塑料及复合材料在体育运动器械设计中的应用

曹 璐，姜子景

(1.西安文理学院，陕西 西安 710065;2.西安文理学院 体育学院，陕西 西安 710065)

塑料与复合材料是近年材料科学发展的新兴方向。与传统金属材料相比，塑料与复合材料承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长。将它们应用于体育器材中，制造和安装的成本更低，产品的环保效益更明显、力学特性更优异；从长远角度看，经济效益更客观。因此，将其用在运动器械的设计应用，可更加大了运动器械的使用价值。

1 引用塑料及复合材料在体育运动器械设计中的原因

近年来，“以塑代钢”在体育器械中的表现尤为抢眼，如华士达工程塑胶致力研发高性能的体育器械材料，用其制造的器械能经受日晒、雨淋、严寒等不同气候条件的考验，且满足长期的使用要求，被广大体育器械制造商所信赖。

像钢材、超合金作为运动器械的“关节”这样的传统设计，会随着使用时间的推移，造成金属疲劳甚至金属失效等问题，即使不常使用，季节温度的变化也会导致其出现以上的问题。而且与人体频繁接触的部位，不仅会有外表面的物理磨损，也有被人体汗液腐蚀的化学不可逆损伤。因此像塑料及复合材料在运动器械设计中的优势尤为明显，不但可以在运动器械的关键位置消除金属疲劳，消除金属失效，隔绝腐蚀，还可有效提高运动器械的使用年限。

塑料及复合材料会因为具有轻质特性而使得拆卸、安装、维修等更便利，并且轻质材料具有减震性能好等特点用于转轴的设计，如有损坏，可以快速高效的更换零件；即使设计用于靠背和扶手，损坏了也能够方便的更换。

塑料及复合材料强度很高，相对较少的材料用量即可满足同等力学性能的需要，进而实现体育器材的质量进一步减轻。体育器械的材料除了具备强度高之外，还需具备韧性好的特性；同时具备比韧性好和比强度高的材料非常适合应用于体育器械中。如铝、钢之类的金属力学性能好，但是其韧性远远低于树脂基纤维复合材料。

塑料及复合材料用于室外环境，长期接受风吹雨打、阳光暴晒，会受到雨雪、氧气、紫外线等的侵蚀；因此，室外体育器械的材料需具备耐腐蚀和抗老化等性能。塑料及复合材料具备这些特性，可以用于户外体育器械中。

根据塑料及复合材料的的特性，强度高、韧性好可以用于设计运动器械的活动关节位置，如转轴等等；耐腐蚀、抗老化可以用于设计运动器械与人体频繁接触的部位，如把手、扶手、靠背等等。与传统金属设计理念相比，其更科学，更经济，可以更加有效延长运动器械的使用寿命。将塑料及复合材料应用于体育器材中，制造和安装的成本更低。虽然部分塑料和复合材料的原料产量小、价格贵，但是产品的环保效益更加明显，力学特性更为优异；从长远角度看，经济效益更客观。

2 塑料及复合材料在体育器械设计中的应用调查

2.1 塑料及复合材料在室外公共运动器械设计中的应用

桂宇星漫步机GYX-X05

公共场合桂宇星漫步机GTX-X05型整体结构调查。整体结构为碳钢材质，合金外部由油漆包裹；关节转轴为复合材料。

现场调查取证结果：复合材料应用于转轴的活动关节，具体桂宇星漫步机GYX-X05转轴如图1所示。

图1 桂宇星漫步机 GYX-X05转轴Fig.1 GYX-X05 spindle of Guiyuxing walking machine

设计原理：复合材料用于设计转轴，强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长；抗氧化性强，能承受日晒、雨水浸泡；成本低，且可塑性强，如果损坏零件易更换；产品的环保效益更加明显，力学特性更为优异。

桂宇星健骑机GYX-X04

公共场合桂宇星健骑机 GYX-X04型整体结构调查。整体结构为碳钢材质，合金外部由油漆包裹；手柄及转轴为复合材料，耐磨损。

现场调查取证结果：复合材料应用于转轴的活动关节，具体桂宇星健骑机 GYX-X04转轴如图2所示；塑料应用于经常接触的手柄，具体桂宇星健骑机 GYX-X04手柄如图3所示。

图2 桂宇星健骑机 GYX-X04转轴Fig.2 GYX-X04 rotating shaft of Guiyuxing health riding machine

图3 桂宇星健骑机 GYX-X04手柄Fig.3 GYX-X04 handle of Guiyuxing health riding machine

设计原理：复合材料用于设计转轴，强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长；抗氧化性强，能承受日晒、雨水浸泡；成本低，且可塑性强，如果损坏零件易更换；产品的环保效益更加明显，力学特性更为优异。塑料用于手柄，耐腐蚀，人体手掌心的汗液不会对其构成实质性的损耗；强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长，且实质上起到了保护手部金属结构的作用。

桂宇星大转轮GYX-X15

公共场合桂宇星大转轮 GYX-X15整体结构调查。整体结构为碳钢材质，合金外部由油漆包裹。转轮手柄及转轴为复合材料，耐磨损。

现场调查取证结果：复合材料应用于转轴的活动关节，以及塑料应用于经常接触的转轮手柄，具体桂宇星大转轮 GYX-X15如图4所示。

图4 桂宇星大转轮 GYX-X15Fig.4 GYX-X15 Guiyuxing big wheel

设计原理：复合材料用于设计转轴，强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长；抗氧化性强，能承受日晒、雨水浸泡；成本低且可塑性强，如果损坏零件易更换；产品的环保效益更加明显，力学特性更为优异。塑料用于转轮手柄，耐腐蚀，人体手掌心的汗液不会对其构成实质性的损耗；强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长，且实质上起到了保护手部金属结构的作用。

桂宇星仰卧推举训练器GYX-2020-9

公共场合桂宇星仰卧推举训练器 GYX-2020-9整体结构调查。桂宇星仰卧推举训练器 GYX-2020-9，整体结构为碳钢材质，合金外部由油漆包裹。横杆及转轴为复合材料，耐磨损；垫板为塑料材质。

现场调查取证结果：复合材料应用于横杆及转轴的活动关节，塑料应用于经常接触的垫板，具体桂宇星仰卧推举训练器 GYX-2020-9如图5所示。

图5 桂宇星仰卧推举训练器 GYX-2020-9Fig.5 GYX-2020-9 Guiyuxing bench press trainer

设计原理：复合材料用于设计转轴，强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长；抗氧化性强，能承受日晒、雨水浸泡；成本低，且可塑性强，如果损坏零件易更换；产品的环保效益更加明显，力学特性更为优异。塑料用于垫板，耐腐蚀，人体背部分泌的汗液不会对其构成实质性的损耗；强度高、抗压性强，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长。

2.2 塑料及复合材料在室内健身运动器械设计中的应用调

哑铃

对家用品健PJ-006666哑铃的整体结构调查。哑铃片为复合材料，哑铃杠内部为超合金材质，外部为复合材料。

现场调查取证结果：哑铃片为复合材料，哑铃杠外部经常接触的部位为复合材料。

设计原理：复合材料用于设计整体哑铃片，相较于超合金材质哑铃片，成本低，更经济；强度高、抗氧化性强、可塑性强，如果损坏易更换；耐腐蚀，汗水不会对其造成实质损伤；复合材料用于哑铃杠外部，耐腐蚀，手部接触频繁，掌心汗水不会对其造成实质损伤；强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长。

不倒翁沙袋

豪迈HM001组合底座为复合材料，部分枝干为塑料材质，内部空心，中间支架为超合金材质；组合底座中空，可加水。

现场调查取证结果：大部分组合底座整体结构为复合材料；组合底座的部分枝干为塑料材质。

设计原理：复合材料用于大部分组合底座，强度高、抗氧化性强、可塑性强，可以承受住不倒翁的整体体重，加水可以承受住水压。部分枝干为塑料材质，高强度，辅助支撑不倒翁整体重心结构。

呼啦圈

MF000003整体结构为塑料及复合材料。

现场调查取证结论：呼啦圈整体机构为复合材料。

设计原理：复合材料用于设计呼啦圈整体，强度高，承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长，抗摔；耐腐蚀，汗水不会对其构成实质伤害。

木人桩

天脉傲龙8101T1木人桩整体结构为实木材质；木人桩躯干护罩为复合材料。

现场调查取证结论：木人桩保护垫为复合材料。

设计原理：复合材料用于设计木人桩保护垫，强度高、抗腐蚀、可塑性强，如果损坏易更换；人体手部汗水不会对其构成实质伤害，可以起到保护木人桩实木材质部分。

3 塑料及复合材料在体育运动器械设计中应用

3.1 塑料及复合材料在体育器械中的部位设计应用

转轴类

用塑料及复合材料替代传统的金属结构具有很大的优势，塑料及复合材料有较高强度比和刚度比。这项设计解决了传统运动器械关节位置金属疲劳及金属失效的问题，用对塑料及复合材料转轴的质量最小化的目标对设计参数进行优化。

转轴是运动器械的关节组件，通常用于连接系统与系统之间的组件；运动器械一般分为固定系统和运动系统。当运动时驱动运动系统与固定系统是相对的，而转轴就是连接这两大系统的关节组件。因此，转轴必须强大到足以承受一定的质量，同时转轴上的其他组件需要避免太多额外的质量，因为这样会反过来增强他们的惯性。因此,一般的转轴预计函数：

(1)必须能够承受大于一般人体的质量；

(2)必须能够在大于一般人骑自行车的速度下旋转。

需要的材料特性：抗压强,承重大。

踏板的外部设计：增加角度，加大力学抗压力。

目前而言，塑料及复合材料转轴几乎涉及了所有运动器械的关节位置，比如：漫步机、健骑机、大转轮、扭腰机等等。

扶手类

手是人体在运动器械上的直接裸露接触的部位，汗水与运动器械接触的概率也是最大的。汗水的成分为水、氯化钠、尿素等等，汗水本身不具有腐蚀性；但是在水分和氧气的配合下，会与金属等等构成原电池反应。金属和金属的杂质自发发生电荷转移，造成金属基体被腐蚀；而运动器械的整体结构一般为钢材，汗水如若直接接触更易发生原电池反应。因此，扶手可以直接隔绝手与运动器械的钢材材质部位的直接接触，从而杜绝腐蚀效应。而人体手强大的抓力需要扶手有着很强的抗压性。此设计原理较为简单，主要依赖塑料及复合材料的特性，在运动器械经常与人体手部接触的部位设计扶手即可，但是在扶手的外形设计上，需要增加扶手纹路用以增加摩擦力，提高运动者手部抓力，变相提高运动器械的安全性和使用率。

需要的材料特性：抗压强、抗氧化、耐腐蚀；

踏板的外部设计：增加条纹，加大摩擦力。

目前而言，塑料及复合材料转轴几乎涉及了所有运动器械的关节位置，比如：大转轮、健骑机、仰卧推举训练器等等。

垫板类

垫板分为坐垫和背垫，以塑料及复合材料制作的垫板较传统工艺相比优势明显。传统工艺有钢材垫板及木质垫板，在天气变化如日晒、雪冻、下雨这样的天气，日晒、雪冻会导致金属热胀冷缩、加速金属失效，并很大概率破坏金属缝隙，降低运动器械的安全性；对于木质垫板更是毁灭性的伤害，使用寿命极短。因此，塑料及复合材料垫板在运动器械中的表现是抢眼的，不谈设计，只谈材料特性就足以应付极端恶劣的天气。在设计上垫板主要职责是承重，应用于运动者坐、躺的设计。因此设计原理与扶手原理相同，即：第一，抗氧化、耐腐蚀；第二，抗压强、承重大。

需要的材料特性：抗压强、承重强、抗氧化、耐腐蚀。

踏板的外部设计：增加条纹，加大摩擦力。

就目前而言，塑料及复合材料转轴几乎涉及了所有运动器械的关节位置，比如：健骑机、仰卧推举训练器等等。

踏板类

踏板，与运动者的鞋底直接接触，设计上以增加摩擦力为准，鞋底带有的异物也会与踏板直接接触。因此，塑料及复合材料的特性就显得尤为重要了。抗氧化、耐腐蚀的特性可提高运动器械的整体寿命，并提高运动器械的安全性。运动者脚部与踏板接触运动，踏板随着运动者的运动一同旋转运动，由此可见，踏板必须具备高强度的抗压性。

踏板是运动器械的关节组件，通常用于连接系统与系统之间的组件。运动器械一般分为固定系统和运动系统，当运动时驱动运动系统与固定系统是相对的；而转轴就是连接这两大系统的关节组件。因此，转轴必须强大到足以承受一定的质量；同时转轴上的其他组件需要避免太多额外的质量，因为这样会反过来增强他们的惯性。因此，一般的转轴预计函数：

(1)必须能够承受大于一般人体的质量；

(2)必须能够在大于一般人骑自行车的速度下旋转。

需要的材料特性应用：抗压强，承重强。

踏板的外部设计应用：增加条纹，加大摩擦力。

目前而言，塑料及复合材料转轴几乎涉及了所有运动器械的关节位置，比如：动感单车、健骑机等等。

3.2 塑料及复合材料在体育器械中的整体设计的应用

塑料及复合材料运用于运动器械中的整体设计，目前仅可以用于设计结构简单的运动器械，过于复杂的精密运动器械暂时还没有达到整体塑料及整体复合材料的程度。

..一体成型的呼啦圈

呼啦圈，又名健身圈，于20世纪50年代流行于欧美、澳、日等国，呼啦圈结构简单，不仅当成一般玩具之外，也可以用于杂技表演，或当成减啤酒肚的神兵利器。自从20世纪80年代呼啦圈传入中国之后，就被大众所喜爱，呼啦圈在全国各地相当普及。

目前，已经实现了整体塑料及复合材料一体化的设计，其强度高、抗压性强、耐腐蚀、质量好、价格便宜。与之前美国最初的起源木头呼啦圈和传统聚乙烯管呼啦圈相比较，一体成型的呼啦圈是一个很棒的跨越。

..一体成型的冰球棒

位于瑞士的Rusch SA复合材料公司，能生产一体成型复合材料冰球棒。该公司之所以提倡一体成型加工，因其在棒的耐久性及参赛性能方面，明显优于由两片胶合在一起(叶子和棒)所制造的冰球棒。使用一体加工成型冰球棒用户主张，一体化棒结构均匀、连续，没有叶子和棒之间的物理破裂，可提供较好的平衡感和使用感。

据说，该公司于l992年首次制造复合材料冰球棒，其耐久性较好，可替代木质冰球棒，在此之后，就在体育项目普遍使用。这种棒由于棒和叶子分开，加工较容易，可是该公司坚信，一体化成型加工的整体棒，其结构足恰当的，避免了连接处出现破裂的弱点。这次开发的一体化成型加工的冰球棒，是拥有专利权的产品技术，包括在不同密度的泡沫塑料之上面，采用碳纤维、玻璃纤维及芳纶等的铺层，其后采用RTM方法灌注树脂。这种制造的结果，要比木质冰球棒的耐久性高7倍，而且还能有很好的震动吸收性(因使用泡沫塑料芯材)以及快速能量释放性(因采用碳纤维)。目前，世界上90%以上的冰球专业比赛，大都使用复合材料冰球棒。

综上所述，采用塑料及复合材料设计主要运用于运动器械的两大方面：一是运动器械的活动关节转轴；二是运动器械频繁与人体接触的部位。

塑料及复合材料大大提升了运动器械的疲劳强度，增强了运动器械的稳定性；从力角度考虑，具有高强、高模的塑料及复合材料在沿桅杆纵向上可提供足够的刚度来抵抗弯曲变形；从使用环境上考虑，具有良好的耐腐蚀性的塑料及复合材料能有效抵御汗水、雨水、日晒等环境因素的消极影响。

4 结语

根据塑料及复合材料以其特殊的性能，如密度小、易成型、价格便宜(某些先进复合材料除外)，可设计运用于运动器械的活动关节、人体平凡接触的位置、人体汗水可能会大概率接触的位置、运动器械支撑及承重的关键位置。

近年来，随着国内社会整体生活水平的不断提高，基建工程的不断完善，户外公共运动器械几乎已经普及国内各个生活小区；人们的健康意识也逐渐提高，私人室内运动器械也被很多家庭青睐，运动已成为人们生活的一部分。巨大的市场需求，促使了体育器械在设计、制造和材料上迅速发展。尤其是在塑料及复合材料在运动器械设计上的应用，体育器材完成了传统以普碳钢为代表的金属材料到以塑料及复合材料的跃迁。与体育器材相关的塑料及复合材料在我国发展迅猛，设计应用提高体育器械的产品质量和材料及工艺的稳定性，对于运动器械的发展至关重要。

塑料及复合材料是近年材料科学发展的新兴方向。与传统金属材料相比，塑料及复合材料承受疲劳磨损的能力更强，使用寿命更长。将他们应用于体育器械中，制造和安装的成本更低。虽然部分塑料和复合材料的原料产量小、价格贵；但是产品的环保效益更加明显，力学特性更为优异，且从长远角度看，经济效益更客观。