塑料及復(fù)合材料在體育運動器械設(shè)計中的應(yīng)用

曹 璐，姜子景

(1.西安文理學(xué)院，陜西 西安 710065;2.西安文理學(xué)院 體育學(xué)院，陜西 西安 710065)

塑料與復(fù)合材料是近年材料科學(xué)發(fā)展的新興方向。與傳統(tǒng)金屬材料相比，塑料與復(fù)合材料承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長。將它們應(yīng)用于體育器材中，制造和安裝的成本更低，產(chǎn)品的環(huán)保效益更明顯、力學(xué)特性更優(yōu)異；從長遠角度看，經(jīng)濟效益更客觀。因此，將其用在運動器械的設(shè)計應(yīng)用，可更加大了運動器械的使用價值。

1 引用塑料及復(fù)合材料在體育運動器械設(shè)計中的原因

近年來，“以塑代鋼”在體育器械中的表現(xiàn)尤為搶眼，如華士達工程塑膠致力研發(fā)高性能的體育器械材料，用其制造的器械能經(jīng)受日曬、雨淋、嚴(yán)寒等不同氣候條件的考驗，且滿足長期的使用要求，被廣大體育器械制造商所信賴。

像鋼材、超合金作為運動器械的“關(guān)節(jié)”這樣的傳統(tǒng)設(shè)計，會隨著使用時間的推移，造成金屬疲勞甚至金屬失效等問題，即使不常使用，季節(jié)溫度的變化也會導(dǎo)致其出現(xiàn)以上的問題。而且與人體頻繁接觸的部位，不僅會有外表面的物理磨損，也有被人體汗液腐蝕的化學(xué)不可逆損傷。因此像塑料及復(fù)合材料在運動器械設(shè)計中的優(yōu)勢尤為明顯，不但可以在運動器械的關(guān)鍵位置消除金屬疲勞，消除金屬失效，隔絕腐蝕，還可有效提高運動器械的使用年限。

塑料及復(fù)合材料會因為具有輕質(zhì)特性而使得拆卸、安裝、維修等更便利，并且輕質(zhì)材料具有減震性能好等特點用于轉(zhuǎn)軸的設(shè)計，如有損壞，可以快速高效的更換零件；即使設(shè)計用于靠背和扶手，損壞了也能夠方便的更換。

塑料及復(fù)合材料強度很高，相對較少的材料用量即可滿足同等力學(xué)性能的需要，進而實現(xiàn)體育器材的質(zhì)量進一步減輕。體育器械的材料除了具備強度高之外，還需具備韌性好的特性；同時具備比韌性好和比強度高的材料非常適合應(yīng)用于體育器械中。如鋁、鋼之類的金屬力學(xué)性能好，但是其韌性遠遠低于樹脂基纖維復(fù)合材料。

塑料及復(fù)合材料用于室外環(huán)境，長期接受風(fēng)吹雨打、陽光暴曬，會受到雨雪、氧氣、紫外線等的侵蝕；因此，室外體育器械的材料需具備耐腐蝕和抗老化等性能。塑料及復(fù)合材料具備這些特性，可以用于戶外體育器械中。

根據(jù)塑料及復(fù)合材料的的特性，強度高、韌性好可以用于設(shè)計運動器械的活動關(guān)節(jié)位置，如轉(zhuǎn)軸等等；耐腐蝕、抗老化可以用于設(shè)計運動器械與人體頻繁接觸的部位，如把手、扶手、靠背等等。與傳統(tǒng)金屬設(shè)計理念相比，其更科學(xué)，更經(jīng)濟，可以更加有效延長運動器械的使用壽命。將塑料及復(fù)合材料應(yīng)用于體育器材中，制造和安裝的成本更低。雖然部分塑料和復(fù)合材料的原料產(chǎn)量小、價格貴，但是產(chǎn)品的環(huán)保效益更加明顯，力學(xué)特性更為優(yōu)異；從長遠角度看，經(jīng)濟效益更客觀。

2 塑料及復(fù)合材料在體育器械設(shè)計中的應(yīng)用調(diào)查

2.1 塑料及復(fù)合材料在室外公共運動器械設(shè)計中的應(yīng)用

桂宇星漫步機GYX-X05

公共場合桂宇星漫步機GTX-X05型整體結(jié)構(gòu)調(diào)查。整體結(jié)構(gòu)為碳鋼材質(zhì)，合金外部由油漆包裹；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸為復(fù)合材料。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)果：復(fù)合材料應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸的活動關(guān)節(jié)，具體桂宇星漫步機GYX-X05轉(zhuǎn)軸如圖1所示。

圖1 桂宇星漫步機 GYX-X05轉(zhuǎn)軸Fig.1 GYX-X05 spindle of Guiyuxing walking machine

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于設(shè)計轉(zhuǎn)軸，強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長；抗氧化性強，能承受日曬、雨水浸泡；成本低，且可塑性強，如果損壞零件易更換；產(chǎn)品的環(huán)保效益更加明顯，力學(xué)特性更為優(yōu)異。

桂宇星健騎機GYX-X04

公共場合桂宇星健騎機 GYX-X04型整體結(jié)構(gòu)調(diào)查。整體結(jié)構(gòu)為碳鋼材質(zhì)，合金外部由油漆包裹；手柄及轉(zhuǎn)軸為復(fù)合材料，耐磨損。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)果：復(fù)合材料應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸的活動關(guān)節(jié)，具體桂宇星健騎機 GYX-X04轉(zhuǎn)軸如圖2所示；塑料應(yīng)用于經(jīng)常接觸的手柄，具體桂宇星健騎機 GYX-X04手柄如圖3所示。

圖2 桂宇星健騎機 GYX-X04轉(zhuǎn)軸Fig.2 GYX-X04 rotating shaft of Guiyuxing health riding machine

圖3 桂宇星健騎機 GYX-X04手柄Fig.3 GYX-X04 handle of Guiyuxing health riding machine

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于設(shè)計轉(zhuǎn)軸，強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長；抗氧化性強，能承受日曬、雨水浸泡；成本低，且可塑性強，如果損壞零件易更換；產(chǎn)品的環(huán)保效益更加明顯，力學(xué)特性更為優(yōu)異。塑料用于手柄，耐腐蝕，人體手掌心的汗液不會對其構(gòu)成實質(zhì)性的損耗；強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長，且實質(zhì)上起到了保護手部金屬結(jié)構(gòu)的作用。

桂宇星大轉(zhuǎn)輪GYX-X15

公共場合桂宇星大轉(zhuǎn)輪 GYX-X15整體結(jié)構(gòu)調(diào)查。整體結(jié)構(gòu)為碳鋼材質(zhì)，合金外部由油漆包裹。轉(zhuǎn)輪手柄及轉(zhuǎn)軸為復(fù)合材料，耐磨損。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)果：復(fù)合材料應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸的活動關(guān)節(jié)，以及塑料應(yīng)用于經(jīng)常接觸的轉(zhuǎn)輪手柄，具體桂宇星大轉(zhuǎn)輪 GYX-X15如圖4所示。

圖4 桂宇星大轉(zhuǎn)輪 GYX-X15Fig.4 GYX-X15 Guiyuxing big wheel

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于設(shè)計轉(zhuǎn)軸，強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長；抗氧化性強，能承受日曬、雨水浸泡；成本低且可塑性強，如果損壞零件易更換；產(chǎn)品的環(huán)保效益更加明顯，力學(xué)特性更為優(yōu)異。塑料用于轉(zhuǎn)輪手柄，耐腐蝕，人體手掌心的汗液不會對其構(gòu)成實質(zhì)性的損耗；強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長，且實質(zhì)上起到了保護手部金屬結(jié)構(gòu)的作用。

桂宇星仰臥推舉訓(xùn)練器GYX-2020-9

公共場合桂宇星仰臥推舉訓(xùn)練器 GYX-2020-9整體結(jié)構(gòu)調(diào)查。桂宇星仰臥推舉訓(xùn)練器 GYX-2020-9，整體結(jié)構(gòu)為碳鋼材質(zhì)，合金外部由油漆包裹。橫桿及轉(zhuǎn)軸為復(fù)合材料，耐磨損；墊板為塑料材質(zhì)。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)果：復(fù)合材料應(yīng)用于橫桿及轉(zhuǎn)軸的活動關(guān)節(jié)，塑料應(yīng)用于經(jīng)常接觸的墊板，具體桂宇星仰臥推舉訓(xùn)練器 GYX-2020-9如圖5所示。

圖5 桂宇星仰臥推舉訓(xùn)練器 GYX-2020-9Fig.5 GYX-2020-9 Guiyuxing bench press trainer

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于設(shè)計轉(zhuǎn)軸，強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長；抗氧化性強，能承受日曬、雨水浸泡；成本低，且可塑性強，如果損壞零件易更換；產(chǎn)品的環(huán)保效益更加明顯，力學(xué)特性更為優(yōu)異。塑料用于墊板，耐腐蝕，人體背部分泌的汗液不會對其構(gòu)成實質(zhì)性的損耗；強度高、抗壓性強，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長。

2.2 塑料及復(fù)合材料在室內(nèi)健身運動器械設(shè)計中的應(yīng)用調(diào)

啞鈴

對家用品健PJ-006666啞鈴的整體結(jié)構(gòu)調(diào)查。啞鈴片為復(fù)合材料，啞鈴杠內(nèi)部為超合金材質(zhì)，外部為復(fù)合材料。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)果：啞鈴片為復(fù)合材料，啞鈴杠外部經(jīng)常接觸的部位為復(fù)合材料。

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于設(shè)計整體啞鈴片，相較于超合金材質(zhì)啞鈴片，成本低，更經(jīng)濟；強度高、抗氧化性強、可塑性強，如果損壞易更換；耐腐蝕，汗水不會對其造成實質(zhì)損傷；復(fù)合材料用于啞鈴杠外部，耐腐蝕，手部接觸頻繁，掌心汗水不會對其造成實質(zhì)損傷；強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長。

不倒翁沙袋

豪邁HM001組合底座為復(fù)合材料，部分枝干為塑料材質(zhì)，內(nèi)部空心，中間支架為超合金材質(zhì)；組合底座中空，可加水。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)果：大部分組合底座整體結(jié)構(gòu)為復(fù)合材料；組合底座的部分枝干為塑料材質(zhì)。

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于大部分組合底座，強度高、抗氧化性強、可塑性強，可以承受住不倒翁的整體體重，加水可以承受住水壓。部分枝干為塑料材質(zhì)，高強度，輔助支撐不倒翁整體重心結(jié)構(gòu)。

呼啦圈

MF000003整體結(jié)構(gòu)為塑料及復(fù)合材料。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)論：呼啦圈整體機構(gòu)為復(fù)合材料。

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于設(shè)計呼啦圈整體，強度高，承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長，抗摔；耐腐蝕，汗水不會對其構(gòu)成實質(zhì)傷害。

木人樁

天脈傲龍8101T1木人樁整體結(jié)構(gòu)為實木材質(zhì)；木人樁軀干護罩為復(fù)合材料。

現(xiàn)場調(diào)查取證結(jié)論：木人樁保護墊為復(fù)合材料。

設(shè)計原理：復(fù)合材料用于設(shè)計木人樁保護墊，強度高、抗腐蝕、可塑性強，如果損壞易更換；人體手部汗水不會對其構(gòu)成實質(zhì)傷害，可以起到保護木人樁實木材質(zhì)部分。

3 塑料及復(fù)合材料在體育運動器械設(shè)計中應(yīng)用

3.1 塑料及復(fù)合材料在體育器械中的部位設(shè)計應(yīng)用

轉(zhuǎn)軸類

用塑料及復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢，塑料及復(fù)合材料有較高強度比和剛度比。這項設(shè)計解決了傳統(tǒng)運動器械關(guān)節(jié)位置金屬疲勞及金屬失效的問題，用對塑料及復(fù)合材料轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量最小化的目標(biāo)對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。

轉(zhuǎn)軸是運動器械的關(guān)節(jié)組件，通常用于連接系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的組件；運動器械一般分為固定系統(tǒng)和運動系統(tǒng)。當(dāng)運動時驅(qū)動運動系統(tǒng)與固定系統(tǒng)是相對的，而轉(zhuǎn)軸就是連接這兩大系統(tǒng)的關(guān)節(jié)組件。因此，轉(zhuǎn)軸必須強大到足以承受一定的質(zhì)量，同時轉(zhuǎn)軸上的其他組件需要避免太多額外的質(zhì)量，因為這樣會反過來增強他們的慣性。因此,一般的轉(zhuǎn)軸預(yù)計函數(shù)：

(1)必須能夠承受大于一般人體的質(zhì)量；

(2)必須能夠在大于一般人騎自行車的速度下旋轉(zhuǎn)。

需要的材料特性：抗壓強,承重大。

踏板的外部設(shè)計：增加角度，加大力學(xué)抗壓力。

目前而言，塑料及復(fù)合材料轉(zhuǎn)軸幾乎涉及了所有運動器械的關(guān)節(jié)位置，比如：漫步機、健騎機、大轉(zhuǎn)輪、扭腰機等等。

扶手類

手是人體在運動器械上的直接裸露接觸的部位，汗水與運動器械接觸的概率也是最大的。汗水的成分為水、氯化鈉、尿素等等，汗水本身不具有腐蝕性；但是在水分和氧氣的配合下，會與金屬等等構(gòu)成原電池反應(yīng)。金屬和金屬的雜質(zhì)自發(fā)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，造成金屬基體被腐蝕；而運動器械的整體結(jié)構(gòu)一般為鋼材，汗水如若直接接觸更易發(fā)生原電池反應(yīng)。因此，扶手可以直接隔絕手與運動器械的鋼材材質(zhì)部位的直接接觸，從而杜絕腐蝕效應(yīng)。而人體手強大的抓力需要扶手有著很強的抗壓性。此設(shè)計原理較為簡單，主要依賴塑料及復(fù)合材料的特性，在運動器械經(jīng)常與人體手部接觸的部位設(shè)計扶手即可，但是在扶手的外形設(shè)計上，需要增加扶手紋路用以增加摩擦力，提高運動者手部抓力，變相提高運動器械的安全性和使用率。

需要的材料特性：抗壓強、抗氧化、耐腐蝕；

踏板的外部設(shè)計：增加條紋，加大摩擦力。

目前而言，塑料及復(fù)合材料轉(zhuǎn)軸幾乎涉及了所有運動器械的關(guān)節(jié)位置，比如：大轉(zhuǎn)輪、健騎機、仰臥推舉訓(xùn)練器等等。

墊板類

墊板分為坐墊和背墊，以塑料及復(fù)合材料制作的墊板較傳統(tǒng)工藝相比優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)工藝有鋼材墊板及木質(zhì)墊板，在天氣變化如日曬、雪凍、下雨這樣的天氣，日曬、雪凍會導(dǎo)致金屬熱脹冷縮、加速金屬失效，并很大概率破壞金屬縫隙，降低運動器械的安全性；對于木質(zhì)墊板更是毀滅性的傷害，使用壽命極短。因此，塑料及復(fù)合材料墊板在運動器械中的表現(xiàn)是搶眼的，不談設(shè)計，只談材料特性就足以應(yīng)付極端惡劣的天氣。在設(shè)計上墊板主要職責(zé)是承重，應(yīng)用于運動者坐、躺的設(shè)計。因此設(shè)計原理與扶手原理相同，即：第一，抗氧化、耐腐蝕；第二，抗壓強、承重大。

需要的材料特性：抗壓強、承重強、抗氧化、耐腐蝕。

踏板的外部設(shè)計：增加條紋，加大摩擦力。

就目前而言，塑料及復(fù)合材料轉(zhuǎn)軸幾乎涉及了所有運動器械的關(guān)節(jié)位置，比如：健騎機、仰臥推舉訓(xùn)練器等等。

踏板類

踏板，與運動者的鞋底直接接觸，設(shè)計上以增加摩擦力為準(zhǔn)，鞋底帶有的異物也會與踏板直接接觸。因此，塑料及復(fù)合材料的特性就顯得尤為重要了。抗氧化、耐腐蝕的特性可提高運動器械的整體壽命，并提高運動器械的安全性。運動者腳部與踏板接觸運動，踏板隨著運動者的運動一同旋轉(zhuǎn)運動，由此可見，踏板必須具備高強度的抗壓性。

踏板是運動器械的關(guān)節(jié)組件，通常用于連接系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的組件。運動器械一般分為固定系統(tǒng)和運動系統(tǒng)，當(dāng)運動時驅(qū)動運動系統(tǒng)與固定系統(tǒng)是相對的；而轉(zhuǎn)軸就是連接這兩大系統(tǒng)的關(guān)節(jié)組件。因此，轉(zhuǎn)軸必須強大到足以承受一定的質(zhì)量；同時轉(zhuǎn)軸上的其他組件需要避免太多額外的質(zhì)量，因為這樣會反過來增強他們的慣性。因此，一般的轉(zhuǎn)軸預(yù)計函數(shù)：

(1)必須能夠承受大于一般人體的質(zhì)量；

(2)必須能夠在大于一般人騎自行車的速度下旋轉(zhuǎn)。

需要的材料特性應(yīng)用：抗壓強，承重強。

踏板的外部設(shè)計應(yīng)用：增加條紋，加大摩擦力。

目前而言，塑料及復(fù)合材料轉(zhuǎn)軸幾乎涉及了所有運動器械的關(guān)節(jié)位置，比如：動感單車、健騎機等等。

3.2 塑料及復(fù)合材料在體育器械中的整體設(shè)計的應(yīng)用

塑料及復(fù)合材料運用于運動器械中的整體設(shè)計，目前僅可以用于設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單的運動器械，過于復(fù)雜的精密運動器械暫時還沒有達到整體塑料及整體復(fù)合材料的程度。

..一體成型的呼啦圈

呼啦圈，又名健身圈，于20世紀(jì)50年代流行于歐美、澳、日等國，呼啦圈結(jié)構(gòu)簡單，不僅當(dāng)成一般玩具之外，也可以用于雜技表演，或當(dāng)成減啤酒肚的神兵利器。自從20世紀(jì)80年代呼啦圈傳入中國之后，就被大眾所喜愛，呼啦圈在全國各地相當(dāng)普及。

目前，已經(jīng)實現(xiàn)了整體塑料及復(fù)合材料一體化的設(shè)計，其強度高、抗壓性強、耐腐蝕、質(zhì)量好、價格便宜。與之前美國最初的起源木頭呼啦圈和傳統(tǒng)聚乙烯管呼啦圈相比較，一體成型的呼啦圈是一個很棒的跨越。

..一體成型的冰球棒

位于瑞士的Rusch SA復(fù)合材料公司，能生產(chǎn)一體成型復(fù)合材料冰球棒。該公司之所以提倡一體成型加工，因其在棒的耐久性及參賽性能方面，明顯優(yōu)于由兩片膠合在一起(葉子和棒)所制造的冰球棒。使用一體加工成型冰球棒用戶主張，一體化棒結(jié)構(gòu)均勻、連續(xù)，沒有葉子和棒之間的物理破裂，可提供較好的平衡感和使用感。

據(jù)說，該公司于l992年首次制造復(fù)合材料冰球棒，其耐久性較好，可替代木質(zhì)冰球棒，在此之后，就在體育項目普遍使用。這種棒由于棒和葉子分開，加工較容易，可是該公司堅信，一體化成型加工的整體棒，其結(jié)構(gòu)足恰當(dāng)?shù)模苊饬诉B接處出現(xiàn)破裂的弱點。這次開發(fā)的一體化成型加工的冰球棒，是擁有專利權(quán)的產(chǎn)品技術(shù)，包括在不同密度的泡沫塑料之上面，采用碳纖維、玻璃纖維及芳綸等的鋪層，其后采用RTM方法灌注樹脂。這種制造的結(jié)果，要比木質(zhì)冰球棒的耐久性高7倍，而且還能有很好的震動吸收性(因使用泡沫塑料芯材)以及快速能量釋放性(因采用碳纖維)。目前，世界上90%以上的冰球?qū)I(yè)比賽，大都使用復(fù)合材料冰球棒。

綜上所述，采用塑料及復(fù)合材料設(shè)計主要運用于運動器械的兩大方面：一是運動器械的活動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸；二是運動器械頻繁與人體接觸的部位。

塑料及復(fù)合材料大大提升了運動器械的疲勞強度，增強了運動器械的穩(wěn)定性；從力角度考慮，具有高強、高模的塑料及復(fù)合材料在沿桅桿縱向上可提供足夠的剛度來抵抗彎曲變形；從使用環(huán)境上考慮，具有良好的耐腐蝕性的塑料及復(fù)合材料能有效抵御汗水、雨水、日曬等環(huán)境因素的消極影響。

4 結(jié)語

根據(jù)塑料及復(fù)合材料以其特殊的性能，如密度小、易成型、價格便宜(某些先進復(fù)合材料除外)，可設(shè)計運用于運動器械的活動關(guān)節(jié)、人體平凡接觸的位置、人體汗水可能會大概率接觸的位置、運動器械支撐及承重的關(guān)鍵位置。

近年來，隨著國內(nèi)社會整體生活水平的不斷提高，基建工程的不斷完善，戶外公共運動器械幾乎已經(jīng)普及國內(nèi)各個生活小區(qū)；人們的健康意識也逐漸提高，私人室內(nèi)運動器械也被很多家庭青睞，運動已成為人們生活的一部分。巨大的市場需求，促使了體育器械在設(shè)計、制造和材料上迅速發(fā)展。尤其是在塑料及復(fù)合材料在運動器械設(shè)計上的應(yīng)用，體育器材完成了傳統(tǒng)以普碳鋼為代表的金屬材料到以塑料及復(fù)合材料的躍遷。與體育器材相關(guān)的塑料及復(fù)合材料在我國發(fā)展迅猛，設(shè)計應(yīng)用提高體育器械的產(chǎn)品質(zhì)量和材料及工藝的穩(wěn)定性，對于運動器械的發(fā)展至關(guān)重要。

塑料及復(fù)合材料是近年材料科學(xué)發(fā)展的新興方向。與傳統(tǒng)金屬材料相比，塑料及復(fù)合材料承受疲勞磨損的能力更強，使用壽命更長。將他們應(yīng)用于體育器械中，制造和安裝的成本更低。雖然部分塑料和復(fù)合材料的原料產(chǎn)量小、價格貴；但是產(chǎn)品的環(huán)保效益更加明顯，力學(xué)特性更為優(yōu)異，且從長遠角度看，經(jīng)濟效益更客觀。