一款新型滑雪运动员平衡训练器的设计

刘维维，张耀娟，赵润源，周海洋

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

单板平行大回转滑雪运动是冬季体育竞技比赛项目之一，也是我国参加冬季奥运会的正式比赛项目.随着我国2022年冬季奥运会的临近，对于雪陆相结合的训练器材的需求也日益增加.目前所使用的滑雪平衡训练器多为双板结构设计，回转角度小，虽然可以训练平衡能力但并不能模拟滑雪过程中的真实运动状态[1-2].

仅借助现有的器械进行训练，达不到提高专项能力的效果.此外国内外对于滑雪平衡训练器的研究主要集中于以下两个方面：首先是对滑雪板性能的研究，例如滑雪板刚度对于滑雪过程中力学的影响[3-6]；其次是对高山滑雪过程中对人体振动以及关节损伤进行研究[7-9].而对于雪陆相结合的训练器材的设计尚缺少相关研究.基于以上现状，本文设计了一款新型滑雪运动员平衡训练器，能够更加真实地模拟滑雪过程中的运动姿态，为雪陆相结合的训练方式提供训练器材.

1 滑雪运动员平衡训练器设计

1.1 滑雪运动员平衡训练器组成

根据所要达成的目标，将滑雪平衡训练器设计为侧面摆动单元、上下摆动单元、水平旋转单元、数据收集单元和整体框架5个部分.侧面摆动、上下摆动和水平旋转3个单元可以实现多方位、多动作、多强度的训练目标.数据收集单元可以对运动员的滑雪速度与加速度进行采集和分析，以保证训练的可靠性，使运动员更快地找到自己在滑雪过程中力度使用与角度转换的不足之处，便于进一步针对性地改进与练习.整体框架的设计则是为了对运动幅度进行限定，在一定程度上保证运动员的安全性.结构方案如图1所示.

图1 滑雪运动员平衡训练器结构组成

1.2 滑雪运动员平衡训练器工作原理

数据收集单元需要解决的问题是如何收集数据以及如何收集得更为准确，以便于运动员对后继的训练做出调整.因此该设计的要求如下：(1)数据采集单元的体积不能过大；(2)数据收集要准确、灵敏；(3)数据信息能够快速处理、分析.根据以上要求，本文采用陀螺仪集成芯片来收集运动员的运动数据信息，安装在如图2所示的凹槽处.

图2 数据收集单元

水平旋转单元要解决的问题是使运动员在平衡训练器上安全地进行360°旋转，因此该单元的设计要求：(1)转速不宜过快；(2)旋转时应平稳；(3)可安装信息采集装置.针对以上指标及要求，本文设计的水平旋转单元如图3所示，采用直齿圆锥齿轮传动将步进电机的运动和动力传递到滑板，以实现滑板360°旋转以及快速安全地正反转.从动齿轮一端与滑板之间采用销连接，以实现周向与轴向定位，另一端采用推力球轴承以实现轴向定位.

图3 水平旋转单元

摆动单元需要解决的问题是模拟滑雪板摆动状态，该单元分为上下摆动单元和侧面摆动单元，所设计的平衡训练器的上下摆动单元的摆动角度范围为±30°，采用一对直齿圆柱齿轮将步进电机的运动和动力传递给滑板，实现滑板的上下摆动.其中主动齿轮采用齿轮轴以保证强度，从动齿轮与传动轴之间采用键连接以实现周向定位.另外采用直流步进电机以实现对摆动角度的限制.其结构如图4所示.侧面摆动单元的摆动角度范围为±15°，采用销连接可以实现滑板的侧面摆动，通过滑板与弹簧支座的相对位置关系可以实现侧面摆动角度的限制，此外限位弹簧可以使侧面摆动更加平稳.上下摆动单元结构如图5所示.

图4 上下摆动单元

图5 侧面摆动单元

安全保护单元不仅要保证人员的安全，还要确保在此过程中滑雪的动作不受限制.安全保护单元主要功能有：(1)旋转盘通过推力球轴承和轴承座与框架进行连接，确保人在旋转时阻力小且不会因为旋转导致安全绳缠在一起限制其动作；(2)系带可以支撑和控制人体、分散冲击力，避免人体受到伤害；(3)速差自控器安装在挂点上，装有可伸缩长度的绳(带、钢丝绳)，串联在系带挂点之间，在坠落发生时起到制动作用.安全保护单元结构如图6所示.

图6 旋转盘

2 传动轴有限元分析

传动轴在工作过程中不仅要传递运动和动力还起到支撑滑板的作用，其应力状态为弯扭组合，强度和刚度是否满足使用要求十分关键.本文在三维建模软件Solidworks中建立平衡训练器三维模型，利用Solidworks静应力分析模块进行有限元分析，以减少开发周期，使设计更加合理[10-11].

所设计平衡训练器最大载重量为100 kg，传动轴材料为优质碳素结构钢，屈服强度为240 MPa.在Solidworks静应力分析模块中对传动轴与齿轮连接处施加力矩，轴与滑板的销连接处限制6个自由度.得到传动轴应力如图7所示，可以看出传动轴的最大应力为186 MPa，出现在传动轴的尺寸突变处，可以通过加大过渡圆角来提高传动轴的强度.另外传动轴与滑板的销连接处应力也较大，这是因为此处的弯曲应力最大.由于最大应力小于材料的屈服强度240 MPa，所以应力满足使用要求.传动轴安全系数如图8所示，可以看出最小安全系数为3.36，说明所设计的结构能够满足使用要求.

图7 传动轴应力图

图8 传动轴安全系数图

3 结 论

设计并研制了一款滑雪运动员平衡训练器，该训练器能够提高运动员在运动中的身体平衡能力以及对雪板板刃的控制能力.设有侧面摆动单元、上下摆动单元、水平旋转单元、数据收集单元和整体框架5个单元.可实现运动员绕X轴±15°摆动、绕Y轴360°转动、绕Z轴±30°摆动，能够满足训练要求；通过建立传动轴有限元分析模型，得到传动轴的应力极限以及安全系数，说明所设计的结构能够满足强度要求，为相关设计提供依据.