無段荷重腳踩式健身器之研究 指導教授 : 戴子堯老師報告者 : 王郁涵報告日期 :2016/05/11 1
一 前言 目錄 二 文獻回顧 CVT 傳動系統的背景 三 設計及實驗流程四 實驗結果與討論五 結論 2
一 前言 (1/2) 由於臺灣快速邁入高齡化社會, 社會整體的人口結構大幅改變, 相較於身體質量指數或體重, 本研究認為老年人更應該重視肌肉量的多寡 為改善老年人使用運動器材之成效, 並保持運動生活的習慣與嗜好, 如阻抗性運動 ( 如重力訓練 ), 而一般在社區公園的健身車大多是無阻力設計, 而一般健身車不具防水性且須插電與手動變速, 此些問題對使用者造成不便, 此設計亦可解決以上問題 太空漫步機 室外健身器無阻力 健騎車 室內健身器需插電 3
前言 (2/2) 本實驗定義阻力式運動健身器材, 主要是將 CVT 傳動系統先天特性限制, 透過修改其中零件並重新設計, 改為此運動負荷之來源, 將原始所設定的控制組件, 包含不同重量的普利珠 變速箱 及後彈簧係數等控制因子, 規劃設計參數值 此設計可依使用者經踩踏的速度變換阻力調節, 以符合高齡族的使用所需, 針對目的肌群進行器材開發之運動設計部分, 更將離合器摩擦原理置入於器材中, 並將繪製之電腦模型對器材之作動情況進行分析, 推算阻力效果 4
問題定義流程 老年人使用意願 市售阻力式運動器材操作便利性 產品設置地點 問題定義 提高老年人使用意願 器材操作便利性 產品設置地點 公園 社區 學校 5
二 文獻回顧 (1/3) 2013 年林麗娟學者提出阻力訓練對減緩老年人骨骼肌減少症的效益, 身體活動 / 運動是維持肌肉力量的最佳途徑之一, 其中阻力性運動訓練對於增進肌力與維持肌肉質量的效果最爲明顯, 也進一步探討傳統與爆發性阻力訓練對減緩老年人骨骼肌減少症的效果及其重要性 中華體育季刊 ; 25 卷 1 期 (2011 / 03 / 01) 2015 年陳昭彥學者提出實施銀髮族功能性體適能檢測, 並針對受試者體適能檢測結果, 設計個別化運動處方之體適能訓練, 主要體適能訓練為阻力訓練及有氧運動 頻率以每周 2 次, 每次 1.5 小時, 持續訓練六個月, 並記錄每次訓練項目及時間, 預防跌倒機會且減低骨折機率, 減少骨質鬆症的發生 台北市醫師公會會刊 59 卷 6 期 (2015/06) 6
CVT 傳動系統的基本架構與元件 (2/3) 引擎輸出經由驅動普利盤 V 型傳動皮帶 傳動普利盤所傳遞而來的動力由離心式離合器的摩擦片與離合器轂接合後再經過最終減速驅動後輪使車子前進的連接裝置 7
CVT 傳動系統的背景 (3/3) CVT 傳動系統的傳動比的改變完全是隨著引擎轉速而改變, 因驅動普利盤的節徑的改變是由引擎驅動的普利珠所控制, 意為引擎轉速越高產生的力量超過傳動普利盤軸向彈簧的彈力, 驅動普利盤被推越出來, 驅動皮帶轉動的節徑就越大而傳動的普利盤的節徑就變小 怠速時前盤小 後盤大 高速時前盤大 後盤小 驅動普利盤 驅動普利盤 8
三 設計及實驗流程 9
實驗流程 相關文獻與專利分析 概念設計 CVT 模組改良器材實體模型的建構模型機的組裝與測試 下肢 測試效能 器材的加工 ( 材料 :6061 鋁合金 ) 作動分析 力量分析 零件應力分析 零件應變分析 結果與討論 論文撰寫 10
運動設計 目的訓練肌群 11
CVT 模組修改原始零組件 離心式離合器 離合器在特定的轉速才能張開 驅動固定普利盤 散熱葉片 12
無段荷重腳踩式健身器 系統改良元件爆炸圖 (1) (2) (6) (4) (5) (3) (9) (7) (8) (10) 編號零件名稱 1 普利盤可動端 2 離心滾珠 3 驅動普利盤 4 V 型皮帶 5 普利盤固定盤 6 固定螺母 7 離心式離合器 8 大扭力彈簧 9 傳動普利盤 10 傳動普利盤固定盤 13
器材設計介紹 結構設計 : 鋁擠型車架設計傳動系統 : 皮帶式傳動座椅設計 : 防水座椅, 可垂直水平調整手把設計 : 人體工學手把磨擦荷重 :5~8 公斤佔地面積 :150x27x115 公分最大載重 :150 公斤 14
器材設計概念 增速齒輪組 CVT 傳動模組 腳踏輸入端 離心式摩擦輪組 15
創意特點與創意說明 可調整式座椅 : 具鎖點輔助的座椅及手把, 為使用者提供順暢的調整範圍, 以達至最佳性能與極致舒適感 16
創意特點與創意說明 節能減碳 : 防水的外觀, 可安心的放於戶外, 且不須接電, 節約能源, 安心設計 : - 鞋套設計踏板 - 隨身物品收納抽屜 17
實驗設備 實體樣品 工件掃描 轉換成三角網格資料 STL IGS 匯入 CAD 軟體成形實體 電腦輔助圖製修改 CNC 銑床製作實體 三維雷射掃描儀 利用 3D 掃描所取得之數位化資料進行後處裡編成, 進而取得轉換後之完整三角網格資料, 在取得網格資料後亦可進行逆向重建編輯, 最終完成 CAD 模型 18
器材的量測位置介紹 1 普利盤外徑尺寸 2 普利盤角度 5 V 型皮帶 3 普利盤溝槽尺寸 4 普利珠重量 19
器材的模組選用 本實驗定義設定與動態的控制組件, 包含不同重量的普利珠及後彈簧係數等控制因子, 同時依照各設計參數建構最佳 CVT 之測試模組 125cc 測試用車相關規格 外徑尺寸 :117.4mm 溝槽大小 :12mm 普利盤角度 :14 1 可容納普利珠克數 (g): 2 9 22 29 皮帶規格 : 773mmx20mm 50cc 測試用車相關規格 外徑尺寸 :94mm 溝槽大小 :12mm 普利盤角度 :14 可容納普利珠克數 (g): 6 12 15 18 22 皮帶規格 : 797mmx16mm 本研究是以 Y 牌 125C.C. 的市售改裝普利盤 TR125 作為測試模組 本研究是以 Y 牌 50C.C. 的市售普力盤 CR50Z 作為測試模組 20
普利珠克數重量設定 1 號普利珠 ( 原廠規格 ) 50CC 普利珠重量設定 (g) 2 號普利珠 3 號普利珠 4 號普利珠 5 號普利珠 材質 : 主要分為兩層外圈為, 工程塑膠內圈為, 鐵或銅 ----------------- 數量 :6 個 測量重量儀器 : 總克數 x6 36g 72g 90g 108g 132g 1 號普利珠 ( 原廠規格 ) 125CC 普利珠重量設定 (g) 2 號普利珠 4 號普利珠 多用途電子秤 總克數 x6 54g 132g 192g 21
壓縮彈簧數據計算 計算彈簧常數 : 以 k 表示, 當彈簧被壓縮時, 每增加 1mm 行程之負荷 (kg/mm) 彈簧常數公式 : k= G d 4 8 Dm 3 Nc (kg/mm). G= 線材之鋼性模數 琴鋼線 G=8000 不銹鋼線 G=7000 d = 線徑 OD = 外徑 ID = 內徑 Dm = 中心徑 =OD-d N = 總圈數 Nc = 有效圈數 =N-2 22
後盤扭力彈簧係數設定 (50CC) 50CC 彈簧係數設定 項目 1 號彈簧 2 號彈簧 3 號彈簧 4 號彈簧 5 號彈簧 ( 原廠 ) 材質不鏽鋼琴鋼線 線徑 (mm) 3 3.5 3.5 4 4 參考壓縮彈簧計算 : 抉懋集團設計線上彈簧相關力值試算表 彈簧內徑 (mm) 有效圈數 ( 圈 ) 自由長度 (mm) 壓縮長度 (mm) K 值 : (kg/mm) 48.5 52.2 47.7 48.8 49.8 6 5 6 4 4 68.1 74.7 72.1 61.55 66 21.6 22 23.2 24.55 20 0.09 0.16 0.17 0.39 0.41 23
後盤扭力彈簧係數設定 (125CC) 125CC 彈簧係數設定 項目 1 號彈簧 2 號彈簧 3 號彈簧 4 號彈簧 5 號彈簧 ( 原廠 ) 材質不鏽鋼琴鋼線 線徑 (mm) 2.5 3 3.5 4 4.5 參考壓縮彈簧計算 : 抉懋集團設計線上彈簧相關力值試算表 彈簧內徑 (mm) 有效圈數 ( 圈 ) 自由長度 (mm) 壓縮長度 (mm) K 值 : (kg/mm) 51.5 51.3 53.6 56.6 53 7 7 7 7 6 130 130 130 124 117 28 29 30.7 30.4 26.4 0.03 0.06 0.10 0.15 0.44 24
四 實驗結果與討論 25
車架測試方式 調速功能測試 : 模擬引擎之主軸馬達轉速, 以調速的方式帶動 CVT 前軸, 後軸之壓縮彈簧負載則依前盤的普利珠所產生的軸向推力產生不同的阻抗, 由測試結果找出適合人體踩踏之轉速 馬達 270mm 需使用高轉速低扭力馬達達到增加車體加速度 26
實驗設備 本實驗所選用的測試輸出動力的機型, 為直流馬達調速器 : 速度控制範圍 100~3600rpm/min 1HP 直流馬達調速器 DC 馬達標準馬力此馬達為高轉速低扭力馬達 27
傳動效果模擬與記錄 上緣 皮帶 ( 上緣 ) 在驅動普利盤最小直徑 皮帶 ( 上緣 ) 在驅動普利最大直徑 50CC 普利盤記錄 40.5mm 95mm 驅動普利盤上視圖 輔助記錄軸向推力直徑消光漆 皮帶 ( 上緣 ) 在驅動普利盤最小直徑 皮帶 ( 上緣 ) 在驅動普利最大直徑 125CC 普利盤記錄 49mm 118mm 28
馬達轉速 (RPM) 高轉速馬達測試結果 (50CC) 項目 1 號彈簧 2 號彈簧 3 號彈簧 4 號彈簧 5 號彈簧 ( 原廠 ) K 值 :(kg/mm) 0.09 0.16 0.17 0.39 0.41 皮帶加速狀態 彈簧彈性小皮帶容易打滑 彈性適中作動正常 彈簧彈性大皮帶磨擦力大轉速相對提高 4000 3600 3600 3600 3600 3500 3000 2500 2000 1500 3200 3000 3000 2600 1800 2500 1800 1500 3000 2400 2000 1400 2900 2800 2000 1600 1200 0.09kg/mm 0.16kg/mm 0.17kg/mm 0.39kg/mm 1000 0.41kg/mm 500 0 6g 12g 15g 18g 22g 普利珠克數 (G) 29
馬達轉速 (RPM) 高轉速馬達測試結果 (125CC) 項目 1 號彈簧 2 號彈簧 3 號彈簧 4 號彈簧 5 號彈簧 ( 原廠 ) K 值 :(kg/mm) 0.03 0.06 0.10 0.15 0.44 皮帶加速狀態 彈簧彈性小皮帶容易打滑 彈性適中作動正常 彈簧彈性大皮帶磨擦力大轉速相對提高 4000 3500 3400 3600 3600 3400 3000 2500 2000 2700 2400 2200 2400 1800 2100 1600 0.03kg/mm 0.06kg/mm 0.10kg/mm 1500 1700 0.15kg/mm 1000 0.44kg/mm 500 0 9g 22g 29g 普利珠克數 (G) 30
設定無段變速增速齒輪組設計 除首輪與末輪外, 每一軸上裝有兩個或兩個以上之輪者, 稱為複式輪系 複式輪系之輪系值 : e N D D T T N D D T T D A C A C A B D B D 12T 設計齒數參考數值 : 50CC 0.17kg/mm 後盤彈簧係數 22g 普利珠 2000rpm 60T 30T 15T 125CC 0.15kg/mm 後盤彈簧係數 29g 普利珠 2100rpm 2000( 輸出轉速 ) 200 ( 輸入轉速 ) =60T X 30T 12T 15T 31
實驗設備 非接觸式轉速計是採用光電反射原理的量法 轉速計發射出的紅外線經固定在待測目標上的反射條反射後, 即攜帶有關轉速的資訊, 當轉速計接收到反射波後, 經過處理即得到轉速測量數據 ( 單位為 RPM ) 32
實驗設備 5GU7.5KB 減速機 US560-501E1 馬達 本實驗所選用的測試輸出動力的機型, 為減速機馬達 : 速度控制範圍 12~213rpm/min 此馬達為低轉速高扭力馬達 平行軸 GU-KB 減速機 33
實驗設備 本實驗所選用的測試輸出動力的機型, 為減速機馬達 : 速度控制範圍 0~60rpm/min 此馬達為高轉速低扭力馬達 34
騎乘轉速測試 測速位置 在轉軸上黏貼反光片 紅色可視光 輕按測試開關 腳踩測試 馬達測試 搭配器材 : 非接觸式轉速計 搭配器材 : 減速機調速馬達 35
實際測試轉速測試結果 高速時測試轉速結果 馬達轉速 第一軸 輸入轉速 151rpm 第三軸 輸出轉速 1317rpm 第四軸 輸出轉速 1551rpm 實際測速參考數值 : 50CC 0.17kg/mm 後盤彈簧係數 22g 普利珠 最佳作動轉速 : 2000rpm 腳踩轉速 第一軸 輸入轉速 191rpm 第三軸 輸出轉速 1678rpm 第四軸 輸出轉速 1443rpm 實際機台測試齒輪比約 8.7 倍 第一軸 第二軸 第三軸 第四軸 36
離心式磨擦輪定速測試功能 利用增速齒輪組達到高轉速效能, 並於後軸結合離心式離合器, 在特定的輸出轉速才能張開, 由離心式的離合器摩擦片與橡膠固定座裝置磨擦, 產生阻力的效果 原廠拉伸彈簧彈簧係數大 離合器位於後軸 改善拉伸彈簧彈簧使低轉速就可彈開 當離合器甩開時, 磨擦橡皮內環固定座 37
五 結論 38
器材之材料性質 屬性名稱 值 單位 彈性模數 69000 MPa 浦松比 0.33 NA 剪力模數 26000 MPa 密度 2700 kg/m 3 抗拉強度 124.08 MPa 降伏強度 55.15 MPa 材質 : 6061 鋁合金 重量輕 耐蝕性 加工性佳 39
器材之力學模擬 本實驗針對所設計之下肢阻力運動器材進行電腦模型靜負載分析, 求其應力分佈 變形分析 應變模擬及推算最小安全係數 材料強度 ( 降伏強度 ) 安全係素 (n)= 作用應力 n>1 安全 n<1 破壞 對器材各別負載 490N(50kg) 980N(100kg) 1470N(150kg) 40
下肢器材重要零件之模擬部分 1. 手握把之施力點 2. 體重承受之位置 3. 腳踏施力點 41
結論 (1/3) 從實驗參數中選定主驅動普利盤可動端模組不同重量的離心滾子 (A) 後壓縮彈簧彈性係數 (B) 主驅動普利盤可動端模組構造不同 (C) 及離心磨擦阻力輪 (D) 等四個參數值做為本實驗之控制因子 1. 離心滾子重量 (A) 離心滾子重量與軸向推力有相對關係, 當滾子重量太輕時, 由於慣性矩較小, 因此要獲得足夠的軸向推力就必須將腳踏轉速提高, 加速性也較佳 反之, 當滾子重量重時, 使車身動態起步相對較慢, 但轉速較低, 較符合本實驗低轉速高效能的效果 42
2. 後壓縮彈簧彈性係數 (B) 結論 (2/3) 後壓縮彈簧是介於從動普利盤與傳動普利固定盤之間且有一預壓彈簧力, 當彈簧係數小時, 會使變速過程皮帶與輪槽滑差增大且皮帶易發生跳動, 彈簧彈性係數太大, 造成變速不易, 腳踏轉速相對提高 3. 主驅動普利盤可動端模組構造 (C) 一般機車 CVT 系統, 根據不同 C.C. 數, 會有不同的馬力, 而其中的主驅動普利盤構造也有些微的不同, 此實驗根據同增數齒輪組, 不同的 CVT 模組進行效能的比較 4. 離心磨擦阻力輪 (D) 腳踩速度的影響到後軸離合器的開合與磨擦阻力的效能 43
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器材的模組選用 本實驗定義設定與動態的控制組件, 包含不同重量的普利珠 前彈簧係數 及後彈簧係數等控制因子, 同時依照各設計參數建構最佳 CVT 之三維模型 外徑尺寸 :113mm 外徑尺 :117.4mm 1 溝槽大小 :14mm 3 溝槽大小 :12mm 普利珠克數 (g): 9 22 29 32 普利珠克數 (g): 9 22 29 外徑尺寸 :113mm 外徑尺 :94mm 2 溝槽大小 :12mm 普利珠克數 (g): 9 22 29 4 溝槽大小 :12mm 普利珠克數 (g): 6 12 15 18 22 46
60T 70T 80T 90T 47