一种椭圆运动机的结构与设计
【摘要】椭圆机的发展速度越来越迅猛。本论文主要介绍了椭圆机踏板相关的设计包括踏板轨迹、踏板间距和最大倾角等，飞轮以及把手的设计，椭圆机阻力系统和控制面板上的参数设置。在研究此课题的过程中，发现一个非常重要的问题。就是我们一定要注意，椭圆机的设计要结合人因工程学来设计，达到人机合一的那种状态。只有这样，才会有更好的用户体验。如果不结合人因工程来设计，会对使用者造成很大的影响甚连安全也会受到威胁。
目录
引言 1
一、椭圆机的基本构造及设计要求 2
(一）椭圆机的基本构造 2
(二)椭圆机与人因工程的关联性 2
二、椭圆机飞轮的设计 3
（一）半径和质量对飞轮的影响 3
（二）前后置飞轮椭圆机的区别 3
三、椭圆机阻力调节系统的设计 5
四、椭圆机踏板的设计 6
（一）踏板之间的距离设计 6
（二）踏板轨迹的设计 6
五、椭圆机把手的设计 7
六、椭圆机控制面板 8
（一）椭圆机控制面板功能模块 8
（二）控制面板心率测定原理 9
（三）控制面板热量测定原理 9
总结 10
参考文献 11
谢辞 12
引言
椭圆运动机简称椭圆机，椭圆机之所以被称之为椭圆机是因为脚踩踏板的垂直方向的运动轨迹是呈椭圆形的。椭圆机问世的时间虽短，却深受广大人民群众的喜爱、特别是一些专业的健身爱好者。因为被热爱，致其发展速度相当迅猛。椭圆机对锻炼者的锻炼效果起着非常明显的作用，在椭圆机上锻炼身体的人很容易就会出汗即使是累了也会坚持下来，用户体验非常好。另外椭圆机本身产生的噪音由于体验者双脚不需要腾空所以非常非常的小，同时对膝盖造成的损伤也大大的被降低了。结合本专业知识，本文将对椭圆机的结构以及其结构的设计、设置作一个全方位的了解与学习。
一、椭圆机的基本构造及设计要求
（一）椭圆机的基本构造
椭圆机构造如图11所示，主要由飞轮、踏板、扶手、阻力调节系统、控制面板如图12等构成。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
图11 椭圆机构造
图12 控制面板
（二）椭圆机与人因工程的关联性
何为人因工程？
人因工程是一个新兴发展的学科，虽然刚刚兴起，但发展却极为迅速。因为其涉及到多个学科，比如生物学、心理学、机械工程类等多个领域各种不同的专业知识，覆盖面特别广，复杂程度相对来说也比较高，根据其设计出来的产品也极具优越性。椭圆机结合人因工程设计主要体现在以下几个方面：
1.人在踏板上无论是走还是跑，针对不同的速度时的运动轨迹以及运动体验就像在真正的路上一样。
2.椭圆机的大小不宜过大也不宜过小，其应符合体验者的身形。
3.手在把手上的运动轨迹无论何种速度下都应保持与真实路面上行走或跑步所差无几。
4.其结构合理设置，外形美观。
5.通过显示屏的提示可以准确的的进行切换、操作。
二、椭圆机飞轮的设计
（一）半径和质量对飞轮的影响
飞轮是椭圆机所有组成结构中最重要的一环，一台椭圆机的好坏很大程度上取决于飞轮的质量的高低。
用户在使用椭圆机的过程中靠双脚蹬踏板通过曲柄对飞轮产生力的作用，椭圆机飞轮与踏板之间的曲柄摇杆机构如图21所示。当人先对踏板产生力的作用时，这个力通过曲柄传送到飞轮，飞轮向上转动。当飞轮转到最高点的时候，在惯性的作用下飞轮自然地向下转动从而又带动踏板运动。飞轮的能量表达式为E=1/2Iw^2,其中I代表飞轮的转动惯量，w为其转动的角速度。飞轮的转动惯量由飞轮的质量决定，角速度w=v^2/r即在速度不变的情况下飞轮的角速度由飞轮的半径决定。
图21 曲柄摇杆机构
飞轮半径一般取1530cm,质量的话一般超过5kg就可以了。因为飞轮重的话会导致曲柄转动速度的变化幅度过大，产生不好的运动体验甚至有可能威胁到体验者的人身安全。而且需要被考虑的是，设计的飞轮越重越大所需要的成本越高设计过程越复杂。如果飞轮产生的运功惯量供不应求时我们也可以通过带传动链传动等可以依靠改变传动比改变速度的装置安装在曲柄轴和飞轮之间从而增大飞轮运动惯量给消费者带来更好的运动体验。
（二）前后置飞轮椭圆机的区别
不得不说说飞轮前置和飞轮后置如图的区别。飞轮前置如图22所示。
顾名思义，飞轮前置即飞轮被设计在椭圆机的前方。从外观上来看，肯定要比后置飞轮椭圆机要复杂的多得多。消费者在上面运动时，就像推着飞轮跑。
飞轮后置如图23所示，飞轮被设计在椭圆机的后方。体验者相当于先拉着飞轮转动后来飞轮又会向前推着体验者跑。
图22 飞轮前置
图23 飞轮后置
通过观察我们会发现前置飞轮椭圆机明显比后置飞轮椭圆机大得多，复杂程度也远高于后置飞轮。后置飞轮的踏板与后飞轮通过立杆直接相连人，通过脚踩踏板可以直接带动飞轮转动。而前置飞轮椭圆机就不一样了，因为前置飞轮椭圆机的飞轮设计一般半径较大质量较高。想象一下，腿长有限的人类直接通过脚踩踏板带动这么大的飞轮转动是一件多么不容易的事，运动体验的效果会非常非常的差。所以设计者们大大的增长了曲轴，并且为曲轴专门设计了滑轨作为可移动着力点。这样的设计明显解决了用户腿长有限带不动飞轮有效转动问题。这样的设计明显比较复杂设计、维保成本也比较高但是由于前置飞轮椭圆机可以设置的更大更重运动体验较之后置飞轮椭圆机要更好。一般家用的选择后置飞轮椭圆机健身房等专业的健身场地使用前置飞轮椭圆机。
三、椭圆机阻力调节系统的设计
为了给用户带来更好更有效的运动体验与效果，椭圆机飞轮上都会安装阻力系统以方便用户通过调节阻力来改变运动难度的高低从而达到健身修身效果。
一般情况下有机械阻力磁控阻力两种方法产生阻力，很明显后者较之前者在运转的过程中会更加的顺畅，摩擦损耗也非常非常的小，所以椭圆机的阻力系统一般采用磁控阻力。
磁控阻力也有手动调节和电磁阻力调节，前者通过拉线和旋钮控制磁铁圈与飞轮的距离利用其产生的磁力牵制飞轮的转速从而降低或提升体验难度。后者通过外接电源切割磁感线产生力对飞轮进行牵制，通过改变电流强度的高低来改变力的大小。
手动磁控阻力装置如图31所示飞轮的轴承部位会有一个永磁铁，用户通过线和旋钮装置通过拉线改变飞轮轴旁永磁铁的位置，当飞轮的轴与永磁铁较近时，磁力变大需要的脚蹬力就越大即可带动飞轮运转，当距离远的时候磁力较小，所要的脚蹬力就越小。需要注意的是永磁铁从始至终是不会和飞轮轴相互接触的。
目录
引言 1
一、椭圆机的基本构造及设计要求 2
(一）椭圆机的基本构造 2
(二)椭圆机与人因工程的关联性 2
二、椭圆机飞轮的设计 3
（一）半径和质量对飞轮的影响 3
（二）前后置飞轮椭圆机的区别 3
三、椭圆机阻力调节系统的设计 5
四、椭圆机踏板的设计 6
（一）踏板之间的距离设计 6
（二）踏板轨迹的设计 6
五、椭圆机把手的设计 7
六、椭圆机控制面板 8
（一）椭圆机控制面板功能模块 8
（二）控制面板心率测定原理 9
（三）控制面板热量测定原理 9
总结 10
参考文献 11
谢辞 12
引言
椭圆运动机简称椭圆机，椭圆机之所以被称之为椭圆机是因为脚踩踏板的垂直方向的运动轨迹是呈椭圆形的。椭圆机问世的时间虽短，却深受广大人民群众的喜爱、特别是一些专业的健身爱好者。因为被热爱，致其发展速度相当迅猛。椭圆机对锻炼者的锻炼效果起着非常明显的作用，在椭圆机上锻炼身体的人很容易就会出汗即使是累了也会坚持下来，用户体验非常好。另外椭圆机本身产生的噪音由于体验者双脚不需要腾空所以非常非常的小，同时对膝盖造成的损伤也大大的被降低了。结合本专业知识，本文将对椭圆机的结构以及其结构的设计、设置作一个全方位的了解与学习。
一、椭圆机的基本构造及设计要求
（一）椭圆机的基本构造
椭圆机构造如图11所示，主要由飞轮、踏板、扶手、阻力调节系统、控制面板如图12等构成。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
图11 椭圆机构造
图12 控制面板
（二）椭圆机与人因工程的关联性
何为人因工程？
人因工程是一个新兴发展的学科，虽然刚刚兴起，但发展却极为迅速。因为其涉及到多个学科，比如生物学、心理学、机械工程类等多个领域各种不同的专业知识，覆盖面特别广，复杂程度相对来说也比较高，根据其设计出来的产品也极具优越性。椭圆机结合人因工程设计主要体现在以下几个方面：
1.人在踏板上无论是走还是跑，针对不同的速度时的运动轨迹以及运动体验就像在真正的路上一样。
2.椭圆机的大小不宜过大也不宜过小，其应符合体验者的身形。
3.手在把手上的运动轨迹无论何种速度下都应保持与真实路面上行走或跑步所差无几。
4.其结构合理设置，外形美观。
5.通过显示屏的提示可以准确的的进行切换、操作。
二、椭圆机飞轮的设计
（一）半径和质量对飞轮的影响
飞轮是椭圆机所有组成结构中最重要的一环，一台椭圆机的好坏很大程度上取决于飞轮的质量的高低。
用户在使用椭圆机的过程中靠双脚蹬踏板通过曲柄对飞轮产生力的作用，椭圆机飞轮与踏板之间的曲柄摇杆机构如图21所示。当人先对踏板产生力的作用时，这个力通过曲柄传送到飞轮，飞轮向上转动。当飞轮转到最高点的时候，在惯性的作用下飞轮自然地向下转动从而又带动踏板运动。飞轮的能量表达式为E=1/2Iw^2,其中I代表飞轮的转动惯量，w为其转动的角速度。飞轮的转动惯量由飞轮的质量决定，角速度w=v^2/r即在速度不变的情况下飞轮的角速度由飞轮的半径决定。
图21 曲柄摇杆机构
飞轮半径一般取1530cm,质量的话一般超过5kg就可以了。因为飞轮重的话会导致曲柄转动速度的变化幅度过大，产生不好的运动体验甚至有可能威胁到体验者的人身安全。而且需要被考虑的是，设计的飞轮越重越大所需要的成本越高设计过程越复杂。如果飞轮产生的运功惯量供不应求时我们也可以通过带传动链传动等可以依靠改变传动比改变速度的装置安装在曲柄轴和飞轮之间从而增大飞轮运动惯量给消费者带来更好的运动体验。
（二）前后置飞轮椭圆机的区别
不得不说说飞轮前置和飞轮后置如图的区别。飞轮前置如图22所示。
顾名思义，飞轮前置即飞轮被设计在椭圆机的前方。从外观上来看，肯定要比后置飞轮椭圆机要复杂的多得多。消费者在上面运动时，就像推着飞轮跑。
飞轮后置如图23所示，飞轮被设计在椭圆机的后方。体验者相当于先拉着飞轮转动后来飞轮又会向前推着体验者跑。
图22 飞轮前置
图23 飞轮后置
通过观察我们会发现前置飞轮椭圆机明显比后置飞轮椭圆机大得多，复杂程度也远高于后置飞轮。后置飞轮的踏板与后飞轮通过立杆直接相连人，通过脚踩踏板可以直接带动飞轮转动。而前置飞轮椭圆机就不一样了，因为前置飞轮椭圆机的飞轮设计一般半径较大质量较高。想象一下，腿长有限的人类直接通过脚踩踏板带动这么大的飞轮转动是一件多么不容易的事，运动体验的效果会非常非常的差。所以设计者们大大的增长了曲轴，并且为曲轴专门设计了滑轨作为可移动着力点。这样的设计明显解决了用户腿长有限带不动飞轮有效转动问题。这样的设计明显比较复杂设计、维保成本也比较高但是由于前置飞轮椭圆机可以设置的更大更重运动体验较之后置飞轮椭圆机要更好。一般家用的选择后置飞轮椭圆机健身房等专业的健身场地使用前置飞轮椭圆机。
三、椭圆机阻力调节系统的设计
为了给用户带来更好更有效的运动体验与效果，椭圆机飞轮上都会安装阻力系统以方便用户通过调节阻力来改变运动难度的高低从而达到健身修身效果。
一般情况下有机械阻力磁控阻力两种方法产生阻力，很明显后者较之前者在运转的过程中会更加的顺畅，摩擦损耗也非常非常的小，所以椭圆机的阻力系统一般采用磁控阻力。
磁控阻力也有手动调节和电磁阻力调节，前者通过拉线和旋钮控制磁铁圈与飞轮的距离利用其产生的磁力牵制飞轮的转速从而降低或提升体验难度。后者通过外接电源切割磁感线产生力对飞轮进行牵制，通过改变电流强度的高低来改变力的大小。
手动磁控阻力装置如图31所示飞轮的轴承部位会有一个永磁铁，用户通过线和旋钮装置通过拉线改变飞轮轴旁永磁铁的位置，当飞轮的轴与永磁铁较近时，磁力变大需要的脚蹬力就越大即可带动飞轮运转，当距离远的时候磁力较小，所要的脚蹬力就越小。需要注意的是永磁铁从始至终是不会和飞轮轴相互接触的。
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