漫步机曲杆静力分析及功能改进

椭圆漫步机的结构，包括基座①、手臂握杆②、传动轮组③、曲杆⑤及脚踏板⑦，如下图所示。漫步机基座稳固地固定于地面，基座前段设有一传动轮组，该传动轮组的两外侧分别连接摇杆的一端，摇杆另一端分别连接相对应的曲杆伸出轴，各摇杆的前端分别连接一握杆，踏板用螺栓安装在摇杆上，且该踏板前段有一定倾斜度。使用方法：两脚踏于踏板上，两手握住手柄做往复摆动运动。主要功能：活动下肢及脊椎关节，疏通肝肺肾经脉，并对下肢减脂有针对性效果，可以提高四肢协调能力。由于它在现实生活中应用较广，因此选取它作为研究分析对象。

椭圆漫步机主要受力部件

曲杆中间部分直接与基座的直孔相配合，可看作轴与滑动轴承的连接，曲杆两端与也是用滑动轴承与连杆相连接的。曲杆两端伸出轴和中间支承轴的是通过两块钢板焊接成一体的，这种连接方式降低了曲杆加工的难度，节约材料等。为了能顺利对曲杆进行有限元法受力分析，对实物进行简化处理，在Solidworks 3D软件中建立简化后的模型如下图所示。

曲杆在运动过程中与其它漫步机部位直接接触受力的位置如图5高亮显示部分，分别是两端的伸出轴和中间支承轴，这三部分的受力形式是交变力。中间支承轴直径较两端伸出轴大很多，而且支撑长度大，通过对多台室外椭圆漫步机进行实地考察，中间支承轴均没有明显受到破坏，由此可见，曲杆只要失效部位是两端的伸出轴，因此，把中间轴作为曲杆有限元法分析的约束部位，载荷施加部位放在两端伸出轴。

对曲杆进行有限元法分析

由于漫步机两脚踏板上受到的力是以对称的形式出现的，即右边伸出轴载荷最大时，左边伸出轴有一个相对应的载荷，左边伸出轴载荷最大时，右边伸出轴有一个相对应的载荷，所以只取其中一边伸出轴受到的最大载荷时另一伸出轴对应受到的力作为曲杆整体的极限载荷。曲杆受到的载荷是动载荷，为了得出曲杆在受到动载荷情况下的极限受力，通过利用Solidworks软件运动仿真，得出曲杆铰接部位的极限力，曲杆两端伸出轴在脚踏板极限作用力的作用下受力仿真结果如下图所示，其中右边脚踏板施力2600N，左边脚踏板施力500N。从伸出轴仿真受力幅值曲线可知，右端伸出轴受到最大力幅值为2072N，左端伸出轴受到的力幅值为314N，并且通过输出伸出轴受到的力在Y、Z轴上的分量曲线可知右端伸出轴的各分量为F右X=0，F右Y=1727N，F右Z=-1132N；左端伸出轴的各分量F左X=0，F左Y=-305N，F左Z=72N。

约束与载荷的施加由于对曲杆进行静力分析，所以将支承轴与基座连接处固定，即支承轴中间接触部分轴下圆表面进行约束，如图10高亮边框表面。在进行计算时，将约束面三个平移自由度约束住，在转动自由上只释放X轴的旋转自由度。由3D软件仿真结果对曲杆两端伸出轴的施力如图11所示，具体数值为右端伸出轴的各分量为F右X=0，F右Y=1727N，F右Z=-1132N；左端伸出轴的各分量F左X=0，F左Y=-305N，F左Z=72N，在有限元分析中使用Total Force施加方式。

应力应变分析

进行加载、求解及处理后，曲杆及其节点位置的变形输出的是曲杆分别在三个坐标方向的变形量，其中曲杆左右移动为X轴方向；曲杆俯仰为Y轴方向；曲杆前后移动为Z轴方向。根据静力学理论分析，连接钢板接近中间支承轴处的弯矩最大，属于危险断面。通过有限元分析，曲杆最大应力位于钢板连接中间支承轴处的外侧上，与静力分析结论较吻合。从有限元分析结果中可知，曲杆最大应力为214Mpa，位于第16714节点处，最大位移位于右端伸出轴外断面，最大位移为5.23mm，位于第19003节点处。有材料手册可知Q235的屈服极限是235Mpa，在外加极限载荷的情况下，曲杆钢板的最大应力接近材料的屈服极限，考虑其它环境因素的影响，钢板的工作强度相应降低，从而易损坏，且伸出轴外端变形量较大，这将加重与轴套的磨损，导致失效。以下图分别是有限元分析结果的应力和位移图。

对分析对象进行改进性设计

分别在曲杆的两块钢板的外表面加筋，筋的结构形式如下图所示。根据材料力学关于提高结构抗弯曲强度知识可知，通过加筋处理，连接两端轴的钢板结构可以提高其抗弯曲强度，减小弯曲变形。材料与原来钢板材料一样，均使用Q235碳素钢，轴向高度为20mm，厚10mm。材料属性与单元属性设置如前分析过程，对改进结构的载荷施加和约束方式均保持不变。由有限元分析结果可知钢板上的最大应力出现在第18556节点处，最大值为154MPa，最大位移仍在右边伸出轴外断面处，最大位移为1.28mm。应力、位移结果如下图所示。通过对比为加筋曲杆极限应力和位移值可知，加筋后钢板的强度明显提高，伸出轴外端的变形量也得到较大减小。

结论

1、结合理论力学和材料力学的基本原理， 利用MSC.Patran 软件对椭圆漫步机组成部件进行有限元分析是一种有效的手段。

2、根据有限元法静力分析结果，得到椭圆漫步机其一部件——曲杆在给定载荷下的应力应变情况，由于连接中间支承轴和伸出轴钢板在弯矩的作用下最大应力接近使用材料Q235的屈服极限，所以应对该处结构进行加强结构设计。钢板在受到弯矩的方向上厚度较小，且是平直板结构，不具备抵抗较大弯矩作用下的变形能力，所以固定在钢板外端上的伸出轴相对未受力时的位置有较大偏移，从而加剧轴与滑动轴承接触的不均匀性，轴外边面某些位置易受力过大，导致磨损失效。

3、针对曲杆静力分析结果，对现有曲杆进行结构性改良措施，从而提高椭圆漫步机的使用寿命。通过对比改进前和改进后有限元分析数据可知，在钢板上添加筋可有效降低钢板上的应力和弯曲变形。对于改进用的筋采用与母体相同的材料，可以通过焊接方式为现有椭圆漫步机进行改进。