一款新型滑雪運動員平衡訓練器的設計

劉維維，張耀娟，趙潤源，周海洋

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

單板平行大回轉滑雪運動是冬季體育競技比賽項目之一，也是我國參加冬季奧運會的正式比賽項目.隨著我國2022年冬季奧運會的臨近，對于雪陸相結合的訓練器材的需求也日益增加.目前所使用的滑雪平衡訓練器多為雙板結構設計，回轉角度小，雖然可以訓練平衡能力但并不能模擬滑雪過程中的真實運動狀態[1-2].

僅借助現有的器械進行訓練，達不到提高專項能力的效果.此外國內外對于滑雪平衡訓練器的研究主要集中于以下兩個方面：首先是對滑雪板性能的研究，例如滑雪板剛度對于滑雪過程中力學的影響[3-6]；其次是對高山滑雪過程中對人體振動以及關節損傷進行研究[7-9].而對于雪陸相結合的訓練器材的設計尚缺少相關研究.基于以上現狀，本文設計了一款新型滑雪運動員平衡訓練器，能夠更加真實地模擬滑雪過程中的運動姿態，為雪陸相結合的訓練方式提供訓練器材.

1 滑雪運動員平衡訓練器設計

1.1 滑雪運動員平衡訓練器組成

根據所要達成的目標，將滑雪平衡訓練器設計為側面擺動單元、上下擺動單元、水平旋轉單元、數據收集單元和整體框架5個部分.側面擺動、上下擺動和水平旋轉3個單元可以實現多方位、多動作、多強度的訓練目標.數據收集單元可以對運動員的滑雪速度與加速度進行采集和分析，以保證訓練的可靠性，使運動員更快地找到自己在滑雪過程中力度使用與角度轉換的不足之處，便于進一步針對性地改進與練習.整體框架的設計則是為了對運動幅度進行限定，在一定程度上保證運動員的安全性.結構方案如圖1所示.

圖1 滑雪運動員平衡訓練器結構組成

1.2 滑雪運動員平衡訓練器工作原理

數據收集單元需要解決的問題是如何收集數據以及如何收集得更為準確，以便于運動員對后繼的訓練做出調整.因此該設計的要求如下：(1)數據采集單元的體積不能過大；(2)數據收集要準確、靈敏；(3)數據信息能夠快速處理、分析.根據以上要求，本文采用陀螺儀集成芯片來收集運動員的運動數據信息，安裝在如圖2所示的凹槽處.

圖2 數據收集單元

水平旋轉單元要解決的問題是使運動員在平衡訓練器上安全地進行360°旋轉，因此該單元的設計要求：(1)轉速不宜過快；(2)旋轉時應平穩；(3)可安裝信息采集裝置.針對以上指標及要求，本文設計的水平旋轉單元如圖3所示，采用直齒圓錐齒輪傳動將步進電機的運動和動力傳遞到滑板，以實現滑板360°旋轉以及快速安全地正反轉.從動齒輪一端與滑板之間采用銷連接，以實現周向與軸向定位，另一端采用推力球軸承以實現軸向定位.

圖3 水平旋轉單元

擺動單元需要解決的問題是模擬滑雪板擺動狀態，該單元分為上下擺動單元和側面擺動單元，所設計的平衡訓練器的上下擺動單元的擺動角度范圍為±30°，采用一對直齒圓柱齒輪將步進電機的運動和動力傳遞給滑板，實現滑板的上下擺動.其中主動齒輪采用齒輪軸以保證強度，從動齒輪與傳動軸之間采用鍵連接以實現周向定位.另外采用直流步進電機以實現對擺動角度的限制.其結構如圖4所示.側面擺動單元的擺動角度范圍為±15°，采用銷連接可以實現滑板的側面擺動，通過滑板與彈簧支座的相對位置關系可以實現側面擺動角度的限制，此外限位彈簧可以使側面擺動更加平穩.上下擺動單元結構如圖5所示.

圖4 上下擺動單元

圖5 側面擺動單元

安全保護單元不僅要保證人員的安全，還要確保在此過程中滑雪的動作不受限制.安全保護單元主要功能有：(1)旋轉盤通過推力球軸承和軸承座與框架進行連接，確保人在旋轉時阻力小且不會因為旋轉導致安全繩纏在一起限制其動作；(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上，裝有可伸縮長度的繩(帶、鋼絲繩)，串聯在系帶掛點之間，在墜落發生時起到制動作用.安全保護單元結構如圖6所示.

圖6 旋轉盤

2 傳動軸有限元分析

傳動軸在工作過程中不僅要傳遞運動和動力還起到支撐滑板的作用，其應力狀態為彎扭組合，強度和剛度是否滿足使用要求十分關鍵.本文在三維建模軟件Solidworks中建立平衡訓練器三維模型，利用Solidworks靜應力分析模塊進行有限元分析，以減少開發周期，使設計更加合理[10-11].

所設計平衡訓練器最大載重量為100 kg，傳動軸材料為優質碳素結構鋼，屈服強度為240 MPa.在Solidworks靜應力分析模塊中對傳動軸與齒輪連接處施加力矩，軸與滑板的銷連接處限制6個自由度.得到傳動軸應力如圖7所示，可以看出傳動軸的最大應力為186 MPa，出現在傳動軸的尺寸突變處，可以通過加大過渡圓角來提高傳動軸的強度.另外傳動軸與滑板的銷連接處應力也較大，這是因為此處的彎曲應力最大.由于最大應力小于材料的屈服強度240 MPa，所以應力滿足使用要求.傳動軸安全系數如圖8所示，可以看出最小安全系數為3.36，說明所設計的結構能夠滿足使用要求.

圖7 傳動軸應力圖

圖8 傳動軸安全系數圖

3 結 論

設計并研制了一款滑雪運動員平衡訓練器，該訓練器能夠提高運動員在運動中的身體平衡能力以及對雪板板刃的控制能力.設有側面擺動單元、上下擺動單元、水平旋轉單元、數據收集單元和整體框架5個單元.可實現運動員繞X軸±15°擺動、繞Y軸360°轉動、繞Z軸±30°擺動，能夠滿足訓練要求；通過建立傳動軸有限元分析模型，得到傳動軸的應力極限以及安全系數，說明所設計的結構能夠滿足強度要求，為相關設計提供依據.