一款新型滑雪運(yùn)動(dòng)員平衡訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)

劉維維，張耀娟，趙潤(rùn)源，周海洋

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

單板平行大回轉(zhuǎn)滑雪運(yùn)動(dòng)是冬季體育競(jìng)技比賽項(xiàng)目之一，也是我國(guó)參加冬季奧運(yùn)會(huì)的正式比賽項(xiàng)目.隨著我國(guó)2022年冬季奧運(yùn)會(huì)的臨近，對(duì)于雪陸相結(jié)合的訓(xùn)練器材的需求也日益增加.目前所使用的滑雪平衡訓(xùn)練器多為雙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)角度小，雖然可以訓(xùn)練平衡能力但并不能模擬滑雪過(guò)程中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1-2].

僅借助現(xiàn)有的器械進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)不到提高專項(xiàng)能力的效果.此外國(guó)內(nèi)外對(duì)于滑雪平衡訓(xùn)練器的研究主要集中于以下兩個(gè)方面：首先是對(duì)滑雪板性能的研究，例如滑雪板剛度對(duì)于滑雪過(guò)程中力學(xué)的影響[3-6]；其次是對(duì)高山滑雪過(guò)程中對(duì)人體振動(dòng)以及關(guān)節(jié)損傷進(jìn)行研究[7-9].而對(duì)于雪陸相結(jié)合的訓(xùn)練器材的設(shè)計(jì)尚缺少相關(guān)研究.基于以上現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一款新型滑雪運(yùn)動(dòng)員平衡訓(xùn)練器，能夠更加真實(shí)地模擬滑雪過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為雪陸相結(jié)合的訓(xùn)練方式提供訓(xùn)練器材.

1 滑雪運(yùn)動(dòng)員平衡訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

1.1 滑雪運(yùn)動(dòng)員平衡訓(xùn)練器組成

根據(jù)所要達(dá)成的目標(biāo)，將滑雪平衡訓(xùn)練器設(shè)計(jì)為側(cè)面擺動(dòng)單元、上下擺動(dòng)單元、水平旋轉(zhuǎn)單元、數(shù)據(jù)收集單元和整體框架5個(gè)部分.側(cè)面擺動(dòng)、上下擺動(dòng)和水平旋轉(zhuǎn)3個(gè)單元可以實(shí)現(xiàn)多方位、多動(dòng)作、多強(qiáng)度的訓(xùn)練目標(biāo).數(shù)據(jù)收集單元可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的滑雪速度與加速度進(jìn)行采集和分析，以保證訓(xùn)練的可靠性，使運(yùn)動(dòng)員更快地找到自己在滑雪過(guò)程中力度使用與角度轉(zhuǎn)換的不足之處，便于進(jìn)一步針對(duì)性地改進(jìn)與練習(xí).整體框架的設(shè)計(jì)則是為了對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度進(jìn)行限定，在一定程度上保證運(yùn)動(dòng)員的安全性.結(jié)構(gòu)方案如圖1所示.

圖1 滑雪運(yùn)動(dòng)員平衡訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)組成

1.2 滑雪運(yùn)動(dòng)員平衡訓(xùn)練器工作原理

數(shù)據(jù)收集單元需要解決的問(wèn)題是如何收集數(shù)據(jù)以及如何收集得更為準(zhǔn)確，以便于運(yùn)動(dòng)員對(duì)后繼的訓(xùn)練做出調(diào)整.因此該設(shè)計(jì)的要求如下：(1)數(shù)據(jù)采集單元的體積不能過(guò)大；(2)數(shù)據(jù)收集要準(zhǔn)確、靈敏；(3)數(shù)據(jù)信息能夠快速處理、分析.根據(jù)以上要求，本文采用陀螺儀集成芯片來(lái)收集運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息，安裝在如圖2所示的凹槽處.

圖2 數(shù)據(jù)收集單元

水平旋轉(zhuǎn)單元要解決的問(wèn)題是使運(yùn)動(dòng)員在平衡訓(xùn)練器上安全地進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，因此該單元的設(shè)計(jì)要求：(1)轉(zhuǎn)速不宜過(guò)快；(2)旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)；(3)可安裝信息采集裝置.針對(duì)以上指標(biāo)及要求，本文設(shè)計(jì)的水平旋轉(zhuǎn)單元如圖3所示，采用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到滑板，以實(shí)現(xiàn)滑板360°旋轉(zhuǎn)以及快速安全地正反轉(zhuǎn).從動(dòng)齒輪一端與滑板之間采用銷連接，以實(shí)現(xiàn)周向與軸向定位，另一端采用推力球軸承以實(shí)現(xiàn)軸向定位.

圖3 水平旋轉(zhuǎn)單元

擺動(dòng)單元需要解決的問(wèn)題是模擬滑雪板擺動(dòng)狀態(tài)，該單元分為上下擺動(dòng)單元和側(cè)面擺動(dòng)單元，所設(shè)計(jì)的平衡訓(xùn)練器的上下擺動(dòng)單元的擺動(dòng)角度范圍為±30°，采用一對(duì)直齒圓柱齒輪將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給滑板，實(shí)現(xiàn)滑板的上下擺動(dòng).其中主動(dòng)齒輪采用齒輪軸以保證強(qiáng)度，從動(dòng)齒輪與傳動(dòng)軸之間采用鍵連接以實(shí)現(xiàn)周向定位.另外采用直流步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)角度的限制.其結(jié)構(gòu)如圖4所示.側(cè)面擺動(dòng)單元的擺動(dòng)角度范圍為±15°，采用銷連接可以實(shí)現(xiàn)滑板的側(cè)面擺動(dòng)，通過(guò)滑板與彈簧支座的相對(duì)位置關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)側(cè)面擺動(dòng)角度的限制，此外限位彈簧可以使側(cè)面擺動(dòng)更加平穩(wěn).上下擺動(dòng)單元結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖4 上下擺動(dòng)單元

圖5 側(cè)面擺動(dòng)單元

安全保護(hù)單元不僅要保證人員的安全，還要確保在此過(guò)程中滑雪的動(dòng)作不受限制.安全保護(hù)單元主要功能有：(1)旋轉(zhuǎn)盤通過(guò)推力球軸承和軸承座與框架進(jìn)行連接，確保人在旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力小且不會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)導(dǎo)致安全繩纏在一起限制其動(dòng)作；(2)系帶可以支撐和控制人體、分散沖擊力，避免人體受到傷害；(3)速差自控器安裝在掛點(diǎn)上，裝有可伸縮長(zhǎng)度的繩(帶、鋼絲繩)，串聯(lián)在系帶掛點(diǎn)之間，在墜落發(fā)生時(shí)起到制動(dòng)作用.安全保護(hù)單元結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 旋轉(zhuǎn)盤

2 傳動(dòng)軸有限元分析

傳動(dòng)軸在工作過(guò)程中不僅要傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力還起到支撐滑板的作用，其應(yīng)力狀態(tài)為彎扭組合，強(qiáng)度和剛度是否滿足使用要求十分關(guān)鍵.本文在三維建模軟件Solidworks中建立平衡訓(xùn)練器三維模型，利用Solidworks靜應(yīng)力分析模塊進(jìn)行有限元分析，以減少開發(fā)周期，使設(shè)計(jì)更加合理[10-11].

所設(shè)計(jì)平衡訓(xùn)練器最大載重量為100 kg，傳動(dòng)軸材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度為240 MPa.在Solidworks靜應(yīng)力分析模塊中對(duì)傳動(dòng)軸與齒輪連接處施加力矩，軸與滑板的銷連接處限制6個(gè)自由度.得到傳動(dòng)軸應(yīng)力如圖7所示，可以看出傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力為186 MPa，出現(xiàn)在傳動(dòng)軸的尺寸突變處，可以通過(guò)加大過(guò)渡圓角來(lái)提高傳動(dòng)軸的強(qiáng)度.另外傳動(dòng)軸與滑板的銷連接處應(yīng)力也較大，這是因?yàn)榇颂幍膹澢鷳?yīng)力最大.由于最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度240 MPa，所以應(yīng)力滿足使用要求.傳動(dòng)軸安全系數(shù)如圖8所示，可以看出最小安全系數(shù)為3.36，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求.

圖7 傳動(dòng)軸應(yīng)力圖

圖8 傳動(dòng)軸安全系數(shù)圖

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)并研制了一款滑雪運(yùn)動(dòng)員平衡訓(xùn)練器，該訓(xùn)練器能夠提高運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中的身體平衡能力以及對(duì)雪板板刃的控制能力.設(shè)有側(cè)面擺動(dòng)單元、上下擺動(dòng)單元、水平旋轉(zhuǎn)單元、數(shù)據(jù)收集單元和整體框架5個(gè)單元.可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員繞X軸±15°擺動(dòng)、繞Y軸360°轉(zhuǎn)動(dòng)、繞Z軸±30°擺動(dòng)，能夠滿足訓(xùn)練要求；通過(guò)建立傳動(dòng)軸有限元分析模型，得到傳動(dòng)軸的應(yīng)力極限以及安全系數(shù)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供依據(jù).