王智森 ， 倪惠发

（景德镇学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333000）

0 引言

跑步是一项既科学又高效的健身运动方式，一直在医学和体育界受到极高的认可。跑步一定程度上使人的各项身体器官功能改善，是锻炼身体及防范疾病的重要手段之一[1]。随着生活节奏加快且户外跑步受环境等因素约束，跑步机成为目前热门的健身器材[2]。跑步机能够实时监测用户运动过程中的身体状况，用户通过反馈数据能够实时调节运动强度。

近年来，健身器械行业具有非常广阔的发展空间，从购买人群来看，器材质量和用户体验是影响消费者购买的主要原因，其中2015—2020年占市场销售份额最多的是跑步机[3]。国外跑步机发展较早，功能多样、专用性较强，但存在价格昂贵、占用空间大、不易操作、用户受众面窄等问题；国内传统机械跑步机起步较晚，同时存在资金投入不足、功能单一等问题。从用户角度来看，跑步机实用性应具备价格实惠、轻巧时尚、方便操作等要求。据统计，在道路上跑步1 000 m，双脚撞击地面1 000次左右，脚腕和膝盖受到振动，肌肉容易扭伤[4]。因此，设计一款减震、助力、多功能的跑步机显得尤为必要。

1 跑步机整体结构设计

1.1 传动模块设计

跑步机承载重量是人体重的1~3倍，因此传动模块设计中电机选型至关重要，保证跑步机在不同状态下均能正常运转。1个马力的承载重量约为60 kg，跑步机承载重量与跑步带的面积有关，在一定范围内，跑步带面积越大所需马力就越大。一般来说，家用跑步机马力约为1.5，如果家庭中有肥胖患者，则需选择2.0马力以上的跑步机，本课题组设计的多功能跑步机电机参数如表1所示。

表1 多功能跑步机电机参数

由于带传动具备结构简单、设计成本较低、运行平稳且安全性能高等特点，选用带传动类型为多楔带传动，适用于家用跑步机场合。传动模块中多楔带、带轮、传动轴结构设计步骤分为10个：确定计算功率Pd；初定带轮基准直径de；验算带速ν；初定中心距a0；确定带基准长度Le；计算实际中心距a；验算小带轮包角α1；计算各楔块传输额定功率pi及增量ΔPi；计算带的楔数Z；带传动的有效圆周力Fr。带传动计算功率公式为：

式中，KA为工作条件系数[5]，如表2所示，根据载荷性质及工作时间的要求，选用KA为1.2，则Pd为2.4 kW。在验算带速满足5 m/s~25 m/s的前提下初定小带轮传动轴最小直径dmin为24 mm。中心距对带传动的影响：a0增大使轮廓尺寸增大，传动带因负载变化而引起颤振导致脱落；a0减小使传动带长度减小，单位时间内应力循环次数多，疲劳损伤快，如果传动比i过大，包角减小。初始中心距经验公式为：

表2 带传动工作条件系数

根据初定的大、小带轮基准直径 、 代入上式，取整确定a0为145 mm。传动带基准长度计算公式为：

将初始中心距a0代入上式，取整确定Le为430 mm。将中心距调整量考虑进去，确定实际中心距a为150 mm，并验算小带轮包角α1满足正常要求，最终计算带的楔数Z为12。根据上述结构设计尺寸值，通过UG软件完成传动轴、带轮、多楔带的三维建模。

1.2 骨架模块设计

跑步机跑步带及滚筒的结构尺寸设计以跑步机骨架模块结构设计为基础，因此跑步机整体结构设计的第一步应该是外部框架的设计。在本次设计的前期，对市场上评价较好的跑步机产品进行了调研，为多功能跑步机的外部框架结构设计提供参考。通过借鉴市场上已有的不同型号跑步机产品，减少结构设计的不合理因素，根据人体工程学优化跑步机外部框架的细节尺寸。跑步机外部框架尺寸为1.3 m×0.45 m，能够满足不同体型用户的需求，通过UG软件完成外部框架的结构设计，如图1所示。

图1 跑步机外部框架

跑步机的支架设计采取了可拆卸式的设计方法，如图2所示，便于跑步机搬运、拆卸及安装，提高用户使用体验。跑步机的支架采用了空心钢管，空心钢管之间通过焊接方式进行连接。在跑步机的支架结构设计基础上增加了用户实用的辅助支架，使跑步机的功能更加完善，例如提供俯卧撑、按摩等功能。辅助支架通过螺丝来和支架进行连接，一方面，可以方便辅助支架的安装，另一方面，不需要辅助功能情况下便于辅助支架的拆卸。

1.3 减震模块设计

跑步机的减震功能采取有弹性作用的橡胶垫把底座框架垫与跑步机的跑台分隔开，跑台成为浮悬状态，产生吸震效果而达到避震作用。跑步带和水泥地面之间的最大区别是水泥地面对损伤膝盖等部位冲击力大，跑步过程中为了避免膝盖等部位受到损伤，需要配合合适的跑步鞋进行健身。

跑步带主要包括耐磨层和软体层，材料由PVC橡胶、聚酯丝网及经纬纱3层结合而成，起到增加摩擦力、消除静电及防止跑步带变形的作用。跑步带使用高分子软体层，高分子软体层与耐磨层紧密相粘连，其中软体层包含很多缓冲孔，当人的脚部与跑步带发生挤压时，缓冲孔缓冲效果显著。

2 跑步机多功能设计

2.1 瘦腰功能设计

在本课题组设计前期，通过对国内外市场上多种型号家用多功能跑步机的功能及用户满意度进行抽样调查，抽取100个样本分析得出某型号多功能跑步机功能丰富且智能化程度相对较高，但占地面积大、价格昂贵及操作难度高，不适用于家庭消费者群体使用。市场上的跑步机大多数是仅限于对臂力和腿部肌肉的锻炼与提升，缺少身体其他部位的练习。以某型跑步机为研究对象，结合抽样调查结果，反馈用户体验需求，设计了锻炼腿部、脚踝关节、腰部、手臂等健身娱乐功能为一体的跑步机，让用户真正认识到跑步机多功能设计带来的优势，为促进多功能跑步机在国内外市场销售份额的提高奠定基础。消费者可以在满足自身使用要求基础上花最少的成本体验多样的功能，如图3所示，合理地利用扭腰盘功能可以促进老年人心血管疾病的恢复，加强血液循环，提高自身免疫力。

图3 扭腰盘底座

2.2 俯卧撑功能设计

传统跑步机的跑步台两侧没有设计多余的功能。本课题组利用两侧的钢架结构，设计出俯卧撑支架，固定在跑步台底座两侧支架上，结构紧凑且方便操作。支撑架的手握部分设计安装海绵类的材料，减少对手部的摩擦及冲击，对手部起到保护作用。俯卧撑功能对人体的好处有：一方面，改善心血管循环以及中枢神经系统，有利于骨骼的发育与关节的灵活；另一方面，改善人体生理机能，增强个人体质以及肺活量，提高手臂和腹肌力量。

2.3 仰卧起坐功能设计

为了合理利用跑步机支架结构部分的空间，减少健身空间的占用，本课题组通过UG软件设计出一个实现仰卧起坐功能的简易结构，既方便安装又方便拆卸，且符合用户使用习惯。仰卧起坐功能模块整体设计是在跑步机跑步台支架处焊接4根钢管，其中两根钢管之间的距离适合小腿及脚踝之间的宽度，且4根钢管外部包有海绵体结构，保护脚关节不受损伤。用户可以平躺在跑步台上，两脚夹住海绵体结构部位，根据个人喜好进行仰卧起坐运动。

通过UG软件设计的多功能跑步机三维模型如图4所示，针对健身用户不同的爱好和需求，设计出一款集成型仪表盘，主要由显示面板和控制按钮等组成。其中功能较丰富的显示面板主要显示跑步者预先设定的跑步距离、跑步用时、跑步配速、卡路里消耗、心率以及系统工作状况等；控制按钮主要根据健身用户自身体验需求来调节速度、坡度以及跑步模式、紧急开关等功能。其中速度、坡度的调节用于跑步者预先设定的跑步带速度以及跑步机跑步台坡度。跑步模式可以根据使用者自身情况合理选择相应的模式，例如平地跑、爬坡及慢跑等。

图4 多功能跑步机三维模型

3 结论

本课题组以某型跑步机为研究对象，从零件结构和材料角度分析，基于UG三维软件进行多功能结构设计。相较于传统机械跑步机，多动能跑步机空间利用率高，减震效果好，能够保护用户腿部韧带、膝部、踝关节等部位，满足健身产品人性化设计。该款跑步机涵盖跑步、瘦腰、俯卧撑及仰卧起坐4个健身项目，有助于关节损伤患者进行康复性训练，在功能性和舒适度方面均有显著改进和提升。