的麻木和缺血，严重的会导致生殖系统障碍。3、改善方案：1）车座宽度的适宜范围：男式单车为24～26cm，女式单车为26～29cm较合适。根据《人体测量学》中成年男子坐姿臀宽355mm（90%），成年女子382mm（90%），应以女子的臀宽为设计标准，以满足座位的要求。（注：女性骨盆的坐骨结节间距约为23cm，男性骨盆坐骨结节间距为20cm）2）车座后端的长度范围定为10～12cm，车座总长不同于一般工作椅的座深，车座的总长只需给骑车者以有限的支承稳定性即可，因为车座过长势必影响大腿前后摆动的灵活性。根据有关数据，50%的人体大腿厚约为13cm，故车座长度范围为22～24cm(余量约取5.5cm)。3）设计靠背角90°，后倾角在15°以内，相当于前倾座面与靠背夹角在105°以内，属坐姿的舒适范围。4）长时间骑车，臀部不舒服的另外一个原因就是座垫软硬不合适所致。车座加上座垫，人坐于其上，臀部压力值大为降低，接触支承面增大，使压力分散。但是座垫不可过软，过软不仅增加了身体的不稳定性，而且容易使人产生疲劳；过硬又会导致臀部痛楚或麻木。座垫的软硬应以股骨头刚好与座垫相接近，几近接触而无压力为宜。坐垫材料必须透气，且不易打滑，座垫应缝制或钉在车座上，使其对起坐时的动载有良好的弹性响应。（二）、靠背设计1、靠背的高度：靠背由肩靠和腰靠两部分构成，腰靠的凸出部分压入腰凹内，以保证腰部得到充分支持，其水平截面为曲率不大的圆弧形，以适合于腰圆。为了使背部下方骶骨和臀部有适当的后凸空间，座面上方与靠背下部之间留一开口部分，其高度至少为12.5cm。2、靠背的宽度：宽度由腰围决定，靠背宽度为腰围的1/3。靠背面带一点向内凹的圆弧，和背的形状相似，可以使背部和腰部受力均匀，较少疲劳，增强舒适性。3、靠背的角度：靠背设计为90°，该倾角的作用与座面倾角的作用相同。并设计成可调式靠背，可以满足因人的差异而带来的不同。4、靠背的材料：靠背不易过重，应选用强度较好，质量较轻的材料(如ABS塑料)，并具有适当的弹性，以增加舒适感。、车把手设计1、把手的高度：自行车的车把如果偏低，骑车者必须弯下腰，时间久了，就会感到腰酸背疼，胳膊疲劳。车把的高度应保证骑车者在骑车时处于自然坐姿或接近自然坐姿，并使颈关节、胸关节、腰关节、髋关节、肩关节和肘关节处于舒适的调节范围内。（把手高于车座，保证正常坐姿，对于运动员，应尽量减少阻力）2、把手的宽度：经实践测量，当车把的宽度接近于骑车者的最大肩宽时，人能够自然舒适地握住车把，并能保持长时间不易疲劳。据有关的统计数据，中等身材的人最大肩宽，男为43.1cm，女为39.7cm，因此，车把的宽度可定为39.7～43.1cm。适合男女满足大多数人的需要。3、把手的形状：1）手部肌肉特点：掌心部位肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的区域。而指球肌、和大、小鱼际是肌肉丰富的部位，是手部的天然减振器。2）优化方案：设计手把形状时，应避免将手把丝毫不差地贴合于手的握持空间，更不能紧贴手掌心。把手的设计应使操作者掌心处略有空隙，以减少压力和摩擦力的作用。手部肌肉分布图3）设计尺寸：比较合适的直径为3～4cm，车把的直径定为大端4cm左右，小端3cm左右。把手的长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般为7.1～9.7cm，因此把手的长度可定为12cm左右。4、把手的弯度：传统的自行车把手为水平，这不符合人因工程学原理，因为这样将会使手腕处于背屈状态，腕部酸痛，握力减小，长时间操作还会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。测试表明，把手与水平位置成10°左右效果最好，可以降低疲劳，并且容易操作，还使腕关节处于放松状态。5、手闸的设计：车闸的设计精度较高，而人手的抓握直径在13cm左右，所以，车闸直径可定为13cm左右，长度约等于把手长度。车闸与把手的交角为40°。至于把手与车闸的表面设计，应保证能准确抓握，不产生滑动，所以它们的表面不能太光滑，要适当的粗糙。6、手把的材料：改进手柄的设计，使用弹性更好的材料，使其握起来更舒适。四、改善前后比较1、老式自行车：不轻便，车座与车把一样高，轮子太大，不灵活。2.部分改善的自行车五、结果分析本次对自行车的改善运用了人因工程的知识，对自行车的设计加入了人因的理念，能更加符合人类的需要，满足舒适、环保、健康、安全的基本准则，设计过程中，有严格的查数据，以及人体有关的生理参数，充分保证了人多生理、心理特征以及能力限度得到充分运用。因此此改善结果是具有一定可行性的。一．背景概述近几年来，我国健身器材市场一直呈逐年上升趋势，随着全国健身计划的实施，人民生活水平的提高和消费观念的转变等等，对健身器材、特别是家用健身器材、特别是家用健身器材的销售也都有了极大的促进作用，身器材的市场必然会越来越广阔。“一二一”工程倡导社区提供一处以上体育健身活动场所，倡导每个家庭拥有一件以上体育健身器材，这就为健身器材市场绘制了宏伟的蓝图：若以每户平均有5口人计算，而每个家庭只以拥有一台器材来计算，则单就这一项，全国就需要2亿4千万件！这简直可谓天下第一市场。健身车是家庭健身器材中的领先产品，早年曾出现了供不应求的局面。预计未来几年内健身车仍将是受欢迎的健身器材。健身车在运动科学领域叫做“功率自行车”，分为直立式、背靠式（也称为卧式）健身车两种，可以调整运动时的强度（功率），起到健身的效果，所以人们把它称为健身车。属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材亦被称为心肺训练器材。主要是通过身体较长时间，适当强度的运动来促进心血管的运动，加快新陈代谢，增强心脏和肺部功能，从而改善人体的体质。二．健身车的现状和发展趋势从健身车的阻力调节方式看，目前市场的健身车有普及型的磁控健身车（根据飞轮的构造不同还分为内磁控和外磁控），较高阶的电磁控健身车。1、磁控健身车磁控健身车是指产生阻力的金属飞轮外围（或内围）有磁铁挨近，通过人力旋钮拉线方式，调节磁铁与金属飞轮的远近调节阻力大小来实现不同运动强度的要求，目前此类健身车是入门家庭用健身车的主力军。2、电磁控健身车原理与磁控健身车类似，只是原先人力旋钮调节更换为拉线马达控制磁铁与飞轮调节段数可以更细微，而且设定的程序允许在运动过程中自动变换阻力大小，形成模拟类似爬山、山地、间歇等自然环境的程序。以适合较高阶使用者。目前此类健身车是高阶家用和小型健身会所常用设备。三．健身车功能分析健身车具有普通自行车所不可比拟的优点——可自由发挥自己的骑行速度、掌控骑行时间。通过健身车上配置的电子表，你可以随时观察自己每时每刻的速度、时间、心率值等。利用它进行锻炼，不仅能有效提高心肺功能，还有助于减肥、增强腿部肌肉力度和全面提高身体素质。目前，先进的健身车已达到电脑化程度。车前屏幕除显示出各种数据，如训练者的心率、呼吸频率、时间、速度、耗能外，还能计算出训练者的最佳训练时间、速度及耗费能量，让你既不用担心自己因运动量不足而致使减肥失败，也不必担心因运动量过大而造成身体不适。有的健身车上所装置的彩色荧屏还能显示出不同的风景画面，让你在锻炼时如同置身于田野外，顿觉心旷神怡。功能结构图四．现有健身车的主要结构及工作原理健身车主要组成部分：主架、皮带轮、电源、磁控装置、皮带、电子表、护罩、扶手等。1.整机外观健身车外观简洁柔和,内部结构采用钢管焊接而成,刚体车架稳固结实,外部罩壳采用各种塑料工艺,色彩多样化,更能有效的防止汗水进入内部。2.仪表（电子表）显示.A、转度(RPM)：一分钟传动圆轮盘所转动的圈数。B、时间：单位为分和秒，最高可显示99分钟。对于一般家用来说1个小时左右的有氧运动已足够。在一些运动模式下也可以显示的是倒计时。C、距离：国内产品基本上是以公里为计量单位。D、心率：使用者的每分钟的心跳次数，单位为次/分。E、卡路里：使用者运动时所消耗的热量。1克脂肪燃烧可以释放9卡路里的热量。F、程序：可以显示当前的程序状况。G、体脂测试：测试使用者的体内脂肪含量。按“体脂测量”键，并根据提示，依次输入年龄，身高，体重，性别，按开始键，双手握在心率感应器上（测试使用者的身体导电率），即可测量。3.扶手健身车的扶手区分在于是立式健身车还是靠背式健身车,立式健身车的扶手在仪表盘的两边,而靠背式的健身车则在坐垫位置的两边。4.车箱体车箱体的大小决定了运动的轨迹距离和内部平衡飞轮的大小。5.阻力调节旋纽阻力调节旋纽只是在物理调节阻力大小的机器上有。构造原理和自行车上的变速器一样，它通过拉动钢丝绳调节另一端磁阻铁离平衡飞轮的距离，以次来调节阻力的大小。阻力调节旋纽暂时分两种，一种是有档位的调节，阻力从1-16左右。一种没有固定的档位，可以进行细微的调节。6.平衡飞轮平衡飞轮最主要的功能是让机器的运转更顺畅，产品的顺畅程度和飞轮的大小，重量有关。椭圆机的平衡飞轮具有以下特点：飞轮的材质多以熟铁，其大小，重量决定了在运转时的惯性，越大越重其惯性越强，但太大了会造成车体内部空间加大，而影响使用效果。一般平衡飞轮重量在5-8kg左右，太小惯性不足，使用时会有明显的停顿感。飞轮表面会有凹槽，这样和传送皮带接触面积更大，不易打滑，一般分5槽和7槽。7.磁阻铁磁阻铁是控制椭圆机阻力大小的设备，安装在平衡飞轮的正前方，靠钢丝绳或电机驱动调节其和平衡飞轮的距离，由于磁力大小的不同，达到调节阻力的效果。8.水平调节垫健身车的水平调节垫有两种：①水平垫脚:通过旋转垫脚螺丝调节高度。②水平套筒:套筒的侧面高度不一,通过旋转套筒以达到调节水平的目的。9.脚踏脚踏材料为工程塑料一体压制成型.做工精细的会在脚踏下部配有平衡块,使脚踏一直处在水平的位置上,方便操作。10.移动轮健身车的移动轮基本上都设置在前端,也多为两种方式。①滚轮式:前端做活动的滑轮.②滚筒式:前端做可以活动的套筒11.坐垫,靠背所有健身车的坐垫靠背都是人造革包裹泡沫海棉缝合而成.好坏主要取决于海绵的密度和缝合做工.12.曲柄健身车的曲柄就是连接脚踏位置的杠杆，有考虑到成本左右两边的曲柄做成一体的,也有但独分开安装。13.导轨只有靠背式健身车才有,由于铝合金的抗氧化性要高,所以多为铝合金材料.考虑到很多老年人的使用方便,车身采用了无障碍设计。5五．系统分析（一）支撑系统分析支撑系统主要有健身车底部两条条状支架、座椅和把手组成。相