基于UG的多功能跑步機結構設計*

王智森 ， 倪惠發

（景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333000）

0 引言

跑步是一項既科學又高效的健身運動方式，一直在醫學和體育界受到極高的認可。跑步一定程度上使人的各項身體器官功能改善，是鍛煉身體及防范疾病的重要手段之一[1]。隨著生活節奏加快且戶外跑步受環境等因素約束，跑步機成為目前熱門的健身器材[2]。跑步機能夠實時監測用戶運動過程中的身體狀況，用戶通過反饋數據能夠實時調節運動強度。

近年來，健身器械行業具有非常廣闊的發展空間，從購買人群來看，器材質量和用戶體驗是影響消費者購買的主要原因，其中2015—2020年占市場銷售份額最多的是跑步機[3]。國外跑步機發展較早，功能多樣、專用性較強，但存在價格昂貴、占用空間大、不易操作、用戶受眾面窄等問題；國內傳統機械跑步機起步較晚，同時存在資金投入不足、功能單一等問題。從用戶角度來看，跑步機實用性應具備價格實惠、輕巧時尚、方便操作等要求。據統計，在道路上跑步1 000 m，雙腳撞擊地面1 000次左右，腳腕和膝蓋受到振動，肌肉容易扭傷[4]。因此，設計一款減震、助力、多功能的跑步機顯得尤為必要。

1 跑步機整體結構設計

1.1 傳動模塊設計

跑步機承載重量是人體重的1~3倍，因此傳動模塊設計中電機選型至關重要，保證跑步機在不同狀態下均能正常運轉。1個馬力的承載重量約為60 kg，跑步機承載重量與跑步帶的面積有關，在一定范圍內，跑步帶面積越大所需馬力就越大。一般來說，家用跑步機馬力約為1.5，如果家庭中有肥胖患者，則需選擇2.0馬力以上的跑步機，本課題組設計的多功能跑步機電機參數如表1所示。

表1 多功能跑步機電機參數

由于帶傳動具備結構簡單、設計成本較低、運行平穩且安全性能高等特點，選用帶傳動類型為多楔帶傳動，適用于家用跑步機場合。傳動模塊中多楔帶、帶輪、傳動軸結構設計步驟分為10個：確定計算功率Pd；初定帶輪基準直徑de；驗算帶速ν；初定中心距a0；確定帶基準長度Le；計算實際中心距a；驗算小帶輪包角α1；計算各楔塊傳輸額定功率pi及增量ΔPi；計算帶的楔數Z；帶傳動的有效圓周力Fr。帶傳動計算功率公式為：

式中，KA為工作條件系數[5]，如表2所示，根據載荷性質及工作時間的要求，選用KA為1.2，則Pd為2.4 kW。在驗算帶速滿足5 m/s~25 m/s的前提下初定小帶輪傳動軸最小直徑dmin為24 mm。中心距對帶傳動的影響：a0增大使輪廓尺寸增大，傳動帶因負載變化而引起顫振導致脫落；a0減小使傳動帶長度減小，單位時間內應力循環次數多，疲勞損傷快，如果傳動比i過大，包角減小。初始中心距經驗公式為：

表2 帶傳動工作條件系數

根據初定的大、小帶輪基準直徑 、 代入上式，取整確定a0為145 mm。傳動帶基準長度計算公式為：

將初始中心距a0代入上式，取整確定Le為430 mm。將中心距調整量考慮進去，確定實際中心距a為150 mm，并驗算小帶輪包角α1滿足正常要求，最終計算帶的楔數Z為12。根據上述結構設計尺寸值，通過UG軟件完成傳動軸、帶輪、多楔帶的三維建模。

1.2 骨架模塊設計

跑步機跑步帶及滾筒的結構尺寸設計以跑步機骨架模塊結構設計為基礎，因此跑步機整體結構設計的第一步應該是外部框架的設計。在本次設計的前期，對市場上評價較好的跑步機產品進行了調研，為多功能跑步機的外部框架結構設計提供參考。通過借鑒市場上已有的不同型號跑步機產品，減少結構設計的不合理因素，根據人體工程學優化跑步機外部框架的細節尺寸。跑步機外部框架尺寸為1.3 m×0.45 m，能夠滿足不同體型用戶的需求，通過UG軟件完成外部框架的結構設計，如圖1所示。

圖1 跑步機外部框架

跑步機的支架設計采取了可拆卸式的設計方法，如圖2所示，便于跑步機搬運、拆卸及安裝，提高用戶使用體驗。跑步機的支架采用了空心鋼管，空心鋼管之間通過焊接方式進行連接。在跑步機的支架結構設計基礎上增加了用戶實用的輔助支架，使跑步機的功能更加完善，例如提供俯臥撐、按摩等功能。輔助支架通過螺絲來和支架進行連接，一方面，可以方便輔助支架的安裝，另一方面，不需要輔助功能情況下便于輔助支架的拆卸。

1.3 減震模塊設計

跑步機的減震功能采取有彈性作用的橡膠墊把底座框架墊與跑步機的跑臺分隔開，跑臺成為浮懸狀態，產生吸震效果而達到避震作用。跑步帶和水泥地面之間的最大區別是水泥地面對損傷膝蓋等部位沖擊力大，跑步過程中為了避免膝蓋等部位受到損傷，需要配合合適的跑步鞋進行健身。

跑步帶主要包括耐磨層和軟體層，材料由PVC橡膠、聚酯絲網及經緯紗3層結合而成，起到增加摩擦力、消除靜電及防止跑步帶變形的作用。跑步帶使用高分子軟體層，高分子軟體層與耐磨層緊密相粘連，其中軟體層包含很多緩沖孔，當人的腳部與跑步帶發生擠壓時，緩沖孔緩沖效果顯著。

2 跑步機多功能設計

2.1 瘦腰功能設計

在本課題組設計前期，通過對國內外市場上多種型號家用多功能跑步機的功能及用戶滿意度進行抽樣調查，抽取100個樣本分析得出某型號多功能跑步機功能豐富且智能化程度相對較高，但占地面積大、價格昂貴及操作難度高，不適用于家庭消費者群體使用。市場上的跑步機大多數是僅限于對臂力和腿部肌肉的鍛煉與提升，缺少身體其他部位的練習。以某型跑步機為研究對象，結合抽樣調查結果，反饋用戶體驗需求，設計了鍛煉腿部、腳踝關節、腰部、手臂等健身娛樂功能為一體的跑步機，讓用戶真正認識到跑步機多功能設計帶來的優勢，為促進多功能跑步機在國內外市場銷售份額的提高奠定基礎。消費者可以在滿足自身使用要求基礎上花最少的成本體驗多樣的功能，如圖3所示，合理地利用扭腰盤功能可以促進老年人心血管疾病的恢復，加強血液循環，提高自身免疫力。

圖3 扭腰盤底座

2.2 俯臥撐功能設計

傳統跑步機的跑步臺兩側沒有設計多余的功能。本課題組利用兩側的鋼架結構，設計出俯臥撐支架，固定在跑步臺底座兩側支架上，結構緊湊且方便操作。支撐架的手握部分設計安裝海綿類的材料，減少對手部的摩擦及沖擊，對手部起到保護作用。俯臥撐功能對人體的好處有：一方面，改善心血管循環以及中樞神經系統，有利于骨骼的發育與關節的靈活；另一方面，改善人體生理機能，增強個人體質以及肺活量，提高手臂和腹肌力量。

2.3 仰臥起坐功能設計

為了合理利用跑步機支架結構部分的空間，減少健身空間的占用，本課題組通過UG軟件設計出一個實現仰臥起坐功能的簡易結構，既方便安裝又方便拆卸，且符合用戶使用習慣。仰臥起坐功能模塊整體設計是在跑步機跑步臺支架處焊接4根鋼管，其中兩根鋼管之間的距離適合小腿及腳踝之間的寬度，且4根鋼管外部包有海綿體結構，保護腳關節不受損傷。用戶可以平躺在跑步臺上，兩腳夾住海綿體結構部位，根據個人喜好進行仰臥起坐運動。

通過UG軟件設計的多功能跑步機三維模型如圖4所示，針對健身用戶不同的愛好和需求，設計出一款集成型儀表盤，主要由顯示面板和控制按鈕等組成。其中功能較豐富的顯示面板主要顯示跑步者預先設定的跑步距離、跑步用時、跑步配速、卡路里消耗、心率以及系統工作狀況等；控制按鈕主要根據健身用戶自身體驗需求來調節速度、坡度以及跑步模式、緊急開關等功能。其中速度、坡度的調節用于跑步者預先設定的跑步帶速度以及跑步機跑步臺坡度。跑步模式可以根據使用者自身情況合理選擇相應的模式，例如平地跑、爬坡及慢跑等。

圖4 多功能跑步機三維模型

3 結論

本課題組以某型跑步機為研究對象，從零件結構和材料角度分析，基于UG三維軟件進行多功能結構設計。相較于傳統機械跑步機，多動能跑步機空間利用率高，減震效果好，能夠保護用戶腿部韌帶、膝部、踝關節等部位，滿足健身產品人性化設計。該款跑步機涵蓋跑步、瘦腰、俯臥撐及仰臥起坐4個健身項目，有助于關節損傷患者進行康復性訓練，在功能性和舒適度方面均有顯著改進和提升。