磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統回彈及懸掛裝置的設計與研究

中圖分類號：G863.13/G818.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-3488（2025）03-0025-06

Design and Research on Rebound and Suspension Devices of Magneto-Resistive CrossCountrySkiingSpecial TrainingFeedbackSystem

TANGKun1，SONGAnping2，HANShuai

（Heilongjiang Research Instituteof Sports Science，Harbin 15oo90，China;2.Training Section，Heilongjiang Snow Sports Training Center，Harbin ，China）

Abstract：Todeal with theproblems of traditionalcrosscountryskiing training equipment，such aslarge volume， heavy weight，and inconvenience inportabilitythis study focusesonthedesignofreboundandsuspensiondevices for the magneto-resistive cros-country sking special training feedback system，which allows cross-country skiers to simulate the pole planting action during skiing，thereby exercising upper limb muscle strength and explosive power.Byusing literaturereview，experimental methods，and dataanalysis，thedesignofrebound and suspension devices for the magneto-resistive fedback system was cariedout.Theresults show that elastic ropes are adopted as the core energy storage components of the system's rebound device; composite nylon elastic ropes with a diameter of 5mm are sufficient to meet the needs of athletes’strength training;the suspension device uses

aconnectingplate shaped，whichis suitable for indoor andoutdoormulti-scene suspension and facilitates personalized adjustment according to athletes'body types.Itis recommended to further improve the structure of rebound and suspension devices to enhance thetransmission efficiency of the rebound device and the stability of the suspension device;select lighter and high-strength durable materials to improve equipment portability；and explore intelligent upgrading paths to achieve real-time collection and analysis of training

data.

Key words：cross-country skiing; training equipment; rebound device; suspension device

1研究背景與目的

越野滑雪是一項對運動員體能和技術要求極高的冬季運動項目，為了提升越野滑雪運動員的訓練效果，各國都在積極研發先進的訓練設備及優化訓練技術。傳統的越野滑雪訓練器材往往存在體積大、重量大、不便攜以及難以實施訓練質量監控等弊端，為了解決這些問題，嘗試研發磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統尤為必要。該系統通過磁性阻尼裝置，在盡量保持訓練器材原有阻力及輸出功率的同時，著重縮小阻尼器的體積，從而有效解決器材笨重、不易攜帶的難題。同時，通過有效模擬真實滑雪環境，為運動員提供精準的訓練反饋，以此幫助運動員提高技術水平[]。而系統中的回彈與懸掛裝置要讓越野滑雪運動員模擬滑行時的手撐雪杖動作，在保持穩定性與安全性的前提下，達到鍛煉上肢肌肉力量和爆發力的目的，以此提升運動員的訓練效果與使用體驗。

2研究對象與方法

2.1 研究對象

本文的研究對象是磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統的回彈與懸掛裝置。研究內容包括常見相似器材回彈結構的性能分析、本系統回彈與懸掛裝置的結構設計及材料選擇、裝置回彈效果檢驗等，旨在追求回彈與懸掛裝置結構簡單、結實耐用，使其運行能夠符合真實越野滑雪傳統技術中上肢的運動軌跡[2-4]，為越野滑雪運動員提供穩定的訓練支持。

2.2 研究方法

2.2.1 文獻資料法

通過查閱相關文獻和資料，了解國內外具有相似結構訓練設備的運行原理及所用技術，為本系統回彈與懸掛裝置的設計提供理論依據。

2.2.2 實驗法

設計實驗方案，對回彈裝置進行性能測試。測試內容包括傳動系統與回彈裝置機械結構的合理性與流暢度、裝置的回彈效果與穩定性等。

2.2.3 數據分析法

對實驗數據進行整理和分析，評估回彈裝置的總體性能表現，為后續的優化與改進提供數據支持。

3研究結果分析

3.1回彈裝置的設計

3.1相似訓練器材回彈結構對比

基于《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》[]一文中對系統核心構件一一磁性阻尼裝置的設計，越野滑雪運動員可以通過對抗拉動銅盤旋轉時產生的磁阻達到力量訓練的目的。但在運動員完成上肢的拉伸動作后，系統還需要有反向制動功能讓運動員進行動作回擺，而回彈裝置的作用便是通過能量轉換機制實現系統結構的自動復位，以此保障訓練動作的連貫性。

常見的具有相似結構的訓練器材包括劃船機、滑雪機等，具體結構因器材和機型的差異而有所不同。以具有代表性和多樣性的劃船機為例：其回彈方式可分為以下三類[5-6]（表1）：彈性儲能回彈，如水阻劃船機通過拉伸彈簧或彈力繩儲存彈性勢能，在釋放時轉化為動能驅動槳柄復位。2.鋼片蝸卷回彈，如麥瑞克等品牌劃船機采用金屬鋼片模擬發條原理，通過卷曲形變儲存能量，在恢復原狀時提供回彈扭力。3.電機制動回彈，如部分懸臂式劃船機以彈簧、電機結合制動裝置，通過液壓或磁控系統調節阻力強度，間接控制回彈速度、緩沖回彈沖擊。

進一步從材料和結構角度對比三種回彈方式的特點。其中，彈力繩是由高彈性橡膠或聚氨酯材料制成，通過拉伸時分子鏈的彈性形變儲存機械能。在劃船機使用過程中，當用戶完成劃槳動作后，彈力繩的彈性勢能轉化為動能，驅動拉繩和座椅自動回彈至初始位置。它的能量釋放過程為彈力繩的收縮速度與拉伸長度成正比，回彈過程中能量釋放呈現非線性特征，初期回彈速度較快，后期逐漸衰減，長期使用后因材料分子鏈可能出現斷裂或塑性變形，導致彈性衰減或永久性形變。該種回彈裝置常見于低端劃船機及小型力量訓練器材，成本低且無需復雜機械結構，但會存在耐熱性差、高溫環境易加速材料老化等缺點。

鋼片蝸卷是將高強度合金鋼片卷繞形成緊密螺旋狀，一端固定于芯軸，另一端連接傳動機構。用戶拉動手柄時，鋼片隨芯軸旋轉收緊，松手后，鋼片釋放能量驅動系統回彈。鋼片的回彈力與卷繞角度呈線性關系，如進一步配合傳動齒輪，可以實現回彈過程中能量傳遞的穩定性，確保回彈速度均勻可控，減少機械損耗[7]。鋼片蝸卷具有耐用性高、抗高溫、噪音低的特點，可承受10萬次以上拉伸循環，適合高頻次訓練，常用于中高端機型。

電機制動的核心結構可由螺旋彈簧與電磁制動裝置復合而成，用戶施力時彈簧壓縮儲存能量，完成劃槳動作后，彈簧釋放能量驅動回彈。制動裝置則利用電磁鐵吸引摩擦片產生阻力，以動態方式限制慣性沖擊，保護關節安全，其制動力可通過電流強度精準調節。電機制動方式適用于高強度間歇訓練（HIIT），復合設計兼顧回彈效率與安全性，常見于水阻、磁阻等中高端劃船機[8]及大中型力量訓練器材。

3.2本系統回彈裝置的方案遴選

通過對相似訓練器材回彈結構的對比，發現三種類型的回彈裝置在儲能方式、適用場景上各具優勢和局限性。結合磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統的實際應用需求，可知其首要應考慮與磁阻運行模式形成互補。由于系統本身具有通過磁力動態調節阻抗的核心優勢，因此彈力繩的簡單儲能方式不會干擾磁控制體系。相較之下，鋼片蝸卷可能會限制磁阻的動態響應，而電機制動的復合系統會與磁控制構成重復[9-10]。其次是非線性回彈的專項訓練形式。彈力繩回彈初期快速衰減的非線性釋放特性可以模擬雪杖撐地階段的阻力變化曲線（爆發起動到持續衰減），而鋼片蝸卷的線性回彈雖然穩定，卻缺乏與越野滑雪運動的專項適配性。此外，還要考慮輕量化的結構集成，彈力繩裝置的重量顯著低于鋼片蝸卷（減重約 60% ）和電機制動體系（減重約 35% ），更利于構建懸掛式訓練反饋系統。在系統的模塊化維護、研發周期以及綜合成本方面，經實測，采用快拆接口設計的彈力繩更換耗時僅需 3～5min 遠低于鋼片蝸卷拆卸所需的專業工具操作（平均耗時 45min ），這對于高頻使用的訓練器材維護和成本控制至關重要。在彈力繩裝置與電機制動系統對比方面，彈力繩裝置無需精密齒輪（0.01mm級加工精度）作為傳動機構或經由力反饋算法開發的電機進行控制，可使系統研發周期縮短約2/3。尤其在批量生產時，彈力繩單位成本僅為鋼片蝸卷的 12%～15% ，即使每3個月更換一次繩體，5年使用總成本仍顯著低于其他方案。

基于上述多方面的對比分析，本研究最終選定彈力繩作為磁阻式越野滑雪訓練系統回彈裝置的核心儲能構件。該裝置由彈力繩、槳繩（無彈性手拉繩）傳動模塊、軸承滑輪組及雙軸聯動機構（大帶輪軸/滾輪軸）組成（圖1），其工作原理可分為兩個相位動態解析：一是儲能相位。運動員執行下拉動作時，槳繩牽引大帶輪軸旋轉，將動能轉化為彈力繩的彈性勢能。在此過程中，滾輪軸與軸承滑輪組成的低摩擦導向系統（摩擦系數 μlt;0.02 ）確保能量傳遞效率大于 92% 。二是釋能相位。當運動員完成“推雪”模擬進行“收杖”動作時，彈力繩儲存的彈性勢能通過滾輪軸反向旋轉釋放，驅動槳繩以非線性速率復位（復位加速度峰值達 3.2m/s² ），精準復現雪杖脫離雪面時的動態響應特性[11-12]。該設計通過彈力繩的應變儲能與磁阻系統的電磁阻尼協同發揮作用，實現了對推雪阻力的模擬。

為了滿足回彈裝置重量輕、占用空間小、制作成本低、耐用性高等特點，其主要部件規格及材料為：彈力繩2條，復合尼龍材質，長度 3.5m 直徑 5mm （材料及直徑選擇見3.3節）；槳繩2條，尼龍材質，長度 2m ，直徑 3mm ；滾輪軸2個，長度 99.5mm ，直徑 10mm ，材質為2A12高強度硬鋁；滾輪軸2個，材質為304不銹鋼；軸承滑輪16個，直徑 34mm ，厚度 8.6mm ；大帶輪軸2個，長度 99.5mm ，直徑 8mm ，材質為高級氮化鋼。從整體來看，回彈裝置大多數部件的材質為金屬，其特點是結實耐用，在日常保養方面較為便捷，能夠有效提升器材多場景使用的屬性。

3.3彈力繩材料與直徑選擇

彈力繩的材質選擇需根據具體應用場景進行差異化考量。通過對市場所售健身器材彈力繩材質的調查（表2），發現天然乳膠和TPE（熱塑性彈性體）[13]材料雖然廣泛應用于健身彈力帶產品，但由于其表面缺乏編織層保護，在機械結構應用中存在明顯局限性一經反復摩擦后易出現耐久性不足、抗氧化性能差及斷裂風險高等問題。

基于上述缺陷，本研究排除了這兩種常見的材質方案。進一步對比尋找后發現，由內層TPE材質與外層尼龍編織層復合而成的包芯結構彈力繩（俗稱“復合尼龍彈力繩”）兼具TPE材料的彈性特性與尼龍編織層的機械保護功能，有效克服了前兩種材質的應用缺陷。經實驗測試評估，最終選定該復合尼龍彈力繩作為本系統儲能裝置的核心功能部件。

在選定復合尼龍彈力繩作為儲能部件后，接下來對其直徑進行選擇，目的是使該裝置在符合技術要求的同時，達到占用空間最小、重量輕便等目標。通過對市面上常見的不同規格復合尼龍彈力繩性能的對比（表3），發現 5mm 的復合尼龍彈力繩極限拉力范圍在 2700～3500ΔN 。已知高水平運動員使用劃船機的峰值力量負荷約為2500～3000N ，因此 5mm 的復合尼龍彈力繩已可以適用于高水平越野滑雪運動員的訓練強度。

3.2懸掛裝置的設計

3.2.1 懸掛裝置的結構

為使磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統能在更多場景下使用，本研究設計了一種可調節的懸掛裝置，可以滿足運動員在室內（力量房、訓練館）、室外（田徑場、健身路徑）多場景下進行專項力量訓練的需求。同時，懸掛裝置能夠根據運動員的不同身材進行調節，確保不同使用對象在訓練過程中的舒適性與安全性。懸掛裝置由懸掛連接軸2個（圖1左右機頭）、連接板1塊、調節螺母6個、特制膨脹螺栓2個、S形掛件2個、保險卡鉤吊繩4支構成，上述部件均為304不銹鋼材質。其中，作為懸掛裝置核心部件的連接板長530mm、寬 206mm ，與器材規格相匹配（圖2）。這種結構設計是為了將兩個懸掛連接軸掛在連接板上，連接軸上設有固定螺絲開孔，再配合調節螺母將左右兩側機頭固定在連接板上。連接板上沿有4個固定螺絲開孔，下沿有2個長 223mm 的鏤空槽，其作用是當松開螺母的時候可以左右調節兩側機頭的間距，以使槳繩初始位置與運動員的肩部同寬，提高其訓練的舒適性并使手臂運動軌跡更加合理。

3.2.2懸掛裝置的應用場景與使用方法

訓練場館：把磁阻式越野滑雪專項訓練系統通過懸掛裝置連接板上的“固定墻面預留孔”用特制膨脹螺栓固定到墻面上，使其實現穩定安全。其中，特制膨脹螺栓突出墻面的一端可在預留孔內上下調節，以滿足不同身高的運動員進行訓練，并且可以隨時拆卸。

室內健身房：可以把磁阻式越野滑雪專項訓練系統懸掛在健身房常見的史密斯龍門架上。使用時將S形掛件一側掛于龍門架的橫梁上，另一側穿過懸掛裝置連接板上的“便捷懸掛器開孔”與之相連接，從而實現器材懸掛。此方法經實際效果檢驗，完全可以達到穩定、牢固、進行專項力量訓練的效果。

田徑場：該場景符合懸掛條件的器具包括足球場的球門、單杠、雙杠等，此時可利用304不銹鋼材質的“保險卡鉤吊繩”（圖3）進行裝配懸掛。裝配時將2支吊繩固定在球門橫梁或單雙杠上，另外2支吊繩固定在球門或單雙杠的兩側立柱上；將保險卡扣的一側分別掛在懸掛系統連接板的4個“便捷懸掛器開孔”處，通過調節鋼絲繩的長度來確定器材的高度，并用鋼絲繩鎖線器固定好鋼絲繩。此方法經實測安全穩定，可滿足訓練需求。

戶外健身場所：該場景指的是小區、公園、公共場所的健身路徑或其他具有一定高度的橫梁結構的設施都可以進行該器材的懸掛使用，使用

總體而言，磁阻式越野滑雪專項訓練系統可調節的懸掛裝置能夠滿足運動員的個性化訓練需求，使每名運動員都能根據自己的身體狀況和條件進行個性化調整，從而提高訓練的針對性和有效性。穩定的懸掛裝置為運動員提供了良好的發力支撐，有助于運動員在力量訓練過程中保持正確的姿勢和動作，從而提升訓練質量[14-5]。舒適安全的回彈結構也有助于減少運動損傷風險，促進運動員技術能力的長期發展，并使器材具有顯著的創新性和實用性。

4結論與建議

4.1結論

本研究選用彈力繩作為磁阻式越野滑雪訓練系統回彈裝置的核心儲能構件，并配合槳繩傳動模塊、軸承滑輪組及雙軸聯動機構，共同構成系統回彈裝置。

2.彈力繩選用復合尼龍材質，其兼具內部彈性特性與外部機械保護功能，結實耐用，回彈效果穩定；彈力繩采用 5mm 直徑，足以為運動員提供穩定、安全、高效的訓練條件。

3.懸掛裝置設計采用“幾”字型連接板，使器材適用于室內外多場景的懸掛；連接板上不同位置與尺寸的開孔，方便運動員依據身材進行個性化調節，有效提升訓練質量。

4.2建議

后續應對回彈裝置和懸掛裝置的結構予以改進，著重提高回彈裝置的傳動效率，減少能量耗散，進一步優化懸掛裝置的結構與穩定性。2.研選更輕量且具有高強度的耐用材料，進一步減輕回彈裝置和懸掛裝置的重量，提高器材的便攜性。3.探索智能化升級路徑，將智能化技術應用于回彈裝置，實現訓練數據的實時采集和分析，為運動員提供更加個性化的訓練反饋與指導。

參考文獻：

[1］唐琨，韓帥，朱明.磁阻式越野滑雪專項訓練反饋系統阻

[2］張振鵬.基于慣性傳感的傳統式越野滑雪典型技術動作識別方法研究[D].太原：中北大學，2023.

[3］劉程林，劉玉潔，田源，等.撐杖外展角對坐姿越野滑雪雙杖推撐技術的做功效率和生物力學特性影響分析[C]/中國體育科學學會.2024年國際競技體育生物力學論壇暨第二十三屆全國運動生物力學學術交流大會論文摘要集.首都體育學院，體育人工智能研究所；上海體育科學研究所（上海市反興奮劑中心），2024：873-875.

[4]陳雪，劉程林，霍波.用于坐姿越野滑雪雙杖推進上肢肌力評估的EMG驅動模型：模型的開發和驗證[J].醫用生物力學，2024，39（S1）：502.

[5］魔金石科技.水阻雙磁劃船機怎么選？麥瑞克、MOK拆機詳解，看完實測再入手[EB/OL].（2023-05-15）[2024-12-28].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1765947262766799534amp;wfr=spideramp;for=pc.

[6]山子與海.劃船器知識全解析：分類、磁阻系統及更多https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1822458023474602549amp;wf spideramp;for=pc.

［7］方濤.機械彈性儲能平面蝸卷彈簧及其連接力學性能分析[D].北京：華北電力大學，2018.

[8］吳迪.劃船健身機設計要素研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2017.

［9］龔飛黃.基于解析法的電機驅動系統電磁干擾建模及影響因素研究[D].杭州：浙江大學，2022.

[10]陳浩.變頻電機驅動系統傳導電磁干擾與抑制研究[D].杭州：浙江大學，2019.

[11]王思詩.影響青少年越野滑雪運動員雙撐技術滑速的運動學因素研究[D].武漢：武漢體育學院，2022.

[12]劉強.吉林省優秀男子越野滑雪運動員V1技術運動學分析[D].長春：東北師范大學，2022.

[13]立恩TPE材料廠家.TPE材料的特性有哪些？[EB/OL].（2024-10-28）[2025-01-15].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1814124123050385773amp;wfr=spideramp;for=pc.

[14]蔡旭旦，毛麗娟，張蓓，等.跨項目運動員越野滑雪長期訓練運動能力變化：基于運動機能監控的研究[JJ].體育科學，2021，41（8）：3-13.

[15]尚磊，蔡旭旦，張蓓，等.不同水平男子越野滑雪運動員自由式滑輪長距離比賽表現及其專項耐力和力量素質的關聯性探究[J].首都體育學院學報，2023，35（6）：639-652.