运动鞋关于气垫减震技术的研究(1)

摘要：在运动鞋的生产中，气垫用来达到减震、能量回归、装饰的目的是世界运动鞋生产中司空见惯的做法，我国运动鞋生产中气垫的使用也非常的普遍。但由于各个厂家缺乏对运动鞋气垫的功能和性能的深层次研究，导致气垫的功能、性能不能与产品的要求相适应，甚至因气垫的使用而给穿用者带来较大的运动伤害。忽视对气垫的研究不仅影响了运动鞋的附加值的提升，给顾客带来使用的不便；而且限制了我国鞋靴产业的纵深发展，影响了我国鞋业在世界上的地位，阻碍向高端产品的进军。   关键词：运动鞋；气垫；减震下面对几种气垫进行一下总结：按材料分类   不同材料对于气垫性能的影响是很大的。目前气垫最常使用的材料有聚氨酯（PU）聚氯乙烯（PVC）、热塑性聚氨酯（TPU）等。以下主要介绍聚氨酯鞋垫气垫和聚氨酯中空成型气垫、聚氯乙烯软气垫和聚氯乙烯硬气垫、热塑性聚氨酯拉管气垫和热塑性聚氨酯灌油气垫及其使用优势和性能。    ◆聚氨酯（PU）   聚氨酯材料综合性能很好。不仅其强度高、弹性高、压缩强度高，抗撕裂性能优异，耐磨、耐氧及臭氧、耐溶剂（如非极性溶剂己烷、庚烷、石蜡油等，对于极性溶剂聚氨酯几乎没有任何作用，甚至在高温条件下，聚氨酯在非极性溶剂中的溶胀也很小），而且质量轻，对于鞋的轻量化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 很有意义。不过聚氨酯耐水性较差，内部生热高。   聚氨酯鞋垫气垫多为隐藏式气垫，固定在鞋垫与中底之间。气垫的整体厚度较薄，内部压强较小，一般用于减震设计要求不高的运动鞋。如高尔夫球鞋、羽毛球鞋等，属于隐藏不漏式气垫设计。   聚氨酯中空成型气垫，是目前使用最广泛最多的气垫，耐克等知名品牌的气垫系列运动鞋所采用的气垫几乎都是聚氨酯气垫。它可以根据使用的部位不同，强调的功能不同以及穿着者的年龄等具体的情况而设计成不同的内部压强、不同的结构、不同的厚度以及不同的颜色，达到不同的减震效果和不同的能量回归功能，并可与运动鞋其他部件的设计相呼应，达到视觉效果和感觉效果同步。   ◆聚氯乙烯（PVC）   聚氯乙烯原料来源广，成本低，生产技术成熟，并且根据加入助剂的不同和助剂用量的不同，可以生产出透明和不透明的产品以及软硬不同的制品等，因此在颜色的变化上可以迅速呼应运动鞋的色彩变化。但是聚氯乙烯冲击强度低，热变形大，回弹性不如聚氨酯。  聚氯乙烯软气垫系列，同热塑性聚氨酯拉管系列在设计和使用部位上都有相似之处，多用于后跟部位，可设计出不同的色彩图案，用来达到感觉效果和视觉效果的双收。   聚氯乙烯硬气垫系列，采用硬度较大的聚氯乙烯材料，设计成多种颜色的耐压缩的气垫。一般多用于后跟部位，造型类似蜂巢结构。   ◆热塑性聚氨酯（TPU）   热塑性聚氨酯是人们最早发现的既有橡胶弹性特性，又具有塑料可塑性的高分子材料，具有优异的物理机械性能，如拉伸强度，伸长率都较高。其化学结构和邵氏硬度不同，拉伸强度也不同，大约从25兆帕到70兆帕，软质(邵氏A70～85)较低，硬质(邵氏50～83)拉伸强度则较高；抗撕裂性很好，在很宽的温度范围内均具有柔顺性；耐磨损性和抗刺穿性能优异；抗裂纹增长性是所有热塑性材料里最好的；抗纵向弯曲强度和低温冲击强度较高；回弹性和抗切割性良好；耐油性和耐候性良好，尤其是对常温下的矿物油柴油润滑油；在紫外光的作用下会泛黄，但对性能的影响不大，加入某些紫外光吸收剂可以减轻泛黄现象；对酸碱较敏感，易被侵蚀，测试其性能可作模拟浸泡试验。另外，像所有的热塑性塑料一样，热塑性聚氨酯可以循环使用，在新的热塑性聚氨酯中加入少量下脚料，不会对产品的质量带来任何影响。   热塑性聚氨酯拉管气垫，主要借助热塑性聚氨酯的优异的物理机械性能，回弹性能高，抗刺穿性能、抗裂纹增长性能优异，耐冲击强度较高。一般生产的拉管气垫用在后跟部位，减震功能显著。而且颜色可以多种变化，丰富多彩的效果给运动鞋的视觉效果锦上添花。   热塑性聚氨酯灌油气垫，形象一点应该称之为“液垫”，但是因为其功能也主要是减震，所以归在气垫一类，利用了热塑性聚氨酯的耐油性和高弹性。常用于后跟部和腰窝部位，用来减震和稳定脚部的翻转。     按结构使用部位分类    ◆全掌气垫  轮廓同大底的轮廓，开窗外露式全掌气垫，与大底边缘结合处的气室厚度大约10-20mm，壁厚1-1.4mm，较软，回弹性高；中间部分气室厚度较小，大约2-6mm，弹性差，起横梁支撑作用；中间实心部分厚度大约2-3mm，起联结作用。前掌最薄处厚度一般为10毫米，后跟最厚厚度一般为20mm，整个气垫从后跟到前掌是一楔形结构。隐藏式全掌气垫边缘厚度一般为1-1.2mm，气室厚度一般为2-4mm，实心部分的厚度一般与边缘厚度相同1-1.2mm。 开窗系列的结构还有以下3种：   1、缘的气室为一整体结构； 2、缘气室从跖趾关节部位断开为3个气室； 3、在跖趾关节和腰窝部位都断开，整个边缘分割为6个气室，腰窝处的气室厚度最厚，可以达到23mm，既可以减震又可以起支撑稳定作用。    ◆半掌气垫   从跖趾关节处到后跟部位，腰窝处气室的厚度是整个气垫最厚的部位，与全掌气垫的设计功能相同，起减震和支撑稳定作用。腰窝处气室的厚度20-25mm，后跟部位一般18-20mm，中间部分以及实心部分的设计尺寸同全掌气垫的尺寸。   ◆后跟气垫   后跟气垫结构、形状多样，颜色丰富，是最常用的气垫设计。常见的形状有以下几种：   1、整体形状类似人的脚后掌，各个结构的不同主要是在细节部分变化：边缘部分为一个管的气室，中间部分均为实心；整体为一均匀气室，只是在中间部分安插几个实心的圆形、椭圆形、半圆形或其他形状的实心部分；将全掌气垫从腰窝处断开，其余设计均不变；边缘的气室设计为类似锯齿状其余部分设计类似其他的气垫设计；只是一个类似后跟形状的薄薄的气囊，没有其它的点缀，属于隐藏式气垫设计。   2、投影下来的形状类似一长方形：两侧的气室厚度较大，一般为15-20mm，壁厚为1-1.2mm；中间的气室厚度一般为3-6mm，壁厚为1.2-1.5mm；实心部分厚为2-3mm。整个气垫像一个长方形的气袋，中间和两侧的气室厚度相同，壁厚也相同，与两侧气室相通，没有实心部分连接；形状为长方体，设计和用法均同下面的卵形气垫。   3、卵形气垫：用于后跟两侧或者腰窝部位，后跟部位每只鞋子用两个，腰窝部位用一个。具体的结构变化有以下2种：  ①、气垫中间均匀的分布两到三个气柱，主要的减震回弹作用的实现也是依靠这几个气柱；   ②、整个气垫由两个通过柱型气室连接的气囊构成，没有气柱；   4、管状气垫：采用拉管工艺，材料一般采用聚氯乙烯和热塑性聚氨酯，颜色可以根据需要的变化而变化，可以采用透明效果、雾面效果、镭射效果等等，不同的形状和长度可以分别用于不同的部位，如前掌两侧、后跟两侧或后跟整个一圈。   5、椭圆形气垫：分为开窗式和隐藏式两种设计，开窗式设计有气柱，隐藏式只是一个气囊，可以充入气体也可以灌入油等液体。   6、圆形气垫：一般为隐藏式设计，可以充入气体或灌入油等液体。   ◆前掌气垫   比较薄，减震和回弹性比后跟部位要求较小，形状有2种：   1、类似脚的前掌形状：跖趾关节处特殊设计，其余均同全掌气垫的前掌部分。  2、管状气垫：管径较后跟气垫小，其余均同后跟管状气垫。   ◆腰窝气垫   较厚，起支撑和稳定作用。多为隐藏式，可卵形，无气柱设计；也可以是边缘光滑的菱形体，与腰窝部分紧密贴合。   按在底部的位置分类   ◆大底气垫鞋底   这是最早出现的气垫鞋，运动鞋的大底具有较厚的结构，并设计出一系列类似六角蜂巢结构的独立的气室，可用于前掌部位及后跟部位。蜂巢式结构早已被证实是大自然中最佳的几何结构，兼具高强度及质量轻等优点，这类设计的大底在减震及大底轻量化上是很有意义。  ◆用于中插部位的设计  这类气垫主要是成型气垫，内部封入气体或液体，也是目前最流行的气垫鞋的设计方式。气垫一般放置在后跟部位或前掌部位。耐克公司的气垫鞋设计也主要是中插设计占了上风。   ◆鞋垫配套设计   一般将气垫嵌置在鞋垫的前掌及后跟等强调减震的部位，可以根据需要将气垫放置在活动鞋垫的上头或者下方，与脚直接接触，舒适性体会明显。    按内部充入的物质分类：   ◆空气气垫   这是目前普遍使用的气垫，通过吹塑工艺或拉管工艺再结合具体的要求将一定气压的空气封闭在不同形状的气垫内，实现减震功能及能量回归功能，工艺简便，气体来源广。   ◆惰性气体气垫  将惰性气体封闭在气垫内，可以放置在大底的任何部位。这是一种新型的轻型缓冲减震系统，使缓冲性能极限化，减轻了鞋子的重量。因为鞋子越轻，穿在脚上越是浑然不觉，这意味着轻盈，意味着速度，意味着舒适。康夫斯公司推出的全明星气垫篮球鞋就是采用的氦气（比空气轻7倍）气垫，据测试，此款气垫篮球鞋缓冲减震效果和稳定效果无与伦比，热塑性聚氨酯框架和抗断裂尼龙网布使鞋面透气性及支撑力更胜一筹，热塑性聚氨酯透明片配上其独特的鞋面材料设计，使得氦气气垫这一新事物一目了然，轻盈，舒适“看”得见。  ◆液垫  由一个密闭的气室或者几个密闭但彼此相通的小气室组合而成的一种类似于气垫的减震垫，里面的液体可以根据需要冲入油或者硅胶液等液体，可以用于后跟腰窝部位的减震。   ◆硅胶垫   设计类似于液垫，但是把硅胶液或者油等液体换成硅胶球。硅胶球是被包封在一个密闭的扁形气囊中，做成减震气垫后嵌置于中插里面，可依据需要装在后跟部位和前掌部位。   按充气方式分类   ◆成型气垫 这类气垫一般是在生产过程中根据不同的使用部位及不同的材料充入不同气压的气体或者充入不同体积的液体之后封口，与大底的结合属于组合式。换句话说就是气垫内的气体的压强或者液体的体积在气垫成型后是固定不变的，目前这种生产工艺生产的适用于不同年龄阶段、不同职业、不同性别的穿用群体的不同种类的运动鞋。  ◆可调式气垫  这类气垫内部的条件可以根据不同的运动需求和穿用者不同的脚部情况、气垫的装置位置不同、接触面积的大小不同而改变。一般装置在中底上，也有用于帮面部件的，通常为一组气垫，具有可以充气和调节内部气压的充气阀和放气阀，使用时只要轻按充气阀数下，或者按放气阀数下就可以得到合适的气压，使脚步获得最佳的合脚性和舒适性，还可以稳固地撑住脚背及脚踩部位使其免于运动伤害。此设计最初是锐步公司的专利设计，也是目前比较热门的一种气垫设计。  青岛双星集团也通过对中医学、人机 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学、材料力学等学科的广泛研究，运用高档超纤维合成材料以及高弹低密度的新型鞋底材料，设计出一款鞋内设置气囊气垫和单项阀门等部件的运动鞋。此款鞋不但具有鞋底按摩减震的功能，并且具有鞋底换气的功能，可在运动中完成鞋内空气的交换，使脚底环境在受到良好的减震保护的同时可以处于良好的清爽状态，有利于增进人体的健康。    按照气垫形状分  NIKE（耐克） ◆ZoomAir   一般用于高尔夫球鞋及直排滑轮鞋等不太需要减震功能的鞋底，较薄，对地面的感应较直接，以减少因鞋离地面太高而产生的失真感觉。在气室内，放置弹性功能佳的尼龙立体织状物，这些织物编织非常紧密反应度高，受压后会立即反弹，让运动员拥有紧密的避震保证，并贴近地面，提供极佳的触地感及飞快的速度感。  ◆AirMax   减震性强且较厚，可以分担运动员所负荷的强大力量，也常用于凉鞋配合年轻人跳跃或走石子路所引起的不适。 ◆TurnedAir  造型在原有的AirMax的基础上加上数个半圆球体，能够缓冲来自地面的冲击，并提供适当的稳定性，让气垫犹如弹簧般加大弹性，提供最优异的减震保护。另外，由于半圆球体的作用是垂直上下，更能稳定气垫的回弹，即使落脚时有偏左或偏右的现象，也会使双脚往上恢复到正常位置，使双脚的移动更平稳。  REEBOK（锐步）  DMX6:气囊流动系统 DMX6是一种气流流动减震系统，随时随地为运动人士提供缓震与稳定效果，它是由两部分气流交换系统组成,在足跟部位，有五个流动气囊，之间由管道沟通在前位置,有一个气囊同样由一个气体流通管道与足跟部五个气囊相连接,具有缓震及分压效果. 运动时，运动员会因脚踏地面而使足跟压向地面，位于足跟各气囊的空气，含于跟偏内侧压向地面，同时，逼向中足及前掌，在前掌着地时，产生良好的减震效果，同时起到了防止脚内侧现象发生。减震效果与DMX10同样卓越。 同DMX10一样,在足部与气囊间设置了I-pak气垫,分散了六组气囊的压力，使得缓震及稳定性能更强。 REEBOK缓震运动科技较同类其他科技的优越之处 根据Reebok运动科技 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 实验结果显示，运动过程的足部受力是由足跟至前掌，再由前掌至足跟循环往复移动，所以DMX的流动缓震系统，无论对足跟及前掌所提供的缓震作用，都会比静止式空气缓震系统更为卓越.  DMX10:气囊流动系统 DMX10是根据足部结构设计而成，包括10组内置气囊，五组气囊分布前脚掌位置的五个着力点处，另五组气囊分别在脚后掌的受力处，中间由一系列输气管道连接，囊内空气随足部运动流动于各气囊之间，籍以产生缓震效果及增加稳定性。 DMX10气囊分别设于脚跟及前足部位。运动时，球员会因走动而将脚步跟压向地面，位于脚跟各气囊的空气会对脚跟起缓震作用，同时，气体会因受压进而逼向前端各组气囊，使前脚掌着地时，亦产生同样的功效。 此外DMX10亦会对长跑运动员常见的脚内侧象起稳定作用。位于脚跟流动囊的空气，会于脚跟偏内侧压向地面时，逼向中足及前掌。位于中足的气囊会因空气流入而膨胀，所接生的承托作用，对脚内侧现象收防止效用. 根据Reebok运动科技试验室结果显示，DMX的流动缓震系统，无论对脚跟及前掌所提供的缓震作用，却会比静止式空气缓震系统更卓越。 同时将一促超薄的封闭气垫Ipak设置于足部与DMX10气囊之间，当足部受力，气体由足跟流动向前脚掌，分散了压力，增加了缓震效果，分散了10组气囊所受到的压力，使得缓震及稳定性更强。 DMX流动气囊结构是Reebok所研制的成功运动科技，它能提供更高水平的舒适感，流动感和稳定性。DMX适用于任何不同运动需要,DMX正如人们所看到的层次越变，科技含量越多,使消费者感受到物有所值.DMX科技源自于驾驶员与汽车之间的感受,正如地面、车轮胎及座位在行驶中给驾驶员的感受一样,运动人士在运动过程中,脚与地面接触,受力,DMX可缓解震荡，增强足部的舒适感，提供更高的稳定性及方向感.  Reebok3DUltralite技术 于研发创新领先的高科技运动产品，符合不断发展的运动需求，帮助创造更快，更强，更高的运动成绩。X-Beam科技就是2002年的最新鞋类科技成果。X-Beam选用特殊柔性TPU材质取代原有的鞋中底，其坚固而又柔韧的特质在整个脚底部起到了主干支撑作用；而在中足部位的加强设计，特别增强运动鞋的稳定性，给予足够的运动保护，减少受伤机会；而在其前掌部分的分段式设计，则可以大大提高前足部灵活性，在运动中使运动鞋更贴合脚步的移动，满足你在跑步、篮球、训练等多方面的运动需求。X-Beam3D是锐步最新的超轻和全足部缓震科技。 X-Beam科技已被广泛地应用于锐步篮球鞋、跑步鞋和全能运动鞋中，含有X-Beam科技的运动鞋在鞋底中央都会有X-Beam标记。  ReebokDMXReflex科技 锐步ＤＭＸＲｅｆｌｅｘ科技具有独特气质外形，ＤＭＸＲｅｆｌｅｘ科技是专门作用于鞋后跟的缓震运动科技，走时柔软跑时坚硬，三重缓震，层层缓震带来层层关怀。 第一重缓震——与众不同的层叠外观犹如层叠的缓震科技。首先是可视的缓震外盒，从外观上看分为阶梯般的三层，上两层较为柔软而最下层坚硬，不一样的软硬程度为我们的穿着创造了极度舒适体验，散步和慢跑时我们需要脚下柔软，而在剧烈运动中又希望得到足够多的支持和保护。能够看到的阶梯状外盒有诸多鲜亮色彩，ＤＭＸＲｅｆｌｅｘ的男鞋采用酷的银灰和醒目的红，女鞋则是跳跃的粉绿和新鲜的湖蓝。 第二重缓震——鲜亮缓震外盒内采用类似与ＤＭＸＦｏａｍ的科技，具有韧性和弹性的发泡材料能够起到良好的缓震效果，进一步提升运动中受到低压时的舒适性。 第三重缓震——起缓震作用的是镶嵌在发泡材料重的流动气囊，可以随意流动的气体被封闭在设计好的空间之中，随着运动的加剧和减缓，流动气囊的缓震作用随之加强和减弱，提供各种压力的缓震。运动鞋的减震是运动鞋最关键的技术之一，是保护运动员半月板最重要的部位。每个厂家有不同的技术，购买鞋的时候应注意每种减震的区别，选择自己需要的技术。结束语运动鞋的研究已经有一百多年的历史了，有些技术随着时代进步，也在不断进化，新的减震技术更是不断涌现。虽然我国在运动鞋科技创新方面还处在初级发展阶段，但是我们相信有中国自主研发应用在运动学上的新科技成果一定会不断涌现！参考文献：【1】郑秀媛，刘静民，运动鞋研究概况和发展趋势【J】，体育科研，2009，30，（2）：56-60【2】李建设，顾耀东，运动鞋核心技术的生物力学研究【J】，体育科学，2009，29（5）：40-49【3】程鹏，曲峰，运动鞋科技进展综述【J】，山西体育科技，2008。，28（3）：1-4【4】赵光贤，运动鞋——时代的新宠【J】，世界橡胶工业，2004，32（1）：48-53【5】金尔庭，日新月异的运动鞋鞋底技术——谈运动鞋鞋底缓冲功能与反弹功能，中外鞋业，1999（6）：95-97【6】单信海，跑鞋能量特性的理论探讨【J】，天津体育学院学报，2002，17（4）：28-30