1、目 錄摘要：21引言21.1自發電跑步機的簡介21.2關于pro/e的簡介31.3關于protel99se的介紹32自發電跑步機的基本結構42.1自發電跑步機的外形設計42.2跑步機傳動結構的設計93自發電系統的設計103.1可移式聯軸器的選擇123.2發電機的基本原理133.3逆變器的基本原理144跑步機的日常使用145展望與總結15參考文獻：16謝辭18自發電跑步機的研制 摘要：跑步機是家庭及健身房常備的健身器材，鍛煉時不受天氣影響，更安全，深受廣大健身愛好者的歡迎。而當今社會的口號是環保，低碳。所以自發電跑步機應運而生。它避免了普通跑步機受地方空間及電源的限制。而當前我國能源的緊缺，也加

2、快了自發電跑步機的發展。自發電跑步機不僅使人鍛煉了身體，還是人的消耗的體能轉化為電能，因此自發電跑步機具有“健身強身，儲能節能，綠色環?！钡榷嘀毓δ?。隨著健身家庭和全民健身的普及，具有巨大的市場前景、可觀的經濟效益和社會效益。關鍵詞：自發電；跑步機；節能環保1引言當今社會隨著經濟和科技的不斷發展，人們的生活水平得到了很大提高。因此人們對身體健康的重視程度也在不斷的加強，而在體育鍛煉方面的消費相應的也在飛速的提高。近年來在我國，作為健身活動中主要使用的器材跑步機的產量每年都以超過 25%的速度在增長。但隨著社會的發展，我國對能源的需求也在不斷的增加，用電需求量每年也是在大幅度的攀升。而用于發電的

3、自然資源絕大部分是不可再生的，人類在發展經濟的同時，對自然資源的肆意開發和對環境的無償利用，已經造成了生態破壞、資源短缺、環境污染等重大問題。我國傳統能源資源十分有限，世界能源供應市場危機不斷，因而不允許我國長期的高能消費。1.1自發電跑步機的簡介自發電跑步機是在跑步機的基礎上加上發電機，蓄電池，充電器等。使人們在鍛煉身體的同時能節約電能。在健身器材上安裝自發電裝置后，讓人們在健身活動中不僅鍛煉了身體又將消耗的體能轉換并儲存為電能，再次加以利用。它不耗煤、石油、天然氣等傳統能源，充分挖掘利用源自人們健身運動時產生的由人體肌能轉化來的可再生的自然人力資源，具有“健身強身、儲能節能、綠色環保”等多

4、重功能。隨著健身家庭和全民健身的普及，具有巨大的市場前景、可觀的經濟效益和社會效益。1.2關于pro/e的簡介pro/engineer操作軟件是美國參數技術公司（ptc)旗下的cad/cam/cae一體化的三維軟件。pro/engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，pro/engineer作為當今世界機械cad/cae/cam領域的新標準而得到業界的認可和推廣。是現今主流的cad/cam/cae軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。pro/e采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證

5、用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。pro/e是基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。1.3關于protel99se的介紹protel99se是應用于windows9x/2000/nt操作系統下的eda設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯網設計，具有很強的數據交換能力和開放性及3d模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層

6、。按照系統功能來劃分，protel99se主要包含以下倆大部分和6個功能模塊。本文則利用該軟件設計了逆變器的部分。1.3.1電路工程設計部分 (1)電路原理設計部分：電路原理圖設計部分包括電路圖編輯器簡稱sch編輯器）、電路圖零件庫編輯器和各種文本編輯器。本系統的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關電路圖和零件庫的各種報表。 （2）印刷電路板設計系統：印刷電路板設計系統包括印刷電路板編輯器、零件封裝編輯器和電路板組件管理器。本系統的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。 （3）自動布線系統：本系統包含一個基于形狀的無柵

7、格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現pcb設計的自動化。 1.3.2電路仿真與pld設計部分（1）電路模擬仿真系統：電路模擬仿真系統包含一個數字/模擬信號仿真器，可提供連續的數字信號和模擬信號，以便對電路原理圖進行信號模擬仿真，從而驗證其正確性和可行性。 （2）可編程邏輯設計系統：可編程邏輯設計系統包含一個有語法功能的文本編輯器和一個波形編輯器。本系統的主要功能是；對邏輯電路進行分析、綜合；觀察信號的波形。利用pld系統可以最大限度的精簡邏輯部件，使數字電路設計達到最簡化。 （3）高級信號完整性分析系統：信號完整性分析系統提供了一個精確的信號完整性模擬器，可用來分析pcb設計、檢查電

8、路設計參數、實驗超調量、阻抗和信號諧波要求等。2自發電跑步機的基本結構2.1自發電跑步機的外形設計2.1.1支架的設計支架在跑步機中起到支撐其他部件的作用，跑步機展開時，支撐著踏板的前端和扶手部分，跑步機折疊起來時，就支撐著整個跑步機。 圖1 跑步機底座跑步機的支架一般分成底部支架和上部支架兩部分，通過插拔的形式安裝和拆卸，目的是包裝時節省空間，材料采用空心鋼管，連接為焊接，保證穩定性。底部支架與地面接觸，為了實現二級緩沖，通常會在其上按有橡膠墊；上部支架是兩條斜安裝的管，支架還包括扶手，儀表安裝，輔助支架等。圖2前支架和面板2.1.2基架的設計基架的設計是整個跑步機穩定的保證，全部采用鑲嵌式

9、固定。支架，滾筒以及前罩等等，都要靠基架來維持平衡。通過調研，看現有市場上的跑步機的基架結構的流行設計，在此我基礎上進行自己產品的開發，緊跟市場，在尺寸的確定方面參考了人體運動工學推算1000mm寬x1500mm長跑步帶面積，以此保證給人以足夠的運動面積，為主要數據展開對基架的設計，再考慮電機的尺寸，傳動機構帶傳動的中心距離，電機的安裝，前后滾筒的位置，pwm調速電源的安裝位置，以及傳感器安 裝位置的預留等等，設計了下圖的基架，在設計中特意將兩邊框設計了足夠的寬度，以此為鍛煉過程中短暫的休息提供兩腳踩放的位置，另外也為萬一跑步機失靈發生意外，人可快速兩腳分開脫離旋轉的跑帶，提供足夠的安全踩放位

10、置。圖3跑步機基架2.1.3軸的設計滾筒軸屬于固定心軸，軸的毛坯一般用圓鋼或鍛件。軸的結構設計就是使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。其主要要求是：1）軸應便于加工，軸上零件要易于裝拆； 2）軸和軸上零件要有準確的工作位置；3）各零件要牢固而可靠地相對固定；4）改善受力狀況，減小應力集中和提高疲勞強度。軸常在交變應力的作用下工作，其材料的要求是：強度高、剛度好、應力集中的敏感度小，抗疲勞，加工性能好，有的軸表面要求也較高。軸的材料主要采用中碳鋼35或45鋼和合金鋼20cr或40cr等。最常用的是45#鋼，它具有較高的綜合機械性能。此設計采用45#鋼。 圖4軸的設計2.1.4滾筒的設計主動滾筒的外

11、圓全跳動小于0.33mm，從動滾筒的外圓全跳動小于0.25mm。滾筒均采用2.1mm壁厚的優質鋼管，光潔度達到0.8以下。滾筒均有防靜電處理。滾筒外部經防銹處理。圖5滾筒2.1.5跑步帶的設計跑帶要求雙層粘合跑帶，具有高傳導性，跑步帶國際防滑型，運動時安全可靠。跑步帶，其實就是提供一個跑步的面積，所以絕對要在乎跑步帶面積的大小，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，更容易跌倒。根據人體運動工學推算，100cm寬x150cm長，應是一個合宜的參考面積，然后再依個人的實際條件做增減。有不少生產加碼跑步機，跑臺加寬，左右踏條增大，以營造物超所值得虛胖假象，但最重要的跑步帶

12、面積并沒增加；所以焦點要放在跑步帶面積上。理論上來說，在相同的馬力條件下，如果跑步機所能提供的跑步帶面積越大，且整臺實際的占地面積越小，應是較佳的設計。圖6跑步帶2.1.6跑步機的整體結構圖7跑步機整體裝配圖2.2跑步機傳動結構的設計初始條件：電動機的選擇專門為跑步機生產的永磁直流電動機，傳動功率p=2.2kw，主動輪轉速為n1=3000r/min 傳動比定為i= 1.07由于普通v帶適于家用電動跑步機這種功率，所以擇之。2.2.1確定設計功率pcpckap （1）ka工作情況系數，根據跑步機使用的特性，選擇每天工作時間10小時，載荷變動小。ka=1.1 故 pc= ka p=1.1*2.2=

13、2.42 kw2.2.2確定v帶型號對于普通v帶的型號可根據設計功率pc=2.42 kw和小帶輪轉速n1=3000r/min選取,選z型普通v帶。2.2.3確定帶輪直徑d1d2小帶輪基準直徑：d1由d1 應不小于50，現取d1 =71mm大帶輪基準直徑: d2 d2 =id1 （1-）=1.07*71*(1-0.02)=74.575mm故d2 =75mm（雖使d2 略小，但其誤差小于5%，故允許）2.2.4v帶基準長度l0和a0中心距的大小對帶傳動的影響：增大結構越大由于載荷變化引起帶的顫動掉帶 a減小帶的長度越小在一定速度下，單位時間內帶的應力變化次數n愈多，會加速帶的疲勞損壞；當傳動比i較

14、大時，包角越小 對于v帶傳動，初步選取中心距a0=1.5（d1 + d2 ）=1.5（71+75）mm=219取a0 =200，符合0.7（d1 + d2 ）2（d1 + d2 ）確定帶的有效長度ld l0=2a0+/2（d1d2）+(d2-d1)2/4a0=2*200+229.22+0.02=629.24mm得，對z型帶選用ld =630mm2.2.5v帶根數z= pc /(po+po)kkl （2）今n1=3000r/min,d1=71mm,得po=0.5kw所以 po=0.04由1 =178得k =1， kl=0.96，由此可得z=2.42/(0.5+0.04)*1*0.96=1.25

15、，故取2根2.2.6作用在帶輪軸上的壓力fq由q=0.06kg/m,故得單根v帶的初拉力fo=500 pc /zv *(2.5/k-1)+qv2=90n作用在軸上的壓力fq=2z fosin/2=2*2*90*sin178/2=360n2.2.7普通v帶輪的結構選擇和尺寸設計要求質量小和分布均勻，結構工藝性好，無過大的鑄造內應力，轉速高時要經過動平衡 ，輪槽工作面要精細加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。材料帶輪常用鑄鐵制造，有時也采用鋼或非金屬材料（塑料、木材）。鑄鐵帶輪（ht150、ht200）允許的最大圓周速度為25m/s。速度更高時，可采用鑄

16、鐵鋼或鋼板沖壓后焊接。塑料帶輪的重量輕、摩擦系數大，常用于機床中。帶輪直徑較小時可采用實心式；中等直徑的帶輪可采用腹板式；直接大于350mm時可采用輪輻式。帶輪的結構設計主要是根據帶輪的基準直徑選擇結構形式，并根據帶的型號及根數確定輪緣寬度，根據帶的型號確定輪槽尺寸則小帶輪和大帶輪都是用d1=71，d2=75選取實心式。3自發電系統的設計該跑步機自發電系統是跑步機的前軸與發電機的主軸相連，前期由電源帶動，等到正常運轉后，關閉電源使跑步機通過發電機所發的電帶動跑步機的電動機正常運轉，而發電機的部分運用行星齒輪結構實現變速。發電機與跑步機的前軸用聯軸器進行連接實現機械能到電能的轉換。然后再由發電機

17、與跑步機的電機相連，實現電能到機械能的轉換。目前市場上轉動類型的健身器材主要有跑步機。人在跑步機上跑步時速度一般為 2m/s。根據市場調查跑步機，可以計算出行星齒輪減速傳動機構的傳動比，如表所示。后文設計了一套用于輸出軸徑為 20mm 類型的跑步機上的發電裝置。表1跑步機的一些基本參數輸出軸徑（mm）輸出轉速（r/min）發電機額定轉速(r/min)傳動比ip跑步機2019204004.83012803.2409602.4.自發電跑步機的基本工作原理是跑步機先由電動機帶動，等到正常運轉后，啟動自發電裝置。由于慣性的作用，只要人在跑步機上跑步，就會帶動發電機進行發電，然后通過充電器的整流，然后對

18、蓄電池充電，使電能轉化為電池的化學能，然后用有保護電路的逆變電源，把電池里的化學能轉化為交流220v市電，保證正常使用。圖8自發電跑步機的基本工作原理3.1可移式聯軸器的選擇為了使跑步機前軸和發電機的主軸能緊密連接而不出現滑動或相對移動，使用新型聯軸器。該聯軸器由三個零件組成，兩端的兩個零件留有軸孔和鍵槽，用于插入輸入輸出軸；中間的零件用于兩端零件的連接。而在裝配時兩個卡口處采用間隙配合，這樣就可以使該聯軸器具有一定的補償兩軸間的相對位移的功能。這種聯軸器結構簡單，制造加工簡單，成本低，不僅可以少量的補償兩軸相對位移，而且由于該聯軸器并沒有任何緊固件，所以使儲能裝置的拆卸變得十分簡便，易于實現

19、儲能裝置的通用性，可拆卸性。圖9可移式聯軸器的選擇3.2發電機的基本原理圖10 發電機的定子和外殼發電機的工作原理如下：發電機通常由定子、轉子、端蓋、電刷、機座及軸承等部件構成。定子由機座、定子鐵芯、線包繞組、以及固定這些部分的其他結構件組成。圖11發電機的轉子轉子由轉子鐵芯、轉子磁極、滑環、風扇及轉軸等部件組成。通過軸承、機座及端蓋將發電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，通過滑環通入一定勵磁電流，使轉子成為一個旋轉磁場，定子線圈做切割磁力線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流。本文中是跑步機在正常工作運轉后，啟動自發電系統。跑步機的前軸通過聯軸

20、器與發電機的轉軸相連接，從而帶動轉子磁極，繞線包繞組轉動，切割磁感線，達到發電的目的。發電后，通過導線，充電器，蓄電池，逆變器，最終形成回路，產生電流。3.3逆變器的基本原理逆變器（inverter）是把直流電能轉變成交流電。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于各種家電。逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉變成交流電能的變流裝置，是發電設備中一個重要部件。圖12逆變器的原理圖4跑步機的日常使用1在確認安裝好跑步機后，才能通電源。2 將電源線插頭插入帶有安全接地的電源插座中，電動跑步機的電源線是專用的，若電源線發生損壞，請盡快與廠家聯系。3 跑步機為室內健身器材，請勿室外使用，若陽臺使用

21、，務必防雨防暴曬。擺放場所要干凈平整，注意防潮，注意勿將跑步機放置厚地毯一類物品上，以免影響跑步機底遮板空氣流通。4 鍛煉時不能穿太長，太寬松的衣服，以免衣服掛到跑步機上造成安全事故。建議穿有膠底的跑步鞋或健身鞋鍛煉。5展望與總結自發電跑步機是在普通電動跑步機的基礎上的一次技術性變革。它在普通電動跑步機的基礎上加上發電機，蓄電池，充電器等。使人們在鍛煉身體的同時，能節約電能，而且響應了國家關于低碳，環保，綠色等理念。而且在跑步機上加上發電裝置后，讓人們在日常生活中不僅鍛煉了身體，同時將身體消耗的能量通過發電設備轉化為儲存在蓄電池里的化學能，再通過導線形成閉合回路，釋放電能，可以再次加以利用。它

22、不耗煤，石油，天然氣等傳統化石能源，充分挖掘利用人們健身運動時產生的由人體機能轉化來的可再生的自然人力資源，具有“健身強身，儲能節能，綠色環保”等多重功能。隨著健身家庭和全民健身的普及，它將有巨大的市場前景和可觀的經濟效益及社會效益。 該自發電跑步機雖然在技術上比較新，但畢竟新事物有其兩面性。與傳統跑步機相比，制作成本肯定要高。很多家庭在考慮到性價比的基礎上，可能不會選擇該跑步機。而且自發電跑步機在普通跑步機的基礎上加了發電機，用戶們可能會擔心有沒有可能漏電的問題。參考文獻：1孫桓，陳作模。機械原理m.北京：高等教育出版社，2001.62曹惟慶，徐曾蔭.機構設計m.北京：機械工業出版社，199

23、3.10 3錢壽銓，白喜林.機械設計基礎m.北京：機械工業出版社，1993.5 4饒振綱.行星齒輪傳動設計m.北京：化學工業出版社，2003.95 鄒慧君主編.機械原理課程設計手冊.高等教育出版社，19986 趙松年主編.現代機械創新產品分析與設計，20007 楊家軍主編.機械系統創新設計.華中理工大學出版社，20008楊可楨，程光蘊.機械設計基礎m.北京：高等教育出版社，1997.9機械設計手冊編委會.機械設計手冊聯軸器、離合器與制動器m.北京：機械工業出版社，2007.610饒振綱.行星傳動機構設計m.北京：國防工業出版社，1980.9development of spontaneous

24、electric treadmill abstract: the treadmill is very popular whether in gym or at home. exercise is not affected by the weather and much more safe with it. and a lot of people like it. nowadays the slogan is green city, low carbon .so the spontaneous electric treadmill emerge is coming. it avoids the common treadmill by local space and power restriction. chinas energy shortage , an