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1、 圖書分類號： 密 級： 畢業(yè)設(shè)計(論文) 多功能自動跑步機(jī)設(shè)計 DESIGN OF MULTIFUNCTIONAL AUTOMATIC RUNNING MACHINE 學(xué)生姓名 黃黎明 班 級 09機(jī)電1學(xué)號20090606130 學(xué)院名稱 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 張宏艷 2013年 5 月 22日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：

2、 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 　　 　　日期： 年 　月　 日 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書 本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙

3、本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 論文作者簽名： 　　 導(dǎo)師簽名： 　　 日期： 　　 年 　月　 　日 日期： 　　 年 　月　 　日 I 摘要 跑步機(jī)是家庭及健身房常備的器材，是當(dāng)今家庭健身器材中最簡單的一種，是家庭健身器的最佳選擇。未來跑步機(jī)市場將會普及并以人性化為主

4、，所以跑步機(jī)行業(yè)的研究設(shè)計和開發(fā)擁有較好前景。 本課題是首先調(diào)查和總結(jié)市場上現(xiàn)有的跑步機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，然后完成多功能跑步機(jī)的設(shè)計。設(shè)計包括支架，基架，滾筒，跑步板，跑步帶等，設(shè)計的多功能跑步機(jī)具有便于搬運(yùn)、結(jié)構(gòu)簡介、外觀美觀、設(shè)計人性化等特點(diǎn)。除跑步功能外，還有美腰、扭腰、仰臥起坐等健身方式供用戶選擇。除此之外還介紹了跑步機(jī)的正確使用方法和保養(yǎng)方法，強(qiáng)調(diào)了使用跑步機(jī)時的安全問題，這對于以人性化發(fā)展為主的多功能跑步機(jī)來說是非常重要的。 關(guān)鍵詞：健身器材；跑步機(jī)；多功能 A

5、bstract The running machine is the standing equipment in the families and gyms , today it is the one of the most simple home fitness equipment, it is the best choice for family fitness . Running machine in the future market will spread and give priority to with humanistic humanized.So treadmill re

6、search design and development industry has good prospects. This topic is to investigate and summarize the advantages and disadvantages of existing running machine on the market, and then complete the design of multifunctional running machine .Design includes support, base frame, roller, running bo

7、ards, running belt and so on, the design of multi-function running machine has easy to handle, profile structure, pleasing appearance, humanized design, etc.In addition to running features, there are US-waist, wriggled, sit-ups, dumbbell, fitness back and neck massage vibration mode for the user to

8、choose.What’s more,the paper also introduced the correct using method and maintenance method of treadmills, emphasizes the use of running machine safety, this for multifunction treadmill is given priority to with the humanized development is very important. Keywords fitness equipment multifunc

9、tional treadmill 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 目錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 跑步機(jī)的研究背景 1 1.2 跑步機(jī)的發(fā)展史 1 1.3跑步機(jī)的種類 2 2 總體方案設(shè)計 3 2.1基本功能 3 2.2 構(gòu)造設(shè)計 3 2.3 功能原理的確定 3 3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 4 3.1 電動機(jī)的選擇 4 3.1.1 電動機(jī)的類型選擇 4 3.1.2電動機(jī)的技術(shù)參數(shù) 4 3.2傳動系統(tǒng)設(shè)計 5 3.2.1設(shè)計步驟 5 3.2.2多楔帶帶輪的選擇 7 3.2.3帶傳動張緊裝

10、置的選擇 8 3.3外型結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3.3.1基架的設(shè)計 9 3.3.2支架的設(shè)計 11 3.4前后滾筒設(shè)計 13 3.4.1軸的設(shè)計 13 3.4.2軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計 14 3.4.3強(qiáng)度計算 15 3.4.4滾筒要求 15 3.5跑步板及跑步帶設(shè)計 16 3.5.1跑步板 16 3.5.2 跑步帶 16 3.5.3跑帶調(diào)整 16 3.5.4跑臺潤滑油的添加 18 3.6多功能設(shè)計 18 3.6.1避震系統(tǒng)設(shè)計 18 3.6.2扭腰盤設(shè)計 19 3.6.3連接機(jī)構(gòu)設(shè)計 20 3.6.4旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 3.6.5仰臥起坐架設(shè)計 21 4控制系統(tǒng)設(shè)計 2

11、2 4.1電動機(jī)調(diào)速 22 4.1.1直流電機(jī)調(diào)速原理[ 22 4.1.2 PWM脈寬調(diào)制原理 23 4.2 跑步機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能[ 25 4.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu) 25 4.2.2系統(tǒng)功能 26 4.3 跑步機(jī)控制器硬件設(shè)計 26 4.3.1電壓控制器的選擇 26 4.3.2 控制芯片 26 4.4控制器軟件設(shè)計 27 5使用和維護(hù) 30 5.1 跑步機(jī)的維護(hù)與保養(yǎng) 30 5.2 如何使用跑步機(jī) 30 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 33 1 緒論 1.1 跑步機(jī)的研究背景 生命在于運(yùn)動，健康源于運(yùn)動。跑步是目

12、前非常流行的一種有氧健身運(yùn)動，它在醫(yī)學(xué)界和體育界享有高度評價，它是保持一個人身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式。 跑步可以改善骨骼、心臟、心肌、腸胃等器官的功能，是人們鍛煉身體，預(yù)防疾病的法寶。戶外長跑曾經(jīng)是大眾最喜聞樂見的運(yùn)動形式，沿著林蔭道呼吸著早晨清新的空氣，聽著枝頭的鳥鳴，既能愉悅身心，又可鍛煉體魄。只是隨著都市的大氣變得污濁，生活節(jié)奏變得緊張，戶外長跑受到環(huán)境和工作條件的限制，變得很難進(jìn)行，所以跑步機(jī)就成了時下健身最熱門的健身器械。有了跑步機(jī)，我們不就不用因為天氣的原因不能運(yùn)動也可以免受汽車尾氣之苦，更方便的是我們可以選擇自己空余的時間隨時進(jìn)行鍛煉。 多功能自動跑步機(jī)，是多年來國際

13、流行的大眾健身器材，通過電動機(jī)帶動跑帶使人可以以不同的速度在跑步機(jī)上跑步或走動。在跑步機(jī)上走或跑，從運(yùn)作外形上看，幾乎與平時在地面上走或跑一樣，但從人體實際用力看，它比陸地上走或跑省去了蹬伸動作，正是這一點(diǎn)使健身者感到十分輕松自如，并比在陸地多跑1/3的路程，能量消耗也大于陸地訓(xùn)練。而且隨著科技的發(fā)展，電動跑步機(jī)上增加了各種電子輔助裝備，使其具有多種功能，能夠使鍛煉者體驗各種各樣的跑步環(huán)境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、變速跑等，甚至能將健身者跑步時的速度、時間、心率、熱量、節(jié)拍、距離等指標(biāo)顯示出來，使健身者能夠隨時根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度。 1.2 跑步機(jī)的發(fā)展史 當(dāng)上世紀(jì)80年代健身

14、觀念傳入我國時，跑步機(jī)才漸漸的開始發(fā)展起來，生產(chǎn)出了最初代的跑步機(jī)--機(jī)械跑步機(jī)（又叫“被動式”跑步機(jī)）。其動力來源是使用者通過自身臂部、膝部、踝關(guān)節(jié)及相關(guān)肌肉產(chǎn)生向后的推力，推動跑步機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動。使用這種運(yùn)動跑步機(jī)鍛煉，表面上看起來似乎能消耗更多的能量，更好的達(dá)到減肥健身的目的。但其產(chǎn)生的運(yùn)動傷害數(shù)倍于在大自然中跑步產(chǎn)生的運(yùn)動傷害，運(yùn)動醫(yī)學(xué)專家稱：馬路上跑步，每跑一千米，每只腳就得撞擊地面約1000次左右，腳踝部、膝部和臀部都受到震蕩，容易導(dǎo)致肌肉扭傷或韌帶拉傷，而在這種原始機(jī)械跑步機(jī)上跑步，人體除自身重量產(chǎn)生的震蕩外，腳踝部、膝部和臀部，特別是肌腱，還要承擔(dān)額外向后的扭力來確保跑帶向后運(yùn)動，

15、這種額外的扭力就是產(chǎn)生運(yùn)動傷害的根源。由于扭力過度集中在韌帶、關(guān)節(jié)等幾個關(guān)鍵受力部位，更容易使受力部位肌腱組織產(chǎn)生慢性疲勞，從而打破這部分組織的局部平衡、損傷其健康。所以越來越多的傳統(tǒng)跑步機(jī)使用者，發(fā)現(xiàn)自己越是認(rèn)真鍛煉，腿部越跑越粗、而關(guān)節(jié)部位越練越?jīng)]有力氣。 由于機(jī)械原始跑步機(jī)的危害很大，隨著科技的發(fā)展，電動跑步機(jī)漸漸取代了機(jī)械跑步機(jī)，一款優(yōu)秀的的電動跑步機(jī)可以克服以上的所有缺陷，可以讓人安全放心的進(jìn)行健康鍛煉。 1.3跑步機(jī)的種類 一、機(jī)械跑步機(jī)為主動性跑步，雖然價格便宜，但是跑步的真實感不夠強(qiáng)烈，跑步速度的快慢由本人控制，由于是主動控制，易令跑步疲勞產(chǎn)生惰性。

16、 二、電動跑步機(jī)以馬達(dá)帶動跑步機(jī)轉(zhuǎn)動，從而是跑步者被動性地作出跑步動作，跑步真實自然，速度快慢可調(diào)，還可配置電腦預(yù)設(shè)各種跑步程式，電動可調(diào)坡度，以便在跑步機(jī)上的跑步感覺接近真實的實地跑步。 三、多功能自動跑步機(jī)的主要功能，可分為跑步運(yùn)動、仰臥起坐運(yùn)動、扭腰運(yùn)動等，為人們提供了從頸、肩、上臂、前臂、腰、腹、大腿、小腿等全身運(yùn)動需求設(shè)備，從而擴(kuò)大了跑步機(jī)的用途、并且從根本上協(xié)調(diào)人的各部分組織的鍛煉情況，以便達(dá)到更加全面的鍛煉效果。 本次設(shè)計的就是多功能自動跑步機(jī)。 2 總體方案設(shè)計 2.

17、1基本功能 多功能跑步機(jī)的功能包括基本功能跑步健身和輔助功能仰臥起坐、扭腰等。其基本功能就是通過跑步帶構(gòu)建一條運(yùn)動的跑道，跑道運(yùn)動時的速度需要與運(yùn)動者跑步的速度保持一致且兩者運(yùn)動的方向相反，從而使得運(yùn)動者能夠在跑步帶上進(jìn)行跑步鍛煉。跑步機(jī)通常使用直流電動機(jī)對跑步帶進(jìn)行驅(qū)動與速度控制，而直流電動機(jī)通過半導(dǎo)體功率器件，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實現(xiàn)調(diào)速。 2.2 構(gòu)造設(shè)計 電動跑步機(jī)的主要組成部分有機(jī)架、電動機(jī)、跑步帶、滾筒等。一般支架和底座垂直連接，在底座的前后兩端分別安裝前軸和后軸，在前軸和后軸上裝上前后滾筒，然后在前后滾筒上張緊繞裝上跑步帶，支撐跑步板安裝在跑步帶的下方，從動皮帶輪

18、緊裝在前滾筒的一端，電動機(jī)、可調(diào)電源,安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動機(jī)上，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的底座上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動機(jī)外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，跑步機(jī)扶手架安裝于支架的頂端，儀表控制盤安裝于扶手架上。跑步機(jī)的傳動方式一般采取傳動級為一級的帶傳動機(jī)構(gòu)[1]。多功能自動跑步機(jī)則在支架上裝有扭腰盤和仰臥起坐架等設(shè)備以達(dá)到它具有多種功能，多種鍛煉方式的目的。 2.3 功能原理的確定 在機(jī)械跑步機(jī)上跑步時，人體除自身重量產(chǎn)生的震蕩外，腳踝部、膝部和臀部，特別是肌腱，還要承擔(dān)額外向后的扭力來確保跑帶向后運(yùn)動，這種額外的扭力就是產(chǎn)生運(yùn)動傷害的根源。

19、由于扭力過度集中在韌帶、關(guān)節(jié)等幾個關(guān)鍵受力部位，更容易使受力部位肌腱組織產(chǎn)生慢性疲勞，從而打破這部分組織的局部平衡、損傷其健康。而電動跑步機(jī)能減輕傳統(tǒng)訓(xùn)練對關(guān)節(jié)的沖擊，避免運(yùn)動受傷，比自然跑步有明顯的優(yōu)勢。跑步時后腳跟先著地，順著跑帶方向運(yùn)動。手腳模仿跑步的動作，前后揮動，從而使全身肌肉得到均衡的鍛煉。由于跑帶的運(yùn)動方向與腳步移動的方向一致，韌帶部位的扭力就抵消了，跑起來非常舒適?？祻?fù)者、兒童、老年人也可以保持身體平衡，從而集中精力安心鍛煉。如果增加運(yùn)動量，可以加快舞動手腳的速度。用電動跑步機(jī)能消除關(guān)節(jié)的負(fù)載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復(fù)。 多功能自動跑步機(jī)在電動跑步機(jī)的基礎(chǔ)上，

20、增加了仰臥起坐架、扭腰盤等多功能部件，為人們提供了頸、肩、上臂、前臂、腰、腹、大腿、小腿等部位的運(yùn)動，從而擴(kuò)大了跑步機(jī)的用途，從根本上協(xié)調(diào)人的各部分組織的鍛煉情況，以便達(dá)到更加全面的鍛煉效果。 本次設(shè)計的多功能自動跑步機(jī)就具有跑步健身以及扭腰、仰臥起坐等輔助功能。 3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 3.1 電動機(jī)的選擇 3.1.1 電動機(jī)的類型選擇 跑步機(jī)屬于健康器材類產(chǎn)品,所以要求跑步機(jī)的驅(qū)動電動機(jī)必須能讓不同體重的運(yùn)動者正常使用跑步機(jī)。一般運(yùn)動者使用跑步機(jī)有健身和減肥瘦身兩個目的。對減肥瘦身的人來說，驅(qū)動電動機(jī)的低速必須轉(zhuǎn)矩大才能滿足減肥者身體肥胖，跑不快的特點(diǎn)。相反的，對健身的人來說，他們跑步快

21、但重量輕，因此高速時的轉(zhuǎn)矩需求較小。所以電動機(jī)的調(diào)速范圍要寬廣,低速轉(zhuǎn)矩要大,才能讓不同重量的人都能使用，讓每一個家庭成員每都能使用。 當(dāng)人在跑步機(jī)上跑步或走路時，跑步機(jī)所承載的重量是人體重的0.8~2.5倍，驅(qū)動力必須在這樣的載重量下能夠滿足并維持所選擇的速度，讓人可以在跑步機(jī)上走跑自如。通常跑步機(jī)一個馬力(1HP=736W)大概可提供50~60公斤的承載重量，同時跑步機(jī)的功率對跑步帶的面積大小也有很大的影響，跑步機(jī)的功率越大，可以帶動的跑步帶面積也越大，所以一般建議，家用跑步機(jī)合宜的持續(xù)馬力應(yīng)該至少有1.5馬力[6]。 此次跑步機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為限重110kg，功率1.5HP。初步確定跑步機(jī)

22、滾筒直徑為60mm，所以最大轉(zhuǎn)矩 為此采用ZYT42型永磁直流電動機(jī)，該型號的電動機(jī)是大功率跑步機(jī)中配套的專用動力元件。該電動機(jī)具有轉(zhuǎn)速精度高，調(diào)速方便，調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高的特點(diǎn)。并且在人在跑步機(jī)上運(yùn)動時的沖擊負(fù)載下，電動機(jī)仍然能夠保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，讓運(yùn)動者感覺就像在平地上跑步一樣。 3.1.2電動機(jī)的技術(shù)參數(shù) 根據(jù)上文計算選擇的電動機(jī)型號為ZYT42/24 該電動機(jī)參數(shù)如下： 電壓 180V 空載時： 轉(zhuǎn)速 4000RPM 電流 0.4A 滿載時： 輸出功

23、率 1.5HP/1120W 轉(zhuǎn)矩 3.14Nm 轉(zhuǎn)速3400RPM 電流 7.6A 效率 82% 3.2傳動系統(tǒng)設(shè)計 3.2.1設(shè)計步驟 電動機(jī)的傳動系統(tǒng)需要的是定傳動比勻速轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，適合選擇帶傳動。帶傳動是具有撓性件的一種傳動，能緩和載荷沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，過載時傳動帶易在帶輪上打滑，從而可防止其他零件的損壞，具有過載保護(hù)作用，并且?guī)鲃又虚g結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，應(yīng)用范圍廣。 選擇電動機(jī)為永磁直流電動機(jī)，傳動功率P=1120W，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為n1=3400r/min ，傳動比定為i=2.1 。 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合，

24、特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動。所以選擇多楔帶傳動。 （1）確定設(shè)計功率Pd： Pd＝KAP 式（3.1） KA——工作情況系數(shù)，根據(jù)跑步機(jī)使用的特性，選擇每天工作時間小于10小時，載荷變動小。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表11.5選擇KA=1.2 （2）帶型號的選擇： 對于多楔帶的型號可根據(jù)設(shè)計功率Pd=1.0KW和小帶輪轉(zhuǎn)速n1=3400r/min選取，選PJ 型多楔帶。 （3）確定帶輪直徑de1、de2（有效直徑）： 小帶輪有

25、效直徑： 以下數(shù)據(jù)根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]選擇 根據(jù)表8-90選demin=20mm，△e=1.2，根據(jù)表8-91選de1=33.5mm 小帶輪節(jié)圓直徑： dp1=de1+2△e=33.5+21.2=35.9mm 大帶輪節(jié)圓直徑 dp2=idp1=2.135.9=75.39mm de2=dp2-2△e=75.39-21.2=72.99mm 由表8-91，選de2=71mm （4）計算帶速v： 按式 式（3.2） 帶的速度 = 注意：帶速增加

26、時，帶輪的離心力和離心應(yīng)力都會增大導(dǎo)致單位時間內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N增加。帶速減小時，因為P=Fv/100，所以當(dāng)P一定時，F(xiàn)增大即張緊力增大。 一般帶速v的范圍是5～25m/s，最大30m/s。 因為所求帶速v=6.388m/s<30m/s，所以符合要求。 （5）初定中心距a0： 中心距的大小對帶傳動的影響： 中心距a越大，傳動結(jié)構(gòu)越大，所以載荷變化時容易引起帶的顫動，導(dǎo)致掉帶。 中心距越小，帶的長度越短，在一定速度下，單位時間內(nèi)帶的應(yīng)力變化次數(shù)N愈多，會加速帶的疲勞損壞； 當(dāng)傳動比i較大時，包角較小 對于V帶傳動，中心距a一般可取

27、 0.7（+）<< 2(+) 式（3.3） 73.15

28、in=5。 按式 式（3.5） =150-8.205 =141.795mm 則a1=146.795mm a2=133.795mm （8）計算小帶輪包角： =3.14-0.264 =2.88rad （9）帶每楔所傳遞的額定功率及其增量： 由帶型，de1=33.5mm，n1=3400r/min按表8-55用插值法計算的 P0

29、=0.14kw 由i=2.1, n1=3400r/min,用插值法計算得 △P0=0.02kw （10）計算帶的楔數(shù)： 由表8-56用插值法計算Kα=0.97，KL=0.78 由式 Z= 式（3.6） Z=1.65/（0.160.970.78） =13.63 由表8-51選取Z=12 （11）有效圓周力： =0.258103 =258N （

30、12）作用在軸上的載荷： 為設(shè)計軸和軸承，需確定帶傳動作在軸上的力Fr， 由式 式（3.7） 得Kr=1.57 則 Fr =1.572580.991 =401.46N （13）多楔帶的選擇： 根據(jù)計算： 跑步機(jī)傳動機(jī)構(gòu)選擇12PJ450多楔帶 3.2.2多楔帶帶輪的選擇 根據(jù)跑步機(jī)傳動系統(tǒng)的要求，應(yīng)該選擇質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好的多楔帶帶輪；除此外還要求帶輪的鑄造內(nèi)應(yīng)力較小，帶輪質(zhì)量分布均勻；為了減少帶的磨損，帶輪的輪槽工作面必須要經(jīng)過要精細(xì)加工；各槽的尺寸和

31、角度都要保持一定的精度，從而使載荷能夠的分布較為均勻。 多楔帶帶輪主要是根據(jù)它的基準(zhǔn)直徑選擇結(jié)構(gòu)形式，然后根據(jù)帶的型號及根數(shù)確定輪緣寬度以及輪槽尺寸。則小帶輪D=33.5mm選取實心式，規(guī)格為P12PJ33.5。大帶輪D=71mm選取腹板式，規(guī)格為P12PJ71。 以跑步機(jī)大帶輪P12PJ63為例確定其結(jié)構(gòu)和尺寸[5]： 要求帶輪每毫米有效直徑的輪槽軸向圓跳動公差值為0.002mm，輪槽表面粗糙度Ra的最大允許值為3.2。槽角α=40o0.5o，槽距e=2.340.03，槽底圓弧半徑rt最大值為0.4楔頂圓角半徑rb,最小值為0.2，，檢驗用圓球或圓柱直徑db=1.50.01，2X公稱值

32、為0.23，2N最大值1.22，f最小值為1.8，徑向跳動公差0.25，有效線差公稱值θ=1.2，槽間直徑差值最大0.16，n槽數(shù)為12。所以 帶輪寬b=112.34+1.82=29.34mm 現(xiàn)用楔頂圓角半徑rb,槽底圓弧半徑rt均為0.3，又由槽距e=2.34，槽角α=40o，得到每個楔槽高度2.06mm。 3.2.3帶傳動張緊裝置的選擇 對于帶傳動張緊裝置，當(dāng)傳動中心不可變時，采用張緊輪； 當(dāng)傳動中心可調(diào)時，可以采用滑軌加螺旋或者浮動軸。 圖3-1為張緊裝置示意圖[3]。 本跑步機(jī)中心距是可調(diào)的： a=a0+(Le- Le0)/2 =150-8.205 =141.795

33、mm 則a1=146.795mm a2=133.795mm 范圍在133.795mm--146.79mm之間，則通過螺栓的前后移動來調(diào)節(jié)電動機(jī)的前后移動，從而實現(xiàn)帶的調(diào)緊和放松。 多楔帶通常適用于傳遞功率較大，傳動結(jié)構(gòu)緊湊的場合，特別適合做帶輪直徑小的傳動帶。擁有如下特點(diǎn)： （1） 多楔帶與帶輪的接觸面積較廣，摩擦力較大，并且載荷沿帶寬的分布較均勻，所以帶的傳動能力更大； （2） 多楔帶帶體薄而輕、柔性好、結(jié)構(gòu)合理，所以工作應(yīng)力小，可以在較小的帶輪上工作； （3） 多楔帶具有傳動振動小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、散熱快、使用時不易伸長、壽命長、傳動比大和極限線速度高等特點(diǎn)； （4） 傳動緊

34、湊，占據(jù)空間小，傳動效率高，節(jié)能效果明顯； （5） 多楔帶的背面也能傳動，而且可使用自動張力調(diào)整器，使傳動更加安全、可靠。 表3-1 張緊裝置 3.3外型結(jié)構(gòu)設(shè)計 外形結(jié)構(gòu)是一個產(chǎn)品給人的第一信息，也是整臺機(jī)器的支撐框架，所以為了符合專業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)和增加產(chǎn)品銷量，跑步機(jī)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計要具有美觀、牢固、輕便的特點(diǎn)。 3.3.1基架的設(shè)計 為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減震系統(tǒng)

35、的有效性，基架全部采用焊接結(jié)構(gòu)?；艿脑O(shè)計是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，也是其他設(shè)計的基準(zhǔn)。支架，滾筒的選擇，以及前后ABS塑料罩等等，都是依據(jù)基架的尺寸和形狀設(shè)計的，所以設(shè)計開始首先考慮基架的設(shè)計，進(jìn)行樣式，結(jié)構(gòu)，還有尺寸的確定。主要是通過對市場進(jìn)行調(diào)研，通過了解現(xiàn)在流行的跑步機(jī)的基架結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在尺寸方面，確定45cm寬130cm長的跑帶面積，以此保證給人以足夠的運(yùn)動面積，為主要數(shù)據(jù)展開對基架的設(shè)計，再考慮電動機(jī)的尺寸，傳動機(jī)構(gòu)帶傳動的中心距離，電動機(jī)的安裝位置，前后滾筒的位置，PWM調(diào)速電源的安裝位置，以及傳感器安裝位置的預(yù)留等等。為了在鍛煉過程中短暫休息的時候，兩腳能有足夠的

36、踩放位置，特意將兩邊框設(shè)計了足夠的寬度，另外也為萬一跑步機(jī)失靈發(fā)生意外，人可快速兩腳分開脫離旋轉(zhuǎn)的跑帶，提供足夠的安全踩放位置[6]。 底座外形長度設(shè)計：跑步帶寬500mm，故設(shè)計滾筒長為530mm，再加上軸的固定孔位，取跑步機(jī)的整個傳動系統(tǒng)的寬度為550mm，確定兩側(cè)平臺各取105mm，所以上底座的寬。 由3.2.3求的兩帶輪的中心距，電動機(jī)的寬，跑步帶長是1300mm，取下底座的前壁寬是50mm，尾部距下滾筒中心距是80mm用于安裝和調(diào)節(jié)下滾筒的裝置，由于電動機(jī)應(yīng)與前壁有一定間隙，并有一段是為安裝和調(diào)整電動機(jī)位置，且這一段的寬度是60mm，用于電動機(jī)的安裝。故取上滾筒與前壁的距離，所以

37、上底座長 圖3-1 基架圖 由圖3-1基架圖可知，整個基架最有可能出現(xiàn)彎矩現(xiàn)象的地方在上基架中部。以基架一邊承受60kg計算其載荷，由于有一定的沖擊力，取跑步時腳相對于跑步板8m/s,與跑步板接觸0.3s計算，受力分析如圖3-3所示。許用應(yīng)力[σ]=60MPa[7]。 圖3-2 基架受力圖 所以， 式（3.8） 彎矩 彎矩應(yīng)力 式

38、（3.9） 所以可用。 由圖3-2基架圖可知，整個基架最有可能出現(xiàn)斷裂的地方在下基架的尾部。 由公式 可得 式（3.10） 所以可用。 3.3.2支架的設(shè)計 支架設(shè)計分為上下兩部分，可以通過插拔的形式進(jìn)行安裝和拆卸，裝卸操作簡單并節(jié)省包裝時間和安放空間，支架材料采用空心鋼管，通過焊接連接，穩(wěn)定性高。支架包括扶手，儀表安裝輔助支架，扭腰盤連接處等，仰臥起坐架直接焊接在輔助連桿上。支架與基架采用螺栓連接，方便跑步機(jī)位置的調(diào)整和拆裝。底部安有橡膠墊和尾套，保證平衡，最重要的是實現(xiàn)減震的二級緩沖。圖3-3，3-4，為主要支架，上支架和下支架，上支架主

39、要安裝儀表盤和供使用者扶持；下支架用于支撐和安裝基架。 圖3-5為上下支架連接以后的模型，支架用于支撐和安裝基架，安裝仰臥起坐支撐棒和扭腰盤，這部分需要給人舒適和美觀感。 圖3-3 上支架圖 圖3-4 下

40、支架圖 圖3-5 總支架圖 3.4前后滾筒設(shè)計 3.4.1軸的設(shè)計 滾筒軸屬于固定心軸——只承受彎矩M≠0；不承受扭矩T=0；軸的毛坯一般用鍛件或圓鋼。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求： （1） 工藝要求：軸應(yīng)具有良好的制造工藝性。 （2） 定位要求：軸與軸上零件應(yīng)具有準(zhǔn)確的工作位置。 （3） 緊固要求：軸上零件的固定應(yīng)牢固可靠。 （4） 安裝調(diào)

41、整要求：軸上零件應(yīng)易于裝拆和調(diào)整。 （5） 提高疲勞強(qiáng)度的要求：應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中。 軸的各部分結(jié)構(gòu)名稱制造安裝要求： （1） 軸的形狀和尺寸設(shè)計盡量簡單，以便于加工； （2） 為了方便軸上零件的裝拆，通常將軸做成階梯軸； （3） 軸端和各軸段的端部應(yīng)有導(dǎo)角，以便于軸上零件的安裝，； （4） 軸上磨削的軸段應(yīng)該有有砂輪越程槽； 軸的材料： 因為軸常在交變應(yīng)力的作用下工作，所以要求其材料要剛度好、強(qiáng)度高、應(yīng)力集中的敏感度小，加工性能好，抗疲勞，有的軸表面要求也較高。 軸的材料主要采用中45鋼或碳鋼35和合金鋼20Cr或40Cr等[3]。 最常用的是45#鋼（含

42、碳量0.45％），它具有較高的綜合機(jī)械性能。 此設(shè)計采用45#鋼。 (1)計算軸上功率P、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩T 查手冊得，多楔帶的傳動效率η為0.98。則 P=Pη=11200.98W=1097.6W ＝n=3400r/min=1619.05r/min T==6.49Nm 式（3.11） (2)計算作用在大帶輪上的力 大帶輪的直徑=71mm 作用在大帶輪上的力：

43、 式（3.12） 作用在軸上是力：因為軸固定，所以 (3)初步確定軸的最小直徑 先初步估計軸的最小直徑。按無特殊要求、重要性一般，選擇軸的材料為45鋼，查按轉(zhuǎn)矩計算軸時的和C值表，取C=110，于是得 =10.65mm 式（3.13） (4)軸承的選擇 取安裝滾動軸承處為軸頭為前滾筒軸的的最小直徑。 軸承類型： 深溝球軸承，軸承代號：6301 額定靜載荷：4650，極限轉(zhuǎn)速：22000， 潤滑方式：脂潤滑。 工作

44、參數(shù)： 軸向載荷：0，徑向載荷：406.16，使用壽命：30000，工作轉(zhuǎn)速：1619.05，載荷系數(shù)：1.5。 3.4.2軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計[3] 軸的設(shè)計包括兩個方面： (1)結(jié)構(gòu)設(shè)計：使軸具有合理的結(jié)構(gòu)形狀，良好的加工工藝性。 (2)強(qiáng)度計算：保證軸在載荷作用下不致斷裂或產(chǎn)生過大的變形。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 軸的端部應(yīng)有45度倒角，以便安裝時對中，防止銳邊劃手。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要根據(jù)以下幾個方面： 軸上零件的配置；軸上零件的裝拆；軸上零件的固定；軸的加工工藝性。 軸上零件的固定可分為兩個方向： 軸向固定：防止零件在運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生軸向移動，采用圓螺母。 周向固定：傳遞扭矩和運(yùn)動，采用

45、過盈配合（軸承內(nèi)圈）。 圖3-6為滾筒的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3-6 滾筒結(jié)構(gòu)圖 3.4.3強(qiáng)度計算[2] 由于心軸工作時只承受彎矩而不承受扭矩，所以在應(yīng)用上式時，應(yīng)取T=0。由于是固定心軸，考慮啟動，停止等影響，彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動循環(huán)變應(yīng)力。所以：固定心軸的許用應(yīng)力應(yīng)為[σ]=102MPa[8]， 彎矩 抗彎截面系數(shù) 式（3.14） 彎矩應(yīng)力 式（3.15） 所以可用，則通過設(shè)計能承受足夠的工作強(qiáng)度。

46、 前已選用軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查手冊按線性插入法查得對于的碳鋼，承受對稱循環(huán)變力時的許應(yīng)力合理。若從考慮節(jié)省材料減輕重量上，軸可以適當(dāng)再細(xì)點(diǎn)，但考慮到軸受一定的沖擊力，所以維持軸的直徑不變。 3.4.4滾筒要求 前滾筒即主動滾筒的外圓全跳動要小于0.33mm，后滾筒也就是從動滾筒的外圓全跳動要小于0.25mm。滾筒均采用5.0mm壁厚的優(yōu)質(zhì)鋼管，光潔度達(dá)到0.8以下[9]。滾筒均有防靜電處理，滾筒外部經(jīng)防銹處理，前后滾筒的外形如圖3-7、3-8所示。 圖3-7 前滾筒圖

47、 圖3-8 后滾筒圖 3.5跑步板及跑步帶設(shè)計 3.5.1跑步板 電動跑步機(jī)的跑步板是由基板以及覆蓋在基板上下兩個表面的導(dǎo)電耐磨層構(gòu)成。導(dǎo)電耐磨層可以長期承受跑步帶的摩擦，從而增加跑步機(jī)的使用壽命，還可以隨時將摩擦產(chǎn)生的靜電荷通過底座導(dǎo)出，避免靜電對人體造成不舒適和對跑步機(jī)造成損害。基板制作材料一般是高密度或中密度的纖維板，也可由其它材料制作。高密度或中密度纖維板強(qiáng)度較高、重量較輕，成本較低，效果較好，本身也提供一部份的吸震

48、功能，導(dǎo)電耐磨層可以在基板上噴涂導(dǎo)電耐磨涂料固化制成，也可以在基板上復(fù)合耐磨金屬板制成。導(dǎo)電耐磨涂料層工藝較簡單，成本也較低。復(fù)合耐磨金屬板則更牢固。復(fù)合耐磨金屬板為復(fù)合銅板時效果更好，更耐磨。 根據(jù)滾筒和基架的長度，確定跑步板的長寬為Lb=1200500mm，高h(yuǎn)=12mm。 因為正常成年男人的肩寬在45cm左右，加上跑步時的擺臂動作，為了能使使用者更舒適的運(yùn)動，跑步帶寬度應(yīng)該有50cm左右，而正常成年使用者跑步時步伐長度大概在1m左右，所以這里設(shè)計的跑步板的長寬高Lbh=120050012mm是比較合適的。 3.5.2 跑步帶 跑步帶使用雙層粘合跑帶，具有高傳導(dǎo)性，防滑性能高，運(yùn)動

49、時安全可靠。對于跑步機(jī)來說，跑步帶面積的大小非常重要，左右寬度及前后長度都要夠，否則無法自然邁開步伐，跑起來彎扭不順暢，容易讓人跌倒。根據(jù)運(yùn)動者的肩寬和跑步速度，跑步帶50cm寬130cm長，應(yīng)是一個合宜的參考面積，然后再依個人的實際條件做增減。 本設(shè)計要求跑步帶的寬度為500mm，取跑道長為1300mm。材料選擇草地紋雙層材料，厚度為2.5mm，讓運(yùn)動者跑步時可以更加舒適。 3.5.3跑帶調(diào)整 兩個螺栓調(diào)整法：如果跑帶偏向左邊，先取出鑰匙，拔下電源插頭。將跑臺左后側(cè)的滾筒調(diào)整螺栓順時針方向旋轉(zhuǎn)四分之一轉(zhuǎn)，還有以反時針方向旋轉(zhuǎn)跑臺右后側(cè)的滾筒調(diào)整螺栓四分之一轉(zhuǎn)。調(diào)整完成后，不能過度鎖緊跑

50、帶，插上跑步機(jī)的電源插頭然后啟動跑步機(jī)，讓跑帶運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘。重復(fù)本段動作，直到跑帶位在中央位置。 如果跑帶偏向右邊，先取出鑰匙，拔下電源插頭。將跑臺左后側(cè)的滾筒調(diào)整螺栓以逆時針方向旋轉(zhuǎn)四分之一轉(zhuǎn)，還有以順時針方向旋轉(zhuǎn)跑臺右后側(cè)的滾筒調(diào)整螺栓四分之一轉(zhuǎn)。完成后，重新啟動跑步機(jī)，讓跑帶運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘。重復(fù)本段動作，直到跑帶位在中央位置。 圖3-9 跑帶左右偏調(diào)整方式 要增加跑帶的張力時，先取出鑰匙，拔下電源插頭。使用六角螺母板手將跑臺后側(cè)的兩個滾筒調(diào)整螺栓以順時針方向各旋轉(zhuǎn)四分之一轉(zhuǎn)。跑帶張力適當(dāng)時

51、，應(yīng)該可以將跑帶的任何一邊移離跑臺3mm到4mm。不能過度鎖緊跑帶。完成后，插入跑步機(jī)的電源插頭與鑰匙，讓跑帶運(yùn)轉(zhuǎn)幾分種。重復(fù)本段動作，直到跑帶張力適當(dāng)為止。要減少跑帶的張力時，先取出鑰匙，拔下電源插頭。使用六角螺母扳手將跑臺后側(cè)的兩個滾筒調(diào)整螺栓以逆時針方向各旋轉(zhuǎn)四分之一轉(zhuǎn)。跑帶張力適當(dāng)時，應(yīng)該可以將跑帶的任何一邊移離跑臺3mm到4mm。不能過度鎖緊跑帶。完成后，插入跑步機(jī)的電源插頭與鑰匙，讓跑帶運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘。重復(fù)本段動作，直到跑帶張力適當(dāng)為止[11]。

52、 圖3-10 跑帶張力大小調(diào)整方式 3.5.4跑臺潤滑油的添加 潤滑油作用： 1、減小跑步帶和跑步板之間的摩檫力，保護(hù)跑步板表面的耐磨涂層，延長跑帶、跑板的使用壽命。 2、讓用戶在運(yùn)動時更流暢。 3、減少跑步機(jī)的電能消耗。 品質(zhì)要求： 1、耐高溫。 2、不易揮發(fā)。 3、黏度高。 使用方法： 1、掀開左側(cè)跑步帶，將潤滑油沿跑步帶方向倒在跑步板上，控制用量為10 ml。 2、右側(cè)同左側(cè)一樣操作方法。 3、將跑步機(jī)的跑步速度調(diào)整在3Km/ h左右，然后在跑步機(jī)上跑步，同時用腳有意識的踏壓跑步帶下涂有潤滑油的區(qū)域，使其在跑步板上散布均勻。 使用頻率： 6個月左

53、右加注1次潤滑油。不可過量使用，防止摩檫力太小后跑步帶和傳動滾筒之間打滑影響正常使用。 3.6多功能設(shè)計 3.6.1避震系統(tǒng)設(shè)計 跑步最重要的就是要保護(hù)好膝蓋———跑步機(jī)具有緩沖減震的效果就是這個道理。使用跑步機(jī)比起在戶外路跑最大的好處是：跑步機(jī)它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作用沖擊力，保護(hù)了膝蓋關(guān)節(jié)。跑步機(jī)的避震方式采用具彈性的橡膠墊將跑臺和底座框架墊隔開，使跑臺成懸吊狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生吸收震動的功能而達(dá)到避震的效果。因此避震效果是否可以有效的展現(xiàn)發(fā)揮，完全得看跑步機(jī)的基座結(jié)構(gòu)是否牢靠穩(wěn)固。所以采用了足夠牢固的鋼材規(guī)格，結(jié)構(gòu)撐架以焊熔連接，沒有采用螺栓，在基座結(jié)構(gòu)上再加上橡膠墊和橡

54、膠尾套，使整個基架又對力產(chǎn)生一個緩沖，實現(xiàn)二級緩沖。本設(shè)計中跑步板采用高密度纖維板，本身也提供一部份的吸震功能，但厚度至少需有2.5cm以上，以確保在吸震同時，不因沖擊而龜裂，另外在使用時可在跑步機(jī)的支撐點(diǎn)下，加鋪具有彈性的鋪墊，以增加避震效果。 健身器目的是鍛煉身體，好的避震系統(tǒng)是跑步機(jī)的保障，如果沒有對力的多重緩沖，跑步機(jī)就成為了跑步的隱型殺手，在不自覺中會損傷關(guān)節(jié)，而設(shè)計獨(dú)特的避震系統(tǒng)能給鍛煉者帶來草地般舒適感覺，使在跑步機(jī)上的運(yùn)動真正成為一種享受。 3.6.2扭腰盤設(shè)計 根據(jù)人穿鞋子的大小，本設(shè)計確定扭腰盤的大小為直徑250mm，早根據(jù)要有足夠的扭腰空間，扭腰盤中心距支架的距離為

55、475mm。由圖3-11可以看出，應(yīng)力通常集中會在小軸的兩端部分。由于扭腰無沖擊力，取最大收到110kg的重量。那么對小軸處的力矩計算如下： 圖3-11 受力分析 所以，支點(diǎn)反力 所以截面切應(yīng)力＜60MPa 扭腰盤設(shè)計特點(diǎn)： （1）采用 ABS塑料+磁鐵制成，抗沖擊強(qiáng)度高，密度小，便于運(yùn)輸，完全可以替代鑄件，表面光潔度好，在扭腰同時可以進(jìn)行腳底按摩。 （2）附有磁鐵，有足療作用。 （3）身體隨著轉(zhuǎn)盤扭動，使腰部、跨部得到充分鍛煉，瘦腰

56、美腿、保持身材。 （4）通過磁療，把磁波傳列到人體，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生旋渦狀的二次電流，排除多余脂肪及毒素。 （5）促進(jìn)血液循環(huán)，同時達(dá)到健美和鍛煉身體的目的。 3.6.3連接機(jī)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計直徑為24mm，通過長桿與支架相連 ，用時把鐵銷把出，旋轉(zhuǎn)放在皮帶上方，即可使用，鍛煉完畢旋轉(zhuǎn)折疊，插上拉銷，則扭腰盤依附與支架上，可以進(jìn)行別的項目的鍛煉，圖3-12為拉銷示意圖。

57、 圖3-12 拉銷圖 3.6.4旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計 此扭腰盤選用單向推力軸承和深溝球軸承配合完成對軸轉(zhuǎn)動的的支撐。 單向推力軸承計算： 軸承類型： 單向推力球軸承(50000)，軸承代號： 51104 軸承參數(shù)：軸承外徑：35，軸承內(nèi)徑：20，軸承寬度：10，額定動載荷：11000，額定靜載荷：19800， 極限轉(zhuǎn)速：6700，潤滑方式：脂潤滑 工作參數(shù)：軸向載荷：1000，徑向載荷：0，使用壽命：3000，工作轉(zhuǎn)速：20，載荷系數(shù)：1.1 計算結(jié)果：當(dāng)量靜載荷：1100.00，當(dāng)量動載荷：1100.

58、00，計算壽命：833350 深溝球軸承只是簡單起個軸向固定和保持軸位置的固定的作用。圖3-13為扭腰盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3-13 扭腰盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖 3.6.5仰臥起坐架設(shè)計 做仰臥起坐對人體新陳代謝有絕對的幫助,其可增進(jìn)肺部運(yùn)動量因而提升免疫力。此設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，與支架焊接在一起，平穩(wěn)堅固、使用簡單，屬于很大眾化的設(shè)計，對強(qiáng)化胸部、腰部大小肌肉，消除腹部

59、贅肉最有效，在鍛煉中與跑步配合，使跑步機(jī)不再成為乏味的單一運(yùn)動器械，而且結(jié)構(gòu)位置絲毫不影響跑步帶鍛煉。圖3-14為仰臥起坐架示意圖。 圖3-14 仰臥起坐架 4控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1電動機(jī)調(diào)速 4.1.1直流電機(jī)調(diào)速原理[12] 直流電動機(jī)按勵磁方式不同分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵四種。不同勵磁方式的直流電動機(jī)的機(jī)械特性曲線有所不同。對于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： 式（4.1）

60、 其中：U—電壓；Rn—勵磁繞組本身的電阻；Φ—每極磁通(Wb)；Cc—電勢常數(shù)； Cr—轉(zhuǎn)矩常量。 由式4.1可知，直流電動機(jī)的既可采用電樞控制法來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可采用磁場控制法來控制轉(zhuǎn)速。通過磁場控制法改變磁通時，雖然控制的功率較小，但低速時容易受到磁極飽和的限制，高速時容易被換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所限制，而且由于勵磁線圈電感較大，因此磁場控制法的動態(tài)響應(yīng)比較差。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中通常用電樞控制法來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 。 圖4-1 直流電機(jī)的工作原理圖 電

61、樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電動機(jī)的電樞上，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，但是由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，所以這種不僅方法效率低、平滑度差，還嚴(yán)重浪費(fèi)電能，經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了由交流電源供電、使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓、脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等新的電樞電壓控制方法。通過調(diào)壓調(diào)速法控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速平滑度高，能耗少，精度高，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。其中脈寬調(diào)制調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛。 4.1.2 PWM脈寬調(diào)制原理 為了滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中對直流

62、電動機(jī)的各種不同的速度要求，直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)越來越重要，對直流電動機(jī)的調(diào)速的要求越來越高。通過改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，而且采用傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)有模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等缺陷。這時通過PWM脈寬調(diào)制調(diào)壓控制直流電機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)運(yùn)而生。 PWM脈寬調(diào)制調(diào)壓技術(shù)的特點(diǎn)： （1） 避免了傳統(tǒng)調(diào)速的缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。 （2） 開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好。 （3） 開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強(qiáng),可以獲得很寬的頻

63、帶。 （4） 開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置效率高。 （5） 具有很強(qiáng)的抗噪性，節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)。 脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為

64、 式（4.2） 式中 Ua——電樞供電電壓（V）； Ia ——電樞電流（A）； Ф——勵磁磁通（Wb）； Ra——電樞回路總電阻（Ω）； Ce——電勢系數(shù)， p為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。 圖4-2為PWM降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖4-2a中，假定晶體 管V1先導(dǎo)通T1，秒(忽略V1的管壓降，這期間電源電壓Ud全部加到電樞上)，然后關(guān)斷T2秒(這期間電樞端電壓為零)。如此反復(fù)，則電樞端電壓波形如圖4-2b中所示。而電動機(jī)電樞端電壓U為該時間段內(nèi)電壓的平均值。

65、 a）原理圖 b)輸出電壓波形 圖4-2 PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形 式（4.3） 上式中 為一個周期T中，晶體管V1導(dǎo)通時間的比率，稱為負(fù)載率或占空比。以下有三種方法可以改變的值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的： (1)定寬調(diào)頻法：T1保持不變，使T2在0～∞范圍內(nèi)變化，從而改變周期T。 (2)調(diào)寬調(diào)頻法：T2保持不變，使T1在0～∞范圍內(nèi)變化，從而改變周期T。 (3)定頻調(diào)寬法：T1+T2=

66、T保持不變，同時改變使T1、T2，使T在0～∞范圍內(nèi)變化。 不管哪種方法，的變化范圍均為0≤≤l，因而電樞電壓平均值U的調(diào)節(jié)范圍為0～Ud，均為正值，即電動機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。當(dāng)需要電動機(jī)在正、反向兩個方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時，就要使用圖4-3a所示的橋式(或稱H型)降壓斬波電路。 在圖4-3a中，晶體管V1、V4是同時導(dǎo)通同時關(guān)斷的，V2、V3也是同時導(dǎo)通同時關(guān)斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時導(dǎo)通，否則電源Ud直通短路。設(shè)V1、V4先同時導(dǎo)通T1秒后同時關(guān)斷，間隔一定時間之后，再使V2、V3同時導(dǎo)通T2秒后同時關(guān)斷，如此反復(fù)，則電動機(jī)電樞端電壓波形如圖4-3b所示。 電動機(jī)電樞端電壓的平均值為 式（4.4） 由于0≤≤1，U值的范圍是 -Ud～+Ud，因而電動機(jī)可以在正、反兩個方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 a)原理圖 b)輸出電壓波形 圖4-3 橋式PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形 圖