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多功能互动健身车的创新机构设计及有限元优化分析

作　者: 龙志健
导　师: 周超英；胡颖
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 健身车人机工程学设计阻力自动调节有限元分析
分类号: TS952
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着人们生活质量的不断提高,健身行业得到了快速的发展,同时企业也相应地对健身器材的创新、研发方面提出了更高的要求。目前,对于健身车行业,主要着重于对其舒适性以及安全性方面进行改进研发,但在其核心领域,即运动方式上并没有得到突破性的发展,造成了运动过程较为单调乏味,影响锻炼效果。为此,本课题研究开发了一款全新的多功能互动健身车。其特点在于双手双脚都能独立驱动,通过变换双手和双脚的运动组合和运动姿态,在实现一般自行车交替骑方式的基础上,增加了如踏楼梯、仿生跑等不同运动方式。其丰富的运动方式配合上合理的训练模式程序,更大程度地提升了健身车的趣味性以及运动效果。本文主要围绕着这种新型运动方式的机构创新设计及其相关分析研究而进行的。首先为了满足全新运动姿态的舒适要求,对健身车的主体结构尺寸进行全面合理的人机工程设计分析,以达到新颖性、舒适性和安全性的统一;然后在此基础上对其全新的运动方式和总体结构方案进行系统分析,并根据相关的功能需求着重对各个关键部件进行深入研究和机构设计;接着对其阻力系统的阻力输出、构造等方面进行了全面分析,并针对本健身车的独特驱动方式,设计出一种全新的阻力自动调节系统,使骑行者在全新的运动方式下也能获得平稳、舒适的锻炼感受,并通过样机的搭建以及相应实验验证了健身车设计方案的可行性;最后,针对实验时出现样机皮带打滑的问题,基于ANSYS Workbench软件着重对机架延伸板进行了有限元优化分析,使其达到所需的性能要求,以更接近产业化的需求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题研究的背景、目的和意义  9-10
    1.1.1 课题背景  9
    1.1.2 课题目的  9-10
    1.1.3 课题意义  10
  1.2 国内外相关技术研究现状及分析  10-13
    1.2.1 健身车的发展现状及分析  10-12
    1.2.2 自行车模拟器的发展及分析  12-13
  1.3 论文研究内容  13-15
第2章健身车中的人机工程学分析及研究  15-27
  2.1 引言  15
  2.2 人机工程学  15-16
    2.2.1 人机工程学概述  15
    2.2.2 健身车在人机工程学上的应用  15-16
  2.3 人体尺寸和人体模板  16-18
    2.3.1 百分位的概念  16-17
    2.3.2 人体主要尺寸  17
    2.3.3 人体模板的分析  17-18
  2.4 人机工程学在互动健身车设计中的应用  18-26
    2.4.1 踏板曲柄的设计  18-19
    2.4.2 手摇曲柄的设计  19
    2.4.3 座垫杆的设计  19-22
    2.4.4 把手的设计  22-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章健身车的总体方案以及机构设计  27-44
  3.1 引言  27
  3.2 互动健身车的总体构思  27-28
    3.2.1 功能简介  27-28
    3.2.2 总体方案的构思  28
    3.2.3 人体功率的确定  28
  3.3 分动系统的设计  28-31
    3.3.1 超越离合器的介绍  28-29
    3.3.2 离合器的选型  29-31
  3.4 手脚传动系统的设计  31-39
    3.4.1 联动方式的设计  31-33
    3.4.2 锥齿轮的设计  33-37
    3.4.3 花键轴的设计  37-39
  3.5 传动方式的设计  39-41
    3.5.1 传动方式的选择  39-40
    3.5.2 同步带传动的设计  40-41
  3.6 专用脚踏的设计  41-43
  3.7 本章小结  43-44
第4章阻力自动调节系统的设计  44-60
  4.1 引言  44
  4.2 阻力方式的选择  44-46
    4.2.1 摩擦阻力调节  44-45
    4.2.2 磁控阻力调节  45
    4.2.3 电机阻力调节  45-46
  4.3 阻力输出机构的分析与设计  46-50
    4.3.1 电磁感应阻力产生原理  46
    4.3.2 电磁感应阻力输出方案  46-47
    4.3.3 输出阻力分析  47-48
    4.3.4 磁体的选择  48-49
    4.3.5 飞轮系统分析  49-50
  4.4 阻力调节系统的设计  50-58
    4.4.1 阻力调节系统的分析  50-52
    4.4.2 阻力调节系统的组成  52-53
    4.4.3 阻力输出方式的设计  53-56
    4.4.4 凸轮的设计  56-58
  4.5 样机实验  58-59
    4.5.1 骑行状态的测试  58-59
    4.5.2 阻力自动调节系统的测试  59
  4.6 本章小结  59-60
第5章健身车结构的有限元分析及优化  60-68
  5.1 引言  60
  5.2 问题的提出  60-61
  5.3 ANSYS WORKBENCH 简介  61
  5.4 健身车结构的有限元分析模型  61-65
    5.4.1 模型的简化  61-62
    5.4.2 建立有限元模型  62-63
    5.4.3 模型的单元选择和网格划分  63-64
    5.4.4 边界条件和载荷  64-65
  5.5 有限元分析结果  65-67
    5.5.1 延伸板在压轴力载荷下的力学特性  65-66
    5.5.2 延伸板厚度的特性分析  66-67
  5.6 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  73-75
致谢  75

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