磁阻式自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練臺(tái)的研制過(guò)程

【摘 要】以磁阻式減速裝置為核心，研制符合自行車(chē)踏蹬方式和用力特點(diǎn)的新型自行車(chē)磁阻式專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練臺(tái)，其技術(shù)性能要求：實(shí)現(xiàn)模擬原地啟動(dòng)、平路騎行、坡路騎行、變速騎行的全過(guò)程訓(xùn)練；實(shí)現(xiàn)模擬踏蹬技術(shù)動(dòng)作過(guò)程可控的數(shù)據(jù)化負(fù)荷加載。

【關(guān)鍵詞】磁阻；自行車(chē)；研制

一、引言

自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)力量的提高直接關(guān)系到運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高，也有助于運(yùn)動(dòng)員掌握和使用正確的技術(shù)動(dòng)作，為達(dá)到訓(xùn)練自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)能力的目標(biāo)，不僅要滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)訓(xùn)練要求，還要滿(mǎn)足專(zhuān)項(xiàng)負(fù)荷訓(xùn)練要求所以， 圍繞專(zhuān)項(xiàng)力量的訓(xùn)練是自行車(chē)訓(xùn)練中的核心內(nèi)容。目前，在自行車(chē)訓(xùn)練實(shí)踐中，許多教練員認(rèn)為最大力量是發(fā)展快速力量的基礎(chǔ)，所以就通過(guò)負(fù)重練習(xí)來(lái)發(fā)展肌肉的最大力量，采用杠鈴負(fù)重練習(xí)作為發(fā)展運(yùn)動(dòng)員最大力量的訓(xùn)練手段，并以此衡量運(yùn)動(dòng)員力量素質(zhì)水平。這種訓(xùn)練方法對(duì)于初、中級(jí)運(yùn)動(dòng)員而言，可以在較短時(shí)間內(nèi)迅速提高身體力量素質(zhì)，為提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)打下良好的力量基礎(chǔ)，但是專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練中不同負(fù)荷的抗阻練習(xí)所發(fā)展的肌肉力量與自行車(chē)運(yùn)動(dòng)所需要的專(zhuān)項(xiàng)能力是不盡相同的，它們?cè)趧?dòng)作結(jié)構(gòu)、肌肉用力順序和供能方式等方面和專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)動(dòng)作都有明顯的差異。

專(zhuān)項(xiàng)能力是自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)訓(xùn)練和提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的基礎(chǔ)，為達(dá)到訓(xùn)練專(zhuān)項(xiàng)能力的目標(biāo)，不僅要滿(mǎn)足專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)訓(xùn)練要求，還要滿(mǎn)足專(zhuān)項(xiàng)負(fù)荷訓(xùn)練要求，使運(yùn)動(dòng)員具備能夠承受高強(qiáng)度比賽的專(zhuān)項(xiàng)能力。多年來(lái)，如何將力量練習(xí)中獲得的力量轉(zhuǎn)化到專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)動(dòng)能力上是一個(gè)困擾著廣大教練員的問(wèn)題。為提高專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)動(dòng)能力，需要一種有效的專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練手段。對(duì)于自行車(chē)這種周期性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，需要考慮對(duì)速度耐力水平、性質(zhì)及能力要求相似的專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練手段。

二、主要結(jié)構(gòu)研制

以磁阻式減速裝置為核心，研制符合自行車(chē)踏蹬方式和用力特點(diǎn)的新型自行車(chē)磁阻式專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練臺(tái)，主要研究包括如下幾部分：

（一）磁阻裝置結(jié)構(gòu)。利用減速磁阻電機(jī)與自行車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)連接，通過(guò)負(fù)荷加載增加運(yùn)動(dòng)員踏蹬騎行時(shí)的傳動(dòng)阻力。解決運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)力量訓(xùn)練無(wú)法轉(zhuǎn)化以及專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練負(fù)荷不足等問(wèn)題。

（二）訓(xùn)練臺(tái)結(jié)構(gòu)。為真實(shí)地模擬運(yùn)動(dòng)員雙腿周期踏蹬運(yùn)動(dòng)，訓(xùn)練臺(tái)采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，訓(xùn)練臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)塔形變速齒輪與自行車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接；連接裝置為通用規(guī)格，任何品牌、型號(hào)的自行車(chē)均可連接，無(wú)需調(diào)試；高度模擬運(yùn)動(dòng)員在賽道上騎行時(shí)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

（三）傳動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。自行車(chē)騎行踏蹬動(dòng)作在訓(xùn)練臺(tái)上產(chǎn)生靜應(yīng)力和變應(yīng)力，需要考慮機(jī)械零件的強(qiáng)度，滿(mǎn)足所產(chǎn)生的變載荷，防止損傷累積造成的疲勞破壞。各部件的技術(shù)力學(xué)和結(jié)構(gòu)要求：良好的強(qiáng)度和剛性。與齒輪相接的傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸，要具有一定扭矩和彎矩性能。為使整機(jī)達(dá)到一定剛性，采取焊接、鉚接相結(jié)合的加工工藝。傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)能量傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，一定程度上具有改變運(yùn)動(dòng)形式和速度的作用。從動(dòng)軸齒輪與磁阻裝置齒輪以傳動(dòng)鏈為基本工作原理，兩輪間以鏈條為中間撓性元件的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。

（四）負(fù)荷控制與監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)。為方便訓(xùn)練中的使用與數(shù)據(jù)監(jiān)控，負(fù)荷控制使用預(yù)設(shè)程序單片機(jī)轉(zhuǎn)換器、USB通信與磁阻減速電機(jī)連接；功率、踏頻、心率等負(fù)荷指標(biāo)監(jiān)控。磁阻式自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)力量訓(xùn)練臺(tái)不僅可為優(yōu)秀自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)力量訓(xùn)練、啟動(dòng)訓(xùn)練提供數(shù)字化訓(xùn)練平臺(tái)，并通過(guò)對(duì)功率、心率以及頻率訓(xùn)練中的重要指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)化與定量化管理。為訓(xùn)練提供科學(xué)、有效、有依據(jù)的保障；為我省自行車(chē)項(xiàng)目取得十三運(yùn)會(huì)金牌提供有效輔助和保障作用。

三、訓(xùn)練臺(tái)研制的技術(shù)難點(diǎn)

磁阻式自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練臺(tái)可為自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員練提供新型專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)項(xiàng)速度力量、力量耐力和原地啟動(dòng)等訓(xùn)練的技術(shù)動(dòng)作與訓(xùn)練負(fù)荷科學(xué)合理化。a傳動(dòng)方式如何進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)運(yùn)動(dòng)模式模擬；b傳動(dòng)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)作與磁阻負(fù)荷的有效鏈接；c傳動(dòng)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制與負(fù)荷監(jiān)控；通過(guò)解決上述三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)磁阻源技術(shù)在自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用，拓展自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練手段與方法，并為相關(guān)的輔助或模擬教練專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器材領(lǐng)域的深入研究提供參考依據(jù)。

四、研制過(guò)程與功能

為了開(kāi)發(fā)研制一種磁阻式自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練器，我們確定的技術(shù)路線是通過(guò)訓(xùn)練器功能研究與結(jié)構(gòu)分析，確立系統(tǒng)整體架構(gòu)方案，再進(jìn)行局部部件分解與加工，局部調(diào)試與樣機(jī)裝配，最后完成樣機(jī)試驗(yàn)。具體地說(shuō)就是，首先是研究磁阻式自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練器的整體架構(gòu)、性能分析、各部件技術(shù)力學(xué)與機(jī)械學(xué)機(jī)理、系統(tǒng)集成方案與技術(shù)方法、整機(jī)圖版設(shè)計(jì)與各部件機(jī)械圖制版。在此基礎(chǔ)上購(gòu)置各部件標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)準(zhǔn)件材料，加工生產(chǎn)非標(biāo)準(zhǔn)件，進(jìn)行各部件性能測(cè)試與調(diào)整，整機(jī)系統(tǒng)集成與試驗(yàn)。然后基于自行車(chē)專(zhuān)項(xiàng)能力訓(xùn)練特點(diǎn)及技術(shù)動(dòng)作要求，進(jìn)行速度力量和力量耐力等訓(xùn)練方法測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，對(duì)訓(xùn)練器進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估和局部調(diào)整。針對(duì)自行車(chē)項(xiàng)目踏蹬方式和周期性特點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合自行車(chē)踏蹬用力特點(diǎn)，保證專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)動(dòng)形式的實(shí)現(xiàn)，訓(xùn)練臺(tái)專(zhuān)項(xiàng)性能要滿(mǎn)足其速度耐力水平、性質(zhì)及能力要求。通過(guò)對(duì)磁阻力學(xué)特征分析和相關(guān)研究，我們發(fā)現(xiàn)磁阻負(fù)荷性質(zhì)對(duì)提高自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)項(xiàng)能力具有優(yōu)異特性和很強(qiáng)的模擬性。磁阻的大小通過(guò)預(yù)設(shè)程序的單片機(jī)轉(zhuǎn)換器控制的磁阻減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)；通過(guò)磁阻減速電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與自行車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)連接，形成作用于踏蹬腿的外加阻力源；磁阻的大小可根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)員踏蹬的力量、踏蹬頻率等信息實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訓(xùn)練；通過(guò)磁阻大小的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的有氧、無(wú)氧、速度耐力和專(zhuān)項(xiàng)力量的訓(xùn)練。由于磁阻負(fù)荷可根據(jù)需要而變化，可針對(duì)改變磁阻負(fù)荷前后以及相同負(fù)荷不同訓(xùn)練周期的踏頻、功率、心率等訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而解決運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中無(wú)法數(shù)據(jù)化和定量化控制阻力負(fù)荷的難題。訓(xùn)練強(qiáng)度取決于磁阻負(fù)荷的大小，磁阻負(fù)荷的增加為可控的、漸進(jìn)的，不會(huì)出現(xiàn)驟然增加負(fù)荷對(duì)身體構(gòu)成安全的危害，有效地避免運(yùn)動(dòng)損傷。

五、結(jié)語(yǔ)

磁阻式自行車(chē)訓(xùn)練臺(tái)應(yīng)具備結(jié)構(gòu)上落地支架式的結(jié)構(gòu)形式；室內(nèi)外均可；外形美觀，工作穩(wěn)定可靠；方便攜帶，滿(mǎn)足自行車(chē)項(xiàng)目轉(zhuǎn)地訓(xùn)練的要求。功能上可以實(shí)現(xiàn)模擬自行車(chē)原地啟動(dòng)過(guò)程技術(shù)訓(xùn)練；實(shí)現(xiàn)模擬自行車(chē)勻速騎行過(guò)程技術(shù)訓(xùn)練；實(shí)現(xiàn)模擬自行車(chē)變速騎行過(guò)程技術(shù)訓(xùn)練； 實(shí)現(xiàn)磁阻源技術(shù)的訓(xùn)練負(fù)荷加載等功能。

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黑龍江省屬科研院所自擬課題，課題編號(hào)：HTK201304