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1、家用健身器材的結構設計與關鍵零件設計--收腹運動機,,,2013年5月27日,目錄,1,,2,,3,,4,,家用健身器材的簡介 http://dxb.qnw.cc/,,收腹運動機的結構設計 ,家用收腹運動機的傳動機構參數設計,家用收腹運動機關鍵零件設計與造型,1.家用健身器材的簡介,。 從人類誕生之日起，運動就一直伴隨著其成長歷程。早期人們的運動方式主要是在戶外進行的，跑步、劃船、游泳，到后來的自行車、籃球、足球、登山、滑雪等等，這些運動可以統歸于戶外運動。但是戶外運動會受到時間、空間、氣候、設備等等限制，人們并不能隨心所欲的進行特定的運動。這一客觀條件限制激發(fā)了人類征服自然的渴望，人們希望

2、打破客觀條件的限制，可以隨心所欲的進行運動。隨著物質文明的不斷發(fā)展，有一批腦力勞動者開始進行這方面的探索，研究人類如何將在室外的運動方式也引入室內。家用健身器材就是用于身體鍛煉的器械，例如啞鈴、跑步機等都屬于健身器材。依據用途分，它可以分為專業(yè)的和非專業(yè)的。按照空間分，它可以分為戶外的和室內的。家用健身器材，可以讓人足不出戶便可得到身體各方位的鍛煉。,,收腹運動機的作用：,收腹運動機能夠起到輔助人們做仰臥起坐的作用，仰臥起坐可以直接針對腹部肌肉群，通過動作上的細微變化，使腹部不同部位的肌肉得到鍛煉，最終達到塑型效果。最為常見的仰臥起坐方法是將身體處于仰臥狀態(tài)，膝部屈曲成90左右，腳部平放于地面

3、，借助外力使之固定，然后利用腹部肌肉坐立起來。下面，我們就來細說一下做仰臥起坐的好處: 1.會鍛煉鍛煉者的腹肌，讓鍛煉者能更好地控制自己的身體，因為腹肌屬于核心肌群，對于穩(wěn)定身體有很重要的作用，而且腹肌的強壯對背部有較好的支撐作用，使鍛煉者在從事其他有氧運動和娛樂活動中增加體力。 2.仰臥起坐也能減肥，但需要每次慢起做150個以上才能燃燒脂肪，否則只能鍛煉腹肌，未免太辛苦，而且效果也不理想，長時間做會對脊椎造成傷害。 3.仰臥起坐能鍛煉腹部肌肉，使腹部肌肉收緊，更好地保護好腹腔內的臟器。 4.仰臥起坐還可以拉伸背部肌肉、韌帶和脊椎。并可以通過拉伸脊椎，調節(jié)中樞神經系統。從而改善身體的抗病能力。

4、 5. 鍛煉腹股溝。腹股溝有許多毛細血管和穴位，做仰臥起坐可以通過刺激腹股溝的血管，加速血液流動，治療和緩解婦科疾病。,收腹運動機的工作原理,家用收腹機裝置總的設計原理是通過設計出一系列的機械傳動機構以及選擇合適的彈簧等元件協助使用者進行收腹鍛煉。使用者雙手扶著坐板兩側的扶手把柄上坐于收腹機座板上，背部斜靠在收腹機靠背板上，初始狀態(tài)時，彈簧處于自然狀態(tài)，靠背板與地面成100110度的夾角。然后使用者背部向后用力，給靠背板一個向后的壓力，靠背板受力順時針方向旋轉。背部持續(xù)向后用力，靠背板繼續(xù)順時針方向旋轉，直至靠背板旋轉至160170度的位置時，靠背板到達最底端處，此時彈簧被拉伸至最長位置。

5、接著使用者背部力量放松，彈簧開始收縮，彈簧收縮通過連桿帶動靠背板作逆時針返回，返回到100110度的位置處，使用者再開始壓縮靠背板順時針方向轉動。就這樣使用者背部壓著靠背板，不停的克服彈簧拉力做來回擺動，同時使用者腹部肌肉得到良好的鍛煉。,2.收腹運動機的結構設計,收腹運動機根據收腹運動學原理，讓頭、肩和背的上半部只在離地30-60度區(qū)間活動，使運動完全依靠腹部力量，讓腹部所有肌肉動起來，瘦身效果最好。不同彈力裝置，完全滿足不同鍛煉需求。靠背軟膠同時滾動按摩背部。結合美體，有氧，伸展，舒壓，按摩五效合一。經人體工學及機械結構設計，不需技巧，體驗快，輕松上手。高效鍛煉腰，腹，臀，腿部肌肉群，達到

6、美容美體的效果。伸展，舒解背部與腰部的壓力。,,收腹運動機功能介紹,家用收腹運動機的組成部件,根據家用收腹運動機機裝置的設計原理可以得知收腹機共有以下各組成部件：收腹機運動機底座，收腹運動機機靠背，機械傳動機構，扶手柄，彈簧，有些收腹運動機也運用到了輪子。,常見收腹運動機的結構介紹,結構簡圖與產品圖,收腹運動機的結構方案的選擇,第一種產品采用彈簧將底座和靠背板鏈接，這樣的結構更多地簡化了收腹機外形，更大的節(jié)省了空間。缺點就是對彈簧的要求比較高，需要更大強度的彈簧。 第二種產品則采用的四桿結構與彈簧組成的收腹運動機。摒棄了老款的滾動滑輪，采用最新的上挺式運動方法，有效的保護了，滑輪對地板的損壞

7、，更好的利用自身體重來，達到鍛煉塑身的目的。但機架的體積較大，也無法進行拆卸，占用的空間較大。 第三種產品的家用收腹運動機，在使用時，使用者坐于收腹運動機的坐板上，背部及頭部靠在收腹機的背板上，背部與地面的角度呈115度左右，此時彈簧處于自然狀態(tài)，當使用者腰部用力將靠背板向后壓，靠背板上受到的壓力通過連桿傳到輪子上，輪子產生向后運動的趨勢，彈簧被拉伸。背部繼續(xù)下壓靠背板，彈簧繼續(xù)被拉伸，直至靠背板與地面呈165度左右的時候，輪子抵達極限位置處。這時背部隨著靠背板下降至最底處。然后放松腹部肌肉，彈簧收縮，輪子朝初始方向返回，通過連桿推動靠背板逆時針轉動，使用者背部被推回至初始位置?；瑝K的往復運動

8、即形成使用者的一次腹部肌肉收縮。這樣反復重復一直循環(huán)運動，形成使用者腹部肌肉的反復收縮，從而腹部得到良好的鍛煉。 經過對比、研究、分析，我們選擇方案三作為重點設計研究對象。第三種產品相對與第一種和第二種產品的優(yōu)點在于第三種產品的設計較為簡便，在室內擺放及存放等都比較方便。采用方案二設計出的收腹機過于復雜，占用空間也會較第三種產品的更大，而且不容易拆卸存儲。雖然從整體結構上來講第第一種產品更為簡便，但是第一種產品對彈簧的系數要求太高，彈簧的使用壽命可能會相對比較短。所以我們認為，以第三種產品的結構為設計方案是比較理想的設計方式。,3.家用收腹運動機的傳動機構參數確定,根據人體的結構，綜合人體

9、工程學來考慮，初步選定幾何尺寸為47.5（底座長）*80（靠背長）*50（總寬）。滑塊距基準OB1為30cm，即彈簧在起始狀態(tài)下的原長為30cm。仰臥起坐的要求是：拉起來時上身不能超過90,放下來時不要貼地，始終保持腹部和背部用力，盡量用腹部和背部來完成整個動作。因此可以設定靠背的工作角度為115到165度。取OA的距離為32cm，根據幾何知識計算得：彈簧的行程B1B2為32.73cm， 連桿A1B1的長度為 33.34cm， 取A1B1=33cm。,,受力分析,受力分析,當人躺在靠背上時，靠背板受到來自人體背部的力為人體上半身的重力在垂直靠背板方向上的分力F，靠背在鉸接A1點處受到來自F，

10、F在沿著連桿方向上和垂直于連桿方向上的受力分別為F1和F2。根據幾何分析可推導出輪子受到連桿的壓力F1，F1在輪子軌跡方向和垂直于軌跡方向上的分力分別為F3和F4。假設底座與靠背之間的夾角為，靠背與連桿之間的夾角為。,受力分析,假設人體質量為 70kg，上半身的重量m=45kg 由受力分析可以知道彈簧所受拉力： F3=mgsin(-90)sincos（-） 有數學關系可以算出： 彈簧所受到的最大拉力 F3=0.4544mg=0.4544*45*10=204.48N 彈簧所受到的最小拉力 F3=mgsin25sin55cos60=77.89N,,彈簧參數的設計,常用的彈簧材料有:碳素彈簧鋼，

11、合金彈簧鋼，不銹鋼和銅合金材料以及非金屬材料。選擇彈簧時，應根據彈簧的功用，載荷大小，載荷性質及循環(huán)特性，工作強度，周圍介質以及重要程度來進行選擇。 彈簧設計，一般是根據彈簧的最大工作載荷，最小工作載荷，工作行程以及其他尺寸限制和工作條件等，確定彈簧絲直徑d，工作圈數n以及其他幾何尺寸，并繪制工作圖。 由前面的分析可知，彈簧設計的主要約束條件為強度約束條件（如式3-26或3-27），剛度約束條件（如式3-28或3-29）及（壓縮彈簧）穩(wěn)定性約束條件。除此之外，還可能有一些尺寸約束條件，如對內，外徑的尺寸約束。 彈簧設計的任務是：要確定彈簧絲直徑

12、d，工作圈數n以及其他幾何尺寸，使得能滿足上述所有的約束條件，進一步地還要求相應的設計指標（如體重，重量，震動穩(wěn)定性等）達到最好。 具體設計步驟為：先根據工作條件，要求等，試選彈簧材料，彈簧指數C。由于許用彎曲應力與d有關，所以往往還要事先假定彈簧絲的直徑d，再按式計算出d,n的值及相應的其他尺寸。如果所得結果與設計條件不符合，則以上過程要重復進行，直到求得滿足所有約束條件的解即為一個可行的方案。,4.家用收腹運動機的關鍵零件設計與造型,收腹運動機的總體尺寸為47.5（底座長）*80（靠背長）*50（總寬）。采用可伸縮式靠背，靠背2可以在靠背1中滑動，滿足不同升高人的要求。整體結構緊湊，簡

13、單。收腹運動學原理，讓頭、肩和背的上半部都得到支撐，從而使運動完全依靠腹部力量，而且只在離地5080度區(qū)間活動，利用此家用收腹機進行幫助使用進行收腹鍛煉，它能讓腹部所有肌肉都動起來，可以完全替代普通仰臥起坐，并且甚至可以比普通仰臥起坐達到更好的鍛煉效果。拆卸簡單，可折疊收藏，儲存占用空間小。同時彈簧更換簡單，維修成本低。,,總體方案,底座,人體臀部與收腹機底座表面是直接接觸的，人坐在上面時，底座要承受人體的大部分重量，起到支撐的作用。由于人體臀部與底座是直接接觸的，所以底座的大小要滿足人體臀部的尺寸，因此底座的設計是在直徑為38cm的圓為基礎的,可以滿足不同人們的需求。在底座的兩側設計了兩個扶

14、手，與底座相連接，當使用者在收腹機上進行鍛煉時，手可以抓住扶手柄上。因為在使用者進行鍛煉時，背部會隨著靠背板作來回擺動，人體的重心也會不停的變換位置，所以雙手握在扶手柄上可以幫助使用者穩(wěn)定重心。底座的總長為47.5cm,符合前期設計的尺寸。底座的后部是連接靠背的構建，在底座的最后端，底座的上面。當然了人在收腹運動機上進行收腹運動時，不可能讓臀部與底座直接接觸，必須在上面放上一個軟墊，保證一定的舒適度，這樣使用者在長時間使用家用收腹運動機時才不會因為底座太硬而導致鍛煉無法正常進行。所以，家用收腹運動機的底座表 面的軟墊一定要選擇比較柔軟的且有韌性的皮質材料。底座后面的兩個孔是為實現與靠背1的連接

15、，底座與靠背1是用軸來連接的，這就要保證孔軸之間的間隙配合與孔軸的尺寸精度。當然了，也要保證底座后面兩孔的同軸度，真正實現底座與靠背1之間的連接，并保證靠背1的可以自由的轉動，實現家用收腹運動機的功能運動，達到鍛煉腹部健身的作用。,靠背1,收腹機靠背1也是與人體直接接觸的部分，與靠背1接觸的是人體的背部，并且在使用者對收腹機進行使用的時候背部與靠背板間的壓力是比較大的?？勘?與人體背部接觸的部位必須保持一定的柔軟度與舒適度，所以在靠背1上設計了6個圓形高彈性海綿滾動滑輪，分別套在靠背1三個圓桿上，一邊運動，一邊滾動按摩背部，疏通經絡。同時也應該考慮到人體曲線的問題，人體背部曲線大致是呈現“S”

16、的形狀。使用者在使用收腹機時，為了保證一定的舒適度，就得保證與背部更大的接觸面積，所以在收腹機靠背板外形的設計上應該盡量保證靠背板的設計曲線與人體背部曲線一致，所以在進行靠背1的設計的時候并沒有把它設計成直線性，而是在靠背1下部設計了一個圓弧，使其呈現曲線形狀，更好的貼 緊人體的背部，保證舒適度與達到健身的目的。由于靠背2要安裝在靠背1上，并且還要可以自由的伸縮，保證不同升高的人的鍛煉需要。所以靠背1中要有一段掏空部分，來安裝靠背2，并且保證靠背2可以在其中自由的活動，這就要在加工時，使掏空部分有著較高的表面粗糙度與尺寸的精度。在靠背一的背后，還要設計一個

17、銷孔，實現靠背1與連桿的連接?？勘?的下面也要做成圓柱孔的形式，用軸實現其與底座的連接，是其可以自由的轉動，這就要求孔與軸之間的間隙配合并保證孔軸的尺寸精度，對加工有一定的要求。,靠背2,家用收腹運動機的靠背2是與人體頭部直接接觸的，人的頭部靠在上面了之后，應該保證一定的人體舒適度，并起到以一定的支撐作用。由總體方案可以知道，靠背2 的總長應該為40cm，滿足設計需要。不同人的人體身高是不一樣的，所以我把靠背設計成了靠背1與靠背2兩部分，靠背2可以在靠背1中活動，就實現了可以隨時調節(jié)高度，這樣就滿足了不同身高的人的使用需要。由于靠背2要在靠背1中自由活動，這就要保證靠背1與靠背2 之間的配合以及靠背1與靠背2的尺寸精度。還有一點就是人體頭部靠在靠背板上的部分，如果是設計出帶點曲面的形狀，人的頭部靠在上面就像靠在枕頭上一樣，那樣的舒適度是可想而知了，在鍛煉身體的同時大腦可以得到完全的放松?？勘?的上面要裝上2個高彈性圓柱海綿，保證頭部的舒適度，同時指進行收腹運動的過程中還可以起到頭部按摩的作用，疏通筋脈，活血通淤,各個部件三維造型圖,,裝配圖,,運動仿真,謝謝聆聽,,