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摘要：据统计，我国亚健康人数约占总人数的90%，越来越多的年轻人开始注重健身，而近年来健身房的价格越来越高，让很多年轻人望而却步。为了应对这样的社会现状，设计一款脚踏式健身洗衣机，将洗衣与健身融为一体，在清洗衣物的同时，达到健身的效果，提高生活效率。本论文主要内容包括：确定脚踏式健身洗衣机的设计方案，设计一种可以用于健身的洗衣机。该脚踏式健身洗衣机主要由驱动机构，传动机构以及执行机构等组成。

关键词：脚踏式健身洗衣机；传动机构；执行机构

1 脚踏式健身洗衣机的相关概述

1.1研究背景及意义

洗衣机是家庭常用的一种耗电电器，开发节能环保洗衣机是一个紧迫任务。针对传统洗衣机，人们不断优化，使其更智能、更自动化，但电力需求高，能耗大成为其难以克服的问题。本设计以人体动能作为能量来源，不依靠电能。在洗衣时，能够达到健身的效果，在健身的同时完成洗衣，实现了健身与洗衣机的洗脱一体化，低碳环保，提高对时间的利用率，节约电能，节省空间。然而目前市面上的健身型洗衣机种类有限，还存在以下问题：

1）健身洗衣机和跑步机通过传动装置连接在一起，洗衣机运转的能量由跑步机供给，用户在购买洗衣机的同时还购买了一台跑步机，增加了购买成本，用户群体较小，很难实现家庭化。

2）健身洗衣机的结构设计不合理，在传动过程中造成了能量的大量损耗，效率较低。

1.2研究方向

脚踏机是目前健身界给予高度评价的有氧健身器材，其合理的运动方式，也获得了广大健身者的喜爱，因此脚踏机所使用的脚踏结构完全具备作为脚踏式健身洗衣机驱动机构的潜质。结合我国的社会现状，亚健康人口约占总人口的90%，越来越多的年轻人忙于工作和生活，几乎没有健身的时间，而当代年轻人对健身的迫切需求，间接的导致了室内健身的兴起与流行，因此，脚踏式健身洗衣机的结构要做到尽可能的精简与集成，节约占地空间。并且在结构设计上要人性化，考虑到实际使用效果，更符合人体工学，在达到良好的健身效果的同时完成对衣物的洗涤与脱水。

1.3研究内容和方法

目前我国对脚踏式健身洗衣机的研究还处于试生产阶段，大部分设计都还处于专利、发明阶段，没有大规模投入生产，市场占有率低。本毕业设计课题来源于实用新型专利“一种脚踏式健身洗衣机”，具备良好的可行性与科学性。本设计根据市场调研，从三个方面进行了改进：

1）新型概念：将健身与洗衣结合，实现了时间的高度利用，在健身的同时完成了对衣物的洗涤与脱水。同时脚踏式健身洗衣机的驱动机构采用脚踏机的脚踏结构，更容易被人们接受和使用，并且能够取得良好的腿部健身效果。

2）功能完善：脚踏式健身洗衣机同时具备洗涤和脱水功能，并且还设置有缓冲装置，在洗涤的同时实现缓冲保护，避免因人体的惯性运动对膝盖或脚踝造成伤害。

3）应用场所广泛：脚踏式健身洗衣机设置有可分离的排水箱，在脱水时，打开密封阀门，污水经顺水阀管道流入排水箱，在排水完成后，将排水箱提到下水道口倾倒，扩大了脚踏式健身洗衣机的应用范围。

2 脚踏式健身洗衣机的总体方案设计

通过对脚踏式健身洗衣机所适应的用户群体进行调研和分析得知，白领上班族和在校大学生以及少部分健身者为主要的用户源。而当代社会房价十分高昂，大部分白领上班族以及在校大学生的居住场所多为小户型住宅，室内空间有限，这就决定着脚踏式健身洗衣机的总体结构设计要尽可能的小巧，来满足占地面积小的要求。

2.1总体方案设计

通过查阅大量相关资料和专利参考文献，根据市场调研结果，最终确定了脚踏式健身洗衣机的总体设计方案，如图2.1所示。脚踏式健身洗衣机主要由驱动机构、传动机构以及执行机构等构成，具备健身、洗衣和脱水功能，能广泛应用于家庭洗衣、学校宿舍洗衣或休闲场所，有效地提高了时间利用率，增强人体素质。

脚踏式健身洗衣机的驱动机构采用脚踏机的脚踏结构，链轮部分采用和自行车一样的部件，只需在原来的自行车小链轮的部分稍微改进，在链轮轴的一端加上一对锥齿轮，通过锥齿轮将力换向，供洗衣机工作。该结构在健身界具有很高的评价，具备优秀的腿部健身能力，能够给使用者提供良好的有氧运动体验。而且链轮部分的高传动比能够给洗衣机提供平稳、充足的动力输入。

传动机构由洗涤齿轮组、脱水齿轮组和换挡装置构成，如图2.3所示，换挡装置由换挡手柄和其上的换挡齿轮构成，推动换挡手柄至洗涤档位时，换挡齿轮与洗涤齿轮组中的洗涤齿轮啮合时，动力由驱动机构传动到横置的配套锥齿轮，然后经洗涤齿轮组，换挡齿轮，轴套齿轮，最终动力由传动轴供给洗衣机完成洗衣工作；当换挡手柄推到脱水档位时，换挡齿轮与脱水齿轮啮合，实现脱水功能。通过设计齿轮组，使洗衣机在有限的空间里同时实现了洗涤和脱水功能。

执行机构由洗涤桶和排水箱构成，如图2.4所示，洗涤桶内部设置有单波轮，是清洗衣物、去除污渍的重要动力装置。考虑到洗衣机所应用的场合以及整部设备的体积，最终决定将洗涤桶的容积设置为8L，适应于清洗轻薄衣物，大约6～8件春季衬衫，在满足家用的同时，占地面积极小。

3脚踏式健身洗衣机的主要结构设计

3.1驱动机构的设计

经过研究，要使最终传动比能达到脱水的最低转速要求450RPM，需要对链轮等部件进行传动比设计，而人体踩踏频率为60RPM～80RPM，所以我们将链轮部分的传动比设置为左右，锥齿轮与动力输入齿轮的传动比为左右，用于脱水档位的脱水齿轮啮合处的传动比为左右。最终经过计算，处于洗涤档时，总传动比为;处于脱水档时，总传动比为，这样在使用者进行脚踏运动的时候，只要踩踏频率达到60RPM，就能满足脱水的最低转速要求，实现良好的脱水效果。所以这样的设计方案切实可行。

本设计的脚踏式健身洗衣机通过人体的脚踏运动为洗衣和脱水提供动力，因此想要达到脱水的最低转速要求，需要通过设计，使得大小链轮拥有足够的传动比。链轮的结构设计和自行车链轮模组相同。

式中h2查参考文献[4] 第108页 表4-3可得h2=12.07

经过计算，最终决定将链轮选型设计为分度圆直径为79mm，齿形为GB/T 1243-2006的链轮；链轮的结构形式选择整体式小直径链轮；链轮的材料选用45号钢，经淬火处理，硬度达到40～50HRC。

3.2传动机构的设计

3.2.1选取齿轮的材料精度等级

脚踏式健身洗衣机作为一般机械，小齿轮材料选用45钢，调质处理，硬度217～255HBW，取硬度为230～250HBW；大齿轮材料选用45钢，正火处理，硬度162～217HBW，取硬度200～210HBW。齿轮精度等级为7级。

3.2.2直齿锥齿轮设计计算

已知参数：标准齿形，模数m=2，大端压力角a=20，小齿轮齿数Z1=19，大齿轮齿数Z2=31，齿顶高系数=1，顶隙系数。

3.2.3直齿锥齿轮传动的强度计算

1）齿轮的受力分析

齿根弯曲疲劳强度足够

根据计算分析，最终决定选用标准齿形，模数m=2，大端压力角a=20，小齿轮齿数Z1=19，大齿轮齿数Z2=31，齿顶高系数，顶隙系数的一对顶间隙直齿锥齿轮。锥齿轮的材料选用45号钢，经正火或调质处理，小齿轮硬度达到230～250HBW，大齿轮硬度达到200～210HBW。

3.2.4 传动轴的设计计算

根据传动机构设计方案，因为传动轴将动力从底盘传递到洗衣桶，是一个纵向的力传递过程，会受到较大的扭转力，故对传动轴进行设计计算。

已知：如图3.5所示，传动轴直径d为10mm，主轴转速n为480r/min，主轴所受压力为F为50N，主轴旋转时所受扭矩T为4900N·mm，齿轮1的分度圆直径为24mm，螺旋角，齿轮宽度为b=12mm。

3.2.5传动轴的相关参数计算

1）传动轴的受力分析

3.3执行机构的设计

3.3.1洗涤桶设计

容量决定着洗涤桶所能容纳的衣物数目，考虑到洗衣机的应用场所，决定将洗涤桶的容量设计为8L，这个容量刚好可以放轻薄衬衫6件到8件，足够家居日常使用。而洗衣机桶的容量设置为14L，这个容量在实现占地面积小的前提下，又满足了传动机构的设计要求，保障了即使在洗衣机桶装满水的情况下，脚踏运动所提供的动力也足够洗衣机完成洗衣和脱水工作，具有科学性和合理性。而洗涤桶底部设置有波轮，且波轮设置为单波轮正反旋转的旋转方式，在使用时，波轮转动，带动洗衣机内的水流形成往复的涡流，对衣物进行洗涤。

洗衣机桶和洗涤桶整体设置为传统的圆柱型，该结构所能容纳的衣物多，并且纵向放置，减小了洗衣机整机的占地面积。

3.3.2排水箱设计

在洗衣机侧面开孔，安装顺水阀管道、密封阀门和排水箱等零部件，在连接处设置有O型密封圈，保障洗衣机的密封性和防水性。排水箱的设计使脚踏式健身洗衣机真正意义上的摆脱了空间的限制，脚踏式健身洗衣机不再需要摆放在有下水道口的地方。在排水时，只需打开排水阀，等候污水流入排水箱，将排水箱提到下水道口倾倒即可，人性化的设计，考虑到了实际应用体验，既提高了脚踏式健身洗衣机的应用场合，又给使用者带来了极大的便利。

4 脚踏式健身洗衣机三维建模

使用inventor完成了脚踏式健身洗衣机的三维建模，总体设计效果如图4.1所示。

运用inventor软件完成了脚踏式健身洗衣机的零件图与装配图的绘制，从多个视图表达了脚踏式健身洗衣机的驱动机构、传动机构和执行机构，展示了总体设计的可行性与合理性。

结束语

本设计以健身和洗衣的脚踏式健身洗衣机作为设计对象，进行了市场调研和相关专利、论文查阅和分析，最终确定了总体设计方案，并对洗衣机的驱动机构，传动机构以及执行机构进行了设计。完成了以下几项工作：

1）通过收集资料，进行大量的调研和研究，深入了解了市场上其他健身洗衣机的研究现状，总结出了脚踏式健身洗衣机的研究方向，取长补短，最终确定了脚踏式健身洗衣机的结构设计方案。

2）通过使用inventor三维建模软件，完成对脚踏式健身洗衣机三维模型的构建，在软件中对设备进行模拟动作，通过对关键部件的计算和校核，使结构进行再优化。

3）使用inventor软件完成对脚踏式健身洗衣机三维模型和二维装配图的制作以及绘制若干零部件的零件图纸，并根据装配图完成了样机的装配，且对主要结构与部件进行调试测试与问题分析。

本设计的脚踏式健身洗衣机具备一定的创新性、科学性和实践性，能够极大地提高生活效率，满足居家健身的需求。本文所采用的设计方案可以为其他健身洗衣机的研究与开发提供借鉴。

参考文献：

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