基于SolidWorks軟件的多功能沙發(fā)靠背機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋剛

（銳邁機(jī)械科技（吳江）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

在消費(fèi)需求升級(jí)的國內(nèi)外家具市場(chǎng)中，多功能沙發(fā)的出現(xiàn)為智能家居注入了新的活力，作為生活中常用的軟體家具，多功能沙發(fā)相比傳統(tǒng)沙發(fā)更具性價(jià)比，逐漸占據(jù)了沙發(fā)家具主流市場(chǎng)。多功能沙發(fā)是指基于人體工程學(xué)、機(jī)械原理、電控集成技術(shù)等自動(dòng)化技術(shù)下具備如“各類姿態(tài)調(diào)節(jié)、按摩保健、電子娛樂”多種功能的軟體沙發(fā)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多功能沙發(fā)在國內(nèi)市場(chǎng)的受歡迎程度逐年上升，其智能化、結(jié)構(gòu)化功能豐富，簡(jiǎn)潔、性價(jià)比高的特點(diǎn)，符合國內(nèi)多數(shù)家庭需求，具有良好的發(fā)展空間。

1 多功能沙發(fā)的應(yīng)用前景與設(shè)計(jì)方式

1.1 多功能沙發(fā)的應(yīng)用前景

沙發(fā)作為常用的軟體座椅，目的在于為使用者提供更舒適的坐姿或躺姿，合理的設(shè)計(jì)將有利于緩解長(zhǎng)期使用對(duì)人體帶來的壓迫感或健康不利因素。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，帶有伸展、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、按摩等功能的座椅能更加有效地緩解腰酸背痛等癥狀[2]。早期傳統(tǒng)沙發(fā)座椅只注重于外觀款式及材質(zhì)，不能集成坐姿、躺姿等姿態(tài)，使用者在長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)脊椎壓迫或滑脫感，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致腰酸背痛的癥狀，背離了軟體沙發(fā)的設(shè)計(jì)初衷。因此，要深入結(jié)合人體工程學(xué)研究，確定出各類人群最健康坐姿、TV（休閑）姿及躺姿，實(shí)現(xiàn)各類姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整，確保用戶得到最適合當(dāng)前狀態(tài)的體驗(yàn)感，從而有效緩解工作生活帶來的疲勞[3]。近年來，多功能沙發(fā)的市場(chǎng)需求較大，在我國也迅速發(fā)展起來。隨著人們對(duì)生活保健的重視程度不斷加深，也會(huì)更多地優(yōu)先選擇多功能沙發(fā)。

1.2 基于計(jì)算機(jī)軟件的多功能沙發(fā)的設(shè)計(jì)方式

隨著計(jì)算機(jī)輔助軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及靜態(tài)設(shè)計(jì)已不能滿足高效產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，目前機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)必須支持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。SolidWorks是一種基于Windows操作系統(tǒng)下的三維建模軟件，實(shí)用性較強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在我國機(jī)械行業(yè)企業(yè)中具有較強(qiáng)的市場(chǎng)占有率及競(jìng)爭(zhēng)力。

通過SolidWorks軟件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，能夠直接驗(yàn)證所繪制的模型結(jié)構(gòu)是否存在干涉，運(yùn)動(dòng)過程是否與設(shè)計(jì)相符，結(jié)構(gòu)分析是否合理。在保證功能家具設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)與質(zhì)量要求的前提下有效地提升設(shè)計(jì)效率，縮短因方案改變帶來的樣品制作周期，減少打樣優(yōu)化次數(shù)，多方面地滿足開發(fā)指標(biāo)和生產(chǎn)需求。同時(shí)，基于SolidWorks軟件的三維模型運(yùn)動(dòng)分析，能高效解決各類機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)問題，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 多功能沙發(fā)機(jī)構(gòu)功能設(shè)計(jì)分類

針對(duì)多功能沙發(fā)常見功能進(jìn)行分類，如圖1所示，其功能可以分為3大模塊：腿部功能模塊；座椅、靠背功能模塊；按摩、娛樂等附加功能模塊。

圖1 多功能沙發(fā)機(jī)構(gòu)功能模塊設(shè)計(jì)分類

1）腿部功能模塊。主要用來實(shí)現(xiàn)腿部伸展姿態(tài)（TV姿）的功能，用于實(shí)現(xiàn)人體腿部的放松。

2）座椅、靠背功能模塊。主要用來實(shí)現(xiàn)TV姿到躺姿的轉(zhuǎn)換，主流設(shè)計(jì)包括“零靠墻、零重力、零搓背”等。靠背上還可以設(shè)置單獨(dú)頭枕、頂腰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)人體頸部、背部角度，提供更加舒適的體驗(yàn)，下文案例會(huì)對(duì)此類功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。通過座椅板、底座聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)搖擺、旋轉(zhuǎn)或輔助站立等功能，輔助站立功能的適用人群主要是行動(dòng)不便的老人。

3）按摩、娛樂等附加功能模塊。主要包括：a.加熱、振動(dòng)等按摩機(jī)構(gòu)；b.電子娛樂、USB等獨(dú)立插件；c.智能集成電控系統(tǒng)；d.茶幾支架、寫字板、儲(chǔ)物格等；e.沙發(fā)床；f.移動(dòng)功能等。

3 一種多功能沙發(fā)靠背機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

沙發(fā)、座椅是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷纳?、辦公用品，隨著人們生活水平的逐步提高，為了提高座椅的舒適度，現(xiàn)有的很多沙發(fā)都帶有頭部和腰部調(diào)節(jié)的功能，可以隨意調(diào)節(jié)角度，符合不同身高的人的使用要求，也能滿足不同坐姿及頸部、背部舒適度的要求[4]。

近年來小戶型的市場(chǎng)占有量逐漸增大，對(duì)于多功能沙發(fā)而言，由于室內(nèi)空間有限，這就要求設(shè)計(jì)出更多空間緊湊、功能高效的產(chǎn)品[5]。目前現(xiàn)有技術(shù)中同時(shí)具有頭部和腰部調(diào)節(jié)功能的沙發(fā)靠背，頭枕最大打開角度為63°，頂腰最大打開角度為34°，一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，或存在單邊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。沙發(fā)靠背架厚度較厚，厚度L通常為200～250 mm左右，不僅在運(yùn)輸時(shí)占用空間較大，增加了運(yùn)輸成本；而且占用室內(nèi)空間，影響沙發(fā)整體外觀[6]。同時(shí)現(xiàn)有技術(shù)中完全用電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)的沙發(fā)靠背，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，頭枕板開合時(shí)推力較大，容易出現(xiàn)夾手的情況，影響用戶的使用舒適度。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提出了一種薄款頭枕頂腰調(diào)節(jié)組件及沙發(fā)靠背。該靠背框架的側(cè)邊框厚度L小于120 mm。從而減小各沙發(fā)靠背的厚度，降低了整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和體積，增加了裝柜量、降低了運(yùn)輸成本，提高了沙發(fā)/座椅的美觀性，同時(shí)具有機(jī)械防夾功能，安全可靠。

4 基于SolidWorks軟件的建模及功能實(shí)現(xiàn)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路與要求，頭枕部分通過限位鉚釘設(shè)計(jì)頭枕打開角度為0°～63°，如圖2所示，通過彈簧將頭枕板與驅(qū)動(dòng)部間接彈性連接，實(shí)現(xiàn)收回狀態(tài)時(shí)通過彈簧起到防夾手的作用，此處機(jī)械彈性防夾手裝置可靠性強(qiáng)，防止用戶在誤操作的情況下出現(xiàn)人身受到傷害情況。

圖2 頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)與防夾機(jī)構(gòu)

頂腰機(jī)構(gòu)無需像頭枕一樣打開大角度，只需要設(shè)計(jì)在0°～34°即可，通過電動(dòng)機(jī)行程及限位釘控制頂腰的打開角度。其中中間驅(qū)動(dòng)管的位置極為重要，既要保證頭枕頂腰機(jī)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)，確保不會(huì)出現(xiàn)過拐點(diǎn)的情況，從而運(yùn)行流暢，體驗(yàn)感好；同時(shí)盡量控制整體結(jié)構(gòu)的厚度，堅(jiān)持設(shè)計(jì)原則，最終實(shí)現(xiàn)靠背厚度L最大不超過120 mm。如圖3所示，為頭枕頂腰機(jī)構(gòu)的收攏及打開姿態(tài)。

圖3 頭枕頂腰機(jī)構(gòu)姿態(tài)

模型構(gòu)建的過程中發(fā)現(xiàn)本方案的頭枕電動(dòng)機(jī)與頂腰電動(dòng)機(jī)的規(guī)格比較接近，于是在設(shè)計(jì)要求的頭枕0°～63°、頂腰0°～34°的前提下，通過調(diào)整限位及驅(qū)動(dòng)管的位置實(shí)現(xiàn)了頭枕電動(dòng)機(jī)與頂腰電動(dòng)機(jī)相同規(guī)格。原本兩款電動(dòng)機(jī)合并為同款，為雙電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)提供了便利，亦是本設(shè)計(jì)的一處亮點(diǎn)。

4.2 靜應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于靜應(yīng)力分析是針對(duì)頭枕頂腰結(jié)構(gòu)的機(jī)械承載能力的評(píng)估，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化模型運(yùn)算，只選取頭枕結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行分析，并忽略裝配體中的連接配件等不重要因素影響，然后通過Simulation插件選擇靜應(yīng)力分析，進(jìn)入有限元模型界面，依次添加材料、夾具約束及載荷，最后點(diǎn)擊運(yùn)行此算例即可。同時(shí)也可以對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行分析，就可以得到此零件所受到的應(yīng)力分布和形變情況等，如圖4所示。

圖4 零件靜應(yīng)力分析

多功能沙發(fā)鐵架機(jī)械結(jié)構(gòu)零件材料多數(shù)采用的是Q235鋼，對(duì)超過屈服極限的零件，結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施通常有：板材厚度加厚，連接桿處寬度前后一致，應(yīng)力過大處增設(shè)加強(qiáng)筋和折彎圓角。

4.3 樣品制作及性能測(cè)試

樣品制作多采用激光切割平板和折彎的方式，速度快、成本低。產(chǎn)品鉚接組裝完成之后驗(yàn)證結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行的順暢程度。同時(shí)還需要進(jìn)行沙發(fā)的試裝，確保終端產(chǎn)品的可靠性。

為了對(duì)頭枕頂腰裝置的壽命和耐久性進(jìn)行評(píng)估分析，現(xiàn)對(duì)防夾手頭枕裝置按照我司測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)“負(fù)載25 kg，25 000次”進(jìn)行疲勞壽命測(cè)試。測(cè)試頭枕和頂腰機(jī)構(gòu)時(shí)，將負(fù)重木板分別放置在頭枕與頂腰上，在木板上負(fù)載25 kg重物，運(yùn)動(dòng)時(shí)將負(fù)重木板頂起使之轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5所示，模仿人躺在靠背上的受力狀態(tài)。通過設(shè)備控制器設(shè)定6 s的循環(huán)周期，機(jī)械伸展裝置不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞、噪聲和功能失效的異常問題，則符合要求。

圖5 頭枕頂腰裝置疲勞測(cè)試

5 結(jié)語

如何設(shè)計(jì)一款安全、舒適的多功能沙發(fā)，應(yīng)綜合涵蓋人機(jī)工程學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及仿真技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，不斷指導(dǎo)多功能沙發(fā)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。本文所提出的靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只是結(jié)構(gòu)的一部分，腿部機(jī)構(gòu)、座椅板聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也存在很多我們亟需優(yōu)化和不斷創(chuàng)新改善的地方，本文的研究?jī)?nèi)容仍有以下幾點(diǎn)待進(jìn)一步提升：1）應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件的機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊、疲勞測(cè)試仿真分析；2）靠背結(jié)構(gòu)與座椅板聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的相互配合，提高舒適性方面還有待深入；3）同時(shí)作為研發(fā)人員應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)工藝、效率、品質(zhì)、成本等指標(biāo)，從而更好地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。