多功能电动跑步车的研究

2018-06-28，，，，，

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年3期

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(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007)

0 引言

人们在健身方面的消费大多使用机械式跑步机锻炼。理论上能量被更多消耗，健身目的更加明显。但实际附加的运动伤害较自然跑步更多，根据运动学报告称：常规跑步，人体运动组织都会受到不同程度的震荡，易导致肌体损伤，在机械跑步机上运动，除接受自身重量产生的震荡外，人体运动组织，特别是跟腱，还会承受额外的摩擦扭矩。导致的韧带、扭矩等关键受力部位的慢性疲劳，不利于健康。因为机械跑步机的缺陷对人体有较大损害，电动跑步机渐渐取代了机械跑步机，通过电力辅助克服以上的缺陷，让使用者进行健康锻炼变得安全放心。针对交通拥堵问题本款电动跑步车的设计，在传统电动车基础上，安装前后行驶轮，整合动力传输方式，将电动跑步机改进为代步工具，增加交通功能。改良出一款用于社区范围内的健身交通器械，使用者以不同的速度在跑步车上跑步，随时根据自身的身体状况调节训练强度；而且还可以启动助力模式，在行驶轮的带动下，将跑步车作为代步工具，跑步车在健身者运动时能显示出跑步时的速度、时间、心率、热量、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强度。

1 总体方案设计

电动跑步车的功能包括跑步健身和行使代步。电动跑步车是由车体架、电机、跑步带、滚轴、车轮等主要部分构成。此设备通过跑步带循环转动形成运动的跑道，跑道运动时的速度同使用者跑步的速度相一致，运动的方向相反，从而使用者能在跑步带上进行持续的跑步锻炼。跑步带以后车轮作为动力轮，由调速电机提供动力，通过链条和链轮传动驱动车辆前进,跑步机整体三维图见图1。

图1 跑步机整体三维图

作为通用健康器材产品的跑步车，它的驱动电机必须能让不同体重的使用者正常使用。驱动电机的低档位运转速度必须提供较大转矩，满足减肥者身体肥胖，跑不快的动力需求。相反，对想要健身的人群，他们跑步快但重量轻，驱动电机的高档位运转速度提供的转矩需求较小。所以电机的速度调节要求范围较广，要求低速转矩较大。

此跑步车设计标准为受重110kg，功率1.5HP。拟定跑步车滚轴直径为60mm，所以最大转矩：

Tmax=F×L=16.17N·m

2 传动系统设计

电机的传动系统所需的是固定传动比的匀速转动机构，适合选择带传动。带传动是具有挠性件的传动方式，可以缓解冲击载荷，保持运行平稳，无噪音，超载的情况可能发生与轴传动带打滑现象，防止损坏其他部件，额外的保护功能，并且带传动中间结构简单，成本低廉，应用范围广。

根据跑步车传动系统的要求，选择质量轻，结构工艺好的多楔带带轴；为了减少带的磨损，带轴的轮槽工作面必须经过精细加工；每载荷的大小和角度，必须保持较高的精度，可以使应力分布更为均匀。

蛇形带主要与参考轴的直径有关，先根据其结构形式选择，然后根据其模型和轮缘槽宽度、根的数量和尺寸而确定。然后选择D=33.5mm小轴L12LK33.5固体型、规范。大皮带轴选择D=71mm Web型，L12LK71规范。

作为整台机器的支撑框架，专业的机械结构，能为跑步车提供坚实可靠的性能支撑，稳定强效的运转保障。

跑步机前车架和跑步架见图2。

图2 前车架和跑步架图

为了保障系统的有效性，跑步前架采用焊接结构。台架从工作到设计是整个系统的基础，以及基准。首先，分析框架和工作到货架的设计，风格，尺寸，结构的确定等。在常规跑步机的基础上进行改进，尺寸数据：450mm宽×1300mm长的跑带面积，为了保证足够的交通面积大小的基地，然后参考电机皮带传动，传动机构的中心之间的距离的位置，电机安装前和安装后辊、位置等。

台架和工作到地图的运行表明整个前机架框和最有可能的地方前进和运行时刻的现象在架在中央。台架和工作到他身边60kg承受荷载的计算，因为有一定的冲击力，取跑步时脚相对于跑步架8m/s,与跑步架接触0.3s计算，计算过程如下，许用应力[σ]=60MPa。

所以

弯矩

M=F2×500=451300N·mm

弯矩应力

所以可用。

由图3前车架和跑步架图可知，整个前车架和跑步架最有可能出现断裂的地方在下前车架和跑步架的尾部。

图3 前车架和跑步架受力图

所以可用。

车轮和电机所采用传动方式，即，通过电机齿轮将动力传至主动链轮，主动链轮通过链条将动力传至从动链轮，从动链轮将动力传至主动轮。原理图如图4。

A：主动链轮，B：从动链轮，C：主动轮，D：链条

图4 链轮传动原理图

轴在交变应力作用下工作，材料要求刚度、强度、加工性能好，抗疲劳性能高。

轴的材料主要采用中间45#钢或合金钢40Cr。

这是常用的45#钢(碳含量0.45%)，具有较高的综合力学性能。

本设计采用45#钢。

(1)计算轴上功率P1、运转速度η1和转矩T

查手册得，多楔带的传动效率η为0.98。则

P1=Pη=1097.6W

(2)计算作用在大带轴上的力

大带轴的直径de2=71mm

作用在大带轴上的力：

Fa=Fttanβ=0N

作用在轴上是力：轴固定，所以

Fa1=0N

(3)拟定轴的最小直径

拟定轴的最小直径。按无特殊要求，选择轴的材料为45钢，查按转矩计算轴时的τp和C值表，取C=110，于是得

因为自从工作时，轴承受的扭矩，而不只是在应用型的，所以，必须采取T= 0。因为是固定的心轴的影响，考虑启动、停止等。结果，点轴截面的应力可以被看作是循环应力。所以：固定心轴必须容许应力[σ]=102MPa

弯矩M=Fr×250=16.6N·m

抗弯截面系数

弯矩应力

所以可用，则通过设计能承受足够的工作强度。

前滚轴即主动滚轴的外圆全跳动要小于0.33mm，后滚轴也就是从动滚轴的外圆全跳动要小于0.25mm。滚轴均采用5.0mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下。具有防静电防腐处理外部辊辊，后处理，前后滚轴的外形如图5、图6所示。

图5 前滚轴图

图6 后滚轴图

速度控制系统是电动自行车的电动自行车控制器的核心，它不仅能完成外部信号的处理，还有无刷直流电机的驱动信号，控制策略，更重要的是，完成整个系统的控制。速度控制系统，包括：用于检测电源电路、MOSFET驱动电路、电压、电流、速度和位置检测电路和保护电路、制动器、声光报警、转速显示电路。36伏特的电压，电源控制器、电池、模块、电源模块的直流-直流变换，分别获得第15伏和5伏直流电源模块分别与声光报警，单片机的MOSFET的驱动程序。根据电路的控制器的输出速度传感器的信号，相应的PWM方波信号的脉冲宽度的大小，将塑料驱动波形信号转换成直流信号放大控制，电机的驱动程序。控制器根据速度调整电压，调整电压以模拟电压以控制马达的速度。ATmega88接收信号由电机和Holzer位置传感器解码，因此，实现电子整流电机来改变相位序列。电阻负载电流采样检测。当电流的流量过大时，保护芯片发出指令，以避免控制器和机械损伤。