謝 雄，趙 聰，廖益豐

（成都大學 工業(yè)制造學院，四川 成都 610106）

0 引言

根據(jù)近年來多方調(diào)查結(jié)果，目前我國上班族大多缺乏娛樂健身活動，身體處于亞健康狀態(tài)，主流城市的白領(lǐng)亞健康比例高達76%，原因有八成是因為久坐不動、缺乏鍛煉引起的，尤其是近來隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，生活節(jié)奏越來越快，上班族白天忙于工作，晚上忙于照顧小孩，因此很少有時間進行娛樂健身活動。

現(xiàn)有的木馬僅適用于兒童，健身自行車供成人鍛煉身體，目前還未見一種能將木馬與健身自行車結(jié)合在一起，同時滿足大人鍛煉與小孩娛樂的健身娛樂器材。于是我們設(shè)計出一種娛樂健身木馬車，讓大人在照顧小孩的同時達到鍛煉身體的目的。

1 娛樂健身木馬車的主要功能及工作原理

該娛樂健身木馬車的主要功能是讓成人鍛煉身體的同時又能使兒童娛樂，增進父母與子女的情感交流，促進家庭和諧，它克服了健身自行車與旋轉(zhuǎn)木馬功能單一的缺點，將兩者結(jié)合起來，而且采用純機械裝置，既鍛煉了身體，又節(jié)能環(huán)保。圖1為該木馬健身車的整體外觀圖。

圖1 娛樂健身木馬車整體外觀圖

該車的加載是通過加載鋼繩、剎車片、飛輪和剎車片調(diào)節(jié)旋鈕實現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕可改變剎車片與飛輪之間的摩擦力，從而可根據(jù)需要調(diào)節(jié)健身強度。

蹬踩腳踏板使健身車的主動鏈輪轉(zhuǎn)動，帶動健身車的從動鏈輪，健身車的從動鏈輪與木馬車的主動鏈輪固連在木馬車的曲柄中軸上，從而帶動木馬車的從動鏈輪轉(zhuǎn)動，通過與木馬車的主動鏈輪和其從動鏈輪連接的鏈條帶動從動鏈輪及固定在木馬車的從動鏈輪上的曲柄轉(zhuǎn)動，繼而帶動連桿和搖桿運動，最終使固定在連桿上的木馬在鉛垂面內(nèi)作有規(guī)律的波浪形運動，所安裝的彈簧阻尼器、飛輪可使木馬的運動較平穩(wěn)。

2 設(shè)計中的主要問題及解決方法

木馬在向下運動時，由于其重力的作用會對健身車的踏板產(chǎn)生一個“回沖力”，使踏板在整個運動過程受力呈“雙向脈沖狀態(tài)”。對此我們在裝置中加入了彈簧阻尼器和帶有較大轉(zhuǎn)動慣量飛輪盤的加載裝置。彈簧阻尼器起到反向加載作用，加載的阻力使踏板僅單向受力，使整個運動過程變得連貫。而飛輪盤吸收反沖的能量，延遲反沖作用的時間。

不同體質(zhì)的人鍛煉強度不一樣，小孩的重量也可能相差很大，為使不同體質(zhì)的人都能達到各自理想的鍛煉效果，我們設(shè)置了加載裝置，該裝置通過調(diào)節(jié)連有剎車鋼線的旋鈕來改變剎車片與飛輪之間的正壓力，加大（或減小）摩擦阻力載荷，以適應不同強度的鍛煉。

3 理論設(shè)計計算

3.1 鏈輪齒數(shù)的設(shè)計

健身車部分：主動鏈輪的齒數(shù)為24；從動鏈輪的齒數(shù)為16。

木馬車部分：主動鏈輪的齒數(shù)為16；從動鏈輪的齒數(shù)為48。

鏈輪的總傳動比：i＝i1×i2＝16／24×48／16＝2。

3.2 木馬車上下起伏頻率的設(shè)計計算

根據(jù)正常人蹬踩腳踏板的轉(zhuǎn)速為（50～70）r／min，則木馬車的轉(zhuǎn)速n（r／min）為：

n＝（50～70）／i＝25～35 。

3.3 加入彈簧阻尼器緩減的脈沖力的計算

木馬車的曲柄搖桿機構(gòu)的受力分析如圖2所示。

圖2 曲柄搖桿機構(gòu)受力分析圖

將小孩看成一個質(zhì)點，質(zhì)心位于連桿BC中心處。此時木馬曲柄由B點轉(zhuǎn)到B1位置，轉(zhuǎn)過的角度為α，彈簧的彈力系數(shù)為k（將所安裝的彈簧簡化為一根），彈簧的伸縮量為Δ，則B1處的受力為（0.5G－kΔ）。則曲柄受到的力矩M2為：

其中：G為小孩及木馬的重量；L為木馬車曲柄的長。

在圖3的二級鏈傳動中，腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩M1與曲柄受到的力矩M2的關(guān)系為：

其中：η1為健身車部分鏈傳動效率；η2為木馬車部分鏈傳動效率。

圖3 娛樂木馬車的二級鏈傳動圖

由于i＝2，故腳蹬踩腳踏板轉(zhuǎn)過的角度θ與木馬車曲柄轉(zhuǎn)過的角度α的關(guān)系為：

聯(lián)立式（1）～式（3）可解得：

由式（4）可知，當0.5G＝k L時，M1的振幅最小。此時有：

假設(shè)小孩的重量G＝300 N，L＝0.04 m，k＝3 750 N／m。查表可知η1＝η2＝0.97。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5）計算可得 M1＝1.6sinθ（Nm）。

當不加彈簧阻尼器時（即kΔ＝0時），腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩M0為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）計算可得M0＝3.（Nm）。

飛輪上加載時，由于加載的阻力與人蹬踩腳踏板運動總是相反，故通過加載一定的阻力可使踏板僅單向受力，從而消除了雙向脈沖力，使整個運動過程變得連貫。飛輪加載后腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩為：

其中：ΔM為飛輪加載前、后腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩的增量。

比較未加彈簧阻尼器且飛輪未加載、加上彈簧阻尼器且飛輪未加載和加上彈簧阻尼器且飛輪加載3種情況下腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩M0、M1、，如圖4所示。

圖4 三種情況下腳踏板鏈輪受到的載荷產(chǎn)生的力矩比較

4 結(jié)論

該裝置將木馬和健身自行車完美結(jié)合，解決了正在撫育小孩的工作群體鍛煉身體和照顧小孩的矛盾，加深了大人與小孩的情感交流，促進家庭和睦，且既能父（母）子同樂，也能讓大人單獨健身鍛煉。

［1］ 王知行，鄧宗全.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 濮良貴，紀明剛.機械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 宋寶玉.機械設(shè)計課程設(shè)計指導書［M］.北京：高等教育出版社，2006.