磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統阻尼裝置的設計與研究

摘 要：為填補我國在越野滑雪訓練器材研發與應用領域的空白，解決各類越野滑雪訓練器材體積大、質量重、不便攜以及難以實施訓練質量監控等問題，目標研發磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統。通過文獻資料法、對比研究法和實驗法等，圍繞風阻、水阻、磁阻三類主要的訓練器阻尼模式，對越野滑雪專項訓練反饋系統中的阻尼裝置進行設計。經過實驗測試，以磁阻為越野滑雪專項訓練反饋系統的主要阻尼方式，采取手動螺栓的方式進行變阻調節，大多數部件的材質選擇不銹鋼，以此實現體積小、質量輕、結構簡單、結實耐用以及成本低等要求。建議后續進一步優化阻尼裝置的功率測試實驗，嘗試利用彈簧撥片的方式進行快速阻力調節，定期對器材做好潤滑及日常維護保養。

關鍵詞：越野滑雪；訓練器械；阻尼裝置；電磁阻尼

中圖分類號：G863.13/G818.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-3488（2024）04-0013-05

The Design and Research on the Damping Device of theMagneto-Resistive Cross-Country Skiing Specialized Training Feedback System

TANG Kun， HAN Shuai， ZHU Ming

（Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China）

Abstract： In order to fill the vacuum in the research and development of cross-country skiing training equipment in China， and to solve the problems of large size， heavy weight， non-portability， and difficulty in monitoring the training quality of various types of cross-country skiing training equipment， the goal is to develop a magneto-resistive cross-country skiing special training feedback system. Through literature review， comparative research and experimental methods， the damping device in the cross-country skiing training feedback system is designed around the three main types of trainer damping modes： wind resistance， water resistance and magnetic resistance. After experimental testing， magnetic resistance is the main damping mode of the cross-country skiing special training feedback system， and manual bolts are adopted to adjust the variable resistance， and the material of most parts is stainless steel， so as to realize the requirements of small volume， light weight， simple structure， strong durability and low cost. It is recommended to further optimize the power test experiment of the damping device， try to use the spring paddle for fast resistance adjustment， and regularly lubricate and maintain the equipment.

Key words： cross-country skiing; training equipment; damping devices; electromagnetic damping

1 研究背景與目的

越野滑雪是冬奧會重要比賽項目之一，被稱為“雪上馬拉松”[1]，其項目特點是借助滑雪器械，運用滑行、蹬坡、轉彎、滑降等基本技術在山林之間滑行[2]。黑龍江省作為我國冰雪運動強省，培養出眾多優秀的越野滑雪運動員。在前不久結束的中華人民共和國第十四屆全國冬季運動會越野滑雪項目比賽中，黑龍江省共派出21名越野滑雪運動員參加17個小項的比賽，獲得金牌12枚，占該項目金牌總數的2/3[3]。但是，越野滑雪項目在我國整體起步較晚，與北歐滑雪強國相比還存在很大的劣勢。隨著進入米蘭冬奧會周期，如何完善我國越野滑雪項目后備人才培養機制[4]，提高運動員專項力量和競技水平，縮小我國與滑雪強國之間的差距，是現階段需要深入探討的問題。

越野滑雪專項訓練主要由速度、爆發力量、有氧耐力、滑行技術、專項力量等構成[5-6]，其中，專項力量是提升越野滑雪運動員競技能力的關鍵因素之一。因此，利用專項力量訓練器械增強運動員的上下肢及腰腹核心力量是越野滑雪運動員提升能力和競技水平的有效途徑[7-8]。目前，國內外越野滑雪訓練器材多以滑雪機或拉力器為主，雖然可以幫助越野滑雪運動員進行專項力量訓練，但此類器材通常需要一定的占地面積，質量大不易挪動，靈活性差攜帶不便；訓練質量無法被實時科學化監控，訓練參數無法數據化體現；抗阻模式多依靠傳統的風輪增加阻力，抗阻反應不靈敏，數據精準性差；設備價格較貴，配件及維修成本高，無法有效滿足越野滑雪運動隊轉地或室外訓練的需求。為此，本研究旨在設計一款新型的磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統，以填補我國在磁阻式滑雪訓練器材研發與應用領域的空白。其中的磁阻式阻尼裝置，在保持原有阻力輸出功率的同時，盡量縮小阻尼器的體積，從而有效解決訓練器材笨重、不易攜帶等難題，并為磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統的整體研發奠定基礎。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本文的研究及設計對象為磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統中的阻尼裝置（圖1）。

2.2 研究方法

2.2.1 文獻資料法

以“越野滑雪專項訓練器械”“阻尼器”[9]“液體阻尼器”[10]“氣體阻尼器”“電磁阻尼器”[11]等為關鍵詞，利用中國知網、圖書館等多種途徑查閱與本研究有關的文獻和書籍，通過了解該領域的研究現狀，為本研究提供理論支撐。

2.2.2 對比研究法

將功能相似、阻尼方式不同的訓練器進行橫向對照，通過比較風阻、水阻、磁阻裝置在構造方面的差異和功率方面的變化，得出“磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統”適宜的阻尼方式和結構。

2.2.3 實驗法

通過對結構、材料以及阻尼方式等幾方面進行實驗比對，以及進行局部零件制作、簡易拼裝、合理性檢驗等實施步驟，從中選擇最優方案，加工出專項訓練系統的阻尼裝置。

3 研究結果與分析

阻尼裝置作為磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統中的核心部件，其作用是當運動員利用這套系統進行專項力量或專項技術訓練時，起到增加阻力的效果，模擬運動員在雪地或公路實際滑行中，雪杖與地面接觸時的反作用力。通過調節阻力的大小，教練員可以根據不同訓練內容對運動員進行有針對性的專項練習。阻尼裝置的主體由永磁鐵、力矩軸、力矩軸組件、磁極背板、磁極支架、轉動銅盤等部件組成，但該阻尼裝置相比于同類訓練器材或健身器材的阻尼裝置，應追求體積小、質量輕、結構簡單、結實耐用以及成本低等特點。因此，其結構設計和阻尼方式是研究的重點，如何利用永磁鐵在做功過程中增大阻力以及進行阻力的調節是研究的難點。

3.1 阻尼方式的選擇

3.1.1 常見阻尼裝置工作原理

在設計初期，研究考慮了常見的三種阻尼方式：氣體阻尼、液體阻尼、電磁阻尼。通過對三類阻尼裝置進行拆解、研究、分析、對比實驗以及結合訓練場景，從中選擇合理方案進行下一步的器材設計制作。首先是氣體阻尼方式，其在體育訓練器材領域的應用有風阻滑雪機、風阻劃船機、風阻功率自行車等。氣體阻尼器的主要組成包括可調槳葉片、飛輪軸、變槳殼體、排風罩、風阻外殼體、傳動齒輪、鏈條等，其工作原理是利用風箱中的扇葉攪動氣流形成阻力，并通過控制出風口風量、拉槳繩或改變踏頻、踏速實現對阻力的調節。其次是液體阻尼方式，其在體育訓練器材領域的應用主要是水阻劃船機。液體阻尼器主要由阻尼裝置、回彈機構、滑軌、拉桿、腳踏板等部分組成，其中阻尼裝置的結構與風阻器相似，由一個封閉的水箱、傳動軸、槳葉等部件組成，工作原理則是利用密閉水箱中的槳葉旋轉擊水形成阻力[12-13]，通過控制水量、葉片角度和拉槳速度實現阻力調節。最后是電磁阻尼方式，其廣泛應用于健身車、橢圓機、劃船機（磁阻）等常規健身器械。電磁阻尼器借助磁鐵與轉動銅盤（鐵質飛輪）之間的磁場產生運動阻力，通過控制磁鐵與轉動銅盤之間的距離調節阻力的大小，距離越近阻力越大。電磁阻尼源于電磁感應原理[14]，當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，產生阻礙導體運動的現象[15]。相比而言，電磁阻尼裝置的調節方式更為便捷，可以通過“旋鈕+拉線”或“電控+按鈕”的方式靈活調節阻力。

3.1.2 阻尼裝置對比實驗

研究三款市面常見的不同阻尼方式（風阻、水阻、磁阻）的訓練器械后發現，不同阻尼裝置的器械各有優缺點。首先是阻尼變化。磁阻雖然便于調節，但同一檔位的阻力水平基本是固定的；風阻和水阻隨著用力越大、葉片轉動速度越快，就會產生越大的阻力，阻力始終是動態變化的，尤其水阻最為明顯。其次是噪音問題。風阻和水阻訓練器在工作過程中噪音較大，而磁阻訓練器的噪音則要小很多。最后是耐用程度。風阻和水阻訓練器塑料部件較多，如槳葉、殼體等，特別是水阻訓練器的水箱，在使用或者運輸過程中容易出現損壞、漏液等問題；磁阻訓練器的主體部件以鋼材為主要制作材料，具有結實耐用、不易損壞的特點。

對三款阻尼訓練器械簡易改造后進行合理性對比實驗，受試者為專業男子越野滑雪運動員。實驗過程中，受試者分別拉動三款訓練器的1檔位（阻力小）和5檔位（阻力大），以最大轉速拉動10次，分別記錄最高峰值功率。再將風阻裝置、水阻裝置更換為等比例縮小的直徑20 cm的槳葉，重新安裝回滑雪機、劃船機上；磁阻裝置通過機床局部切割方式加以改裝，制作成直徑20 cm的轉動銅盤，并匹配相應的磁極背板、力矩軸、8塊永磁鐵等。改裝后再由同一運動員拉動三款訓練器的1檔位和5檔位，各勻速拉動10次，分別記錄最高峰值功率。最后，將三款訓練器改裝前后的峰值功率進行對比，變化及結果，見表1。

通過對比表1中各訓練器的功率可以發現，改裝后磁阻健身車的功率相對于改裝前的功率損耗最小。磁阻訓練器在改裝后雖然轉動銅盤直徑同比例縮小，但在有限尺寸的磁極背板上，我們選擇鋁鎳鈷磁鐵，其具有高磁性、溫度穩定性好、抗腐蝕性強、矯頑力相對較低、磁通密度高等特點[16]，可以有效保持功率。經過以上實驗分析并綜合考慮三種阻尼方式的優缺點和適配性，研究最終選擇開發磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統。

3.2 阻尼裝置主要部件的規格

為了能夠滿足磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統體積小、質量輕、方便攜帶等特點，阻尼裝置的直徑應控制在30 cm以內。經綜合設計，裝置主要部件即為圖1中的磁鐵、轉動銅盤、磁極背板、手動螺桿，其規格及材料：磁鐵共8枚，直徑50 mm；轉動銅盤直徑134 mm，整體厚度15.8 mm；磁極背板由內圈和外圈組成，外圈直徑137 mm，內圈直徑115.2 mm，鋼質材料，表面鍍鋅；手動螺桿長59 mm，材質為M8不銹鋼。此外，阻尼裝置還包括磁極支架、6003Z軸承2個、軸承座1個、同步小帶輪1個，需用膠與其他部件粘牢并做動平衡的M6×15螺釘1枚，用于標記阻尼的調針等零部件，因篇幅所限具體規格從略。整體來看，阻尼裝置大多數部件的材質為不銹鋼，其特點是結實耐用，在日常保養方面較為便捷，具有便攜和多場景使用的屬性。

3.3 阻尼裝置的阻力調節方式

雖然已知磁阻裝置阻力的大小是通過磁鐵與轉動銅盤之間的距離遠近來調節，但具體采取何種方式來調節這一間距，仍值得探究。因此，對以下三種調節方案進行實驗和篩選。

3.3.1 推拉桿調節

推拉桿為金屬材料，預想的調節方式是將其一端固定在磁極背板的磁鐵上，以直線推拉的方式來控制磁鐵與轉動銅盤之間的距離，從而達到調節阻力大小的目的。在推拉桿行進路線的兩側放置2塊齒形面板，使每段齒形凹槽的距離代表一個阻力擋位，再于推拉桿中間位置焊接橫梁，橫梁兩端為彈性結構。當橫梁位于齒形面板凸起處時，橫梁兩端彈性結構壓縮至最短；當橫梁位于齒形面板凹槽處時，橫梁兩端彈性結構將得到釋放并卡到凹槽里。在推拉桿連帶的磁鐵距離轉動銅盤最遠時阻力最小，推拉桿每前進一個齒形凹槽，阻力就會增大一些，直至推拉桿連帶的磁鐵移至與轉動銅盤距離最近時，阻力達到最大值。

但在實驗中發現，推拉桿調節方式存在兩大弊端：一是不便解決齒形面板的固定問題。當把2塊齒形面板放置在推拉桿行進路線兩側時，需要同時把2塊齒形面板固定，雖然可以通過設置“立柱”或用阻尼裝置的外殼頂住齒形面板來實現固定，但這就需要后期設計阻尼裝置外殼時在內部這一區域留出充足的空間，導致阻尼裝置整體體積的增大。二是推拉桿難以穩定地保持直線運動軌跡。由于推拉桿一端固定在磁極背板的磁鐵上，另一端需要保持活動狀態，導致桿體在推拉過程中很容易出現晃動，使焊接的橫梁無法穩定地卡在齒形面板的凹槽中，甚至可能出現脫滑現象。

3.3.2 手動螺栓調節

螺栓是金屬材質的圓柱形帶螺紋的緊固件，由螺頭和螺桿兩部分組成，螺頭制作成手輪形狀，螺桿是帶有外螺紋的圓柱體（圖2）。螺頭一側用于手動旋轉，螺桿一側插入力矩軸組件和轉動銅盤；轉動銅盤中心打孔，孔壁加工成內螺紋與螺栓形成緊固組件（圖3）。當順時針旋轉螺頭時，螺栓沿著軸向前進，縮小轉動銅盤與磁極背板的間距，使阻尼裝置的阻力增大；當逆時針旋轉螺頭時，螺栓沿著軸向后退，增大轉動銅盤與磁極背板的間距，使阻尼裝置的阻力減小。這種手動螺旋結構較為簡單，零部件加工制作也相對容易。實驗中，依靠螺紋調節阻力的過程比較穩定，沒有出現脫滑現象，但是手動調節阻力的過程相對較長，將阻力從最小值調到最大值，至少需要15 s，存在少許的不便捷問題。

3.3.3 電動調節

相比于手動推拉或旋轉螺栓，電動調節無疑是最快速、便捷的方法，但是其結構設計和內部布局安裝也是最復雜的，同時由于加入了驅動電機，器材的體積也隨之增大。

方案一：設計初期的預想是在不考慮空間大小的前提下，在手動螺桿的基礎上增加電機，形成“驅動電機+變阻結構”的電動阻尼模式，從而達到電動調節的效果，縮短調節時間。但在實驗及制作過程中發現，電驅動裝置是由正反轉電動馬達連接大小齒輪、力矩組件等零件組成，需將原有螺桿的頭部換成齒輪，再與驅動裝置相連接。當馬達通電旋轉時，小齒輪帶動大齒輪，再通過力矩組件帶動螺桿，但電動馬達的轉速要達到一定的要求，不然無法帶動變阻系統工作。在滿足以上功能要求后，便要兼顧占用空間的大小問題，綜合考慮后，選用型號為80KTYZ-B，功率60 w，轉速為5～110 r/min，尺寸為9 cm×10 cm的正反轉電動馬達。但在模擬試用時發現，即使將該馬達設置成最大轉速，阻力調節的速度依舊不能盡如人意，其原因可能是整體結構損耗了馬達原有的機械效率。同時，當馬達從正轉模式切換成反轉模式后，齒輪與力矩的傳導也不是很流暢，經常發生卡殼的現象。

方案二：這一預想同樣采取“驅動電機+變阻結構”的阻尼模式，但與方案一的區別在于變阻結構發生變化。這次用鋼彈簧與磁極背板相連接，通過驅動電機拉動鋼纜（鋼纜連接彈簧一端）使彈簧發生形變，改變磁鐵與轉動銅盤的距離，從而調節阻力的大小。其中，轉動銅盤、磁極背板、鋼彈簧應保持在同一軌道上，這就需要在兩側添加2根鐵柱作導軌。為使變阻結構能夠在導軌上穩定滑行，實驗在磁極背板兩側制出半圓形的凹槽，將鐵柱卡在凹槽里。但這一方案在實驗過程中同樣暴露出明顯的弊端，即若要追求驅動電機體積小，則其輸出功率也比較小。此時要么電機很難拉動鋼纜所連接的鋼性彈簧，要么拉動彈簧的速度非常緩慢，達不到電動調節阻尼的理想效果。

綜上所述，在磁阻訓練器內部空間有限的前提下，阻尼裝置很難實現電動調節，采取手動螺栓調節的方式仍為一種權宜之策。

4 結論與建議

4.1 結論

1. 本研究以磁阻為越野滑雪專項訓練反饋系統的主要阻尼方式，既保證合理的阻力輸出，又較好地控制阻尼裝置的體積。

2. 采取手動螺栓調節的變阻方式，在質量較輕、無需復雜結構加以固定的情況下，使阻尼裝置得以穩定工作。

3. 阻尼裝置大多數部件的材質選擇不銹鋼，用于增強阻尼裝置的使用強度，提高耐用性，并便于日常保養和多場景使用。

4.2 建議

1. 在進行阻尼裝置的功率測試時，實驗過程不夠嚴謹，例如當運動員拉繩方向與掛置于上方的訓練器呈120°時，訓練器產生的阻力最大。但如果拉動的角度發生改變，就會影響阻力數值和檔位功率。因此，在后續的測試中應進一步固定好拉繩的抽拉角度和運動員的站立位置。

2. 目前阻尼裝置依靠手動螺栓調節阻力，變阻需要花費較長時間。而運動員在訓練時，想要模擬不同的技術動作，就需要頻繁改變阻力的大小，從而造成時間浪費。后續需進一步對阻尼裝置的變阻調節方式進行改良，可以嘗試利用彈簧撥片的方式實現快速調節阻力的目的。

3. 由于阻尼裝置為機械結構，在日常維護保養時應注意放置在通風干燥處，并定期為各零部件添加潤滑油。

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基金項目：黑龍江省省屬科研院所科研業務費項目（CZKYF2023-1-C037）；國家知識產權專利申請號（202421623851.7）。

第一作者簡介：唐 琨（1990-），男，黑龍江漠河人，助理研究員，研究方向為運動生理及運動訓練學。

通信作者：朱 明（1982-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，副研究員，研究方向為運動生物力學。