基于SolidWorks软件的多功能沙发靠背机械结构设计与实现

宋刚

（锐迈机械科技（吴江）有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

在消费需求升级的国内外家具市场中，多功能沙发的出现为智能家居注入了新的活力，作为生活中常用的软体家具，多功能沙发相比传统沙发更具性价比，逐渐占据了沙发家具主流市场。多功能沙发是指基于人体工程学、机械原理、电控集成技术等自动化技术下具备如“各类姿态调节、按摩保健、电子娱乐”多种功能的软体沙发[1]。据统计，多功能沙发在国内市场的受欢迎程度逐年上升，其智能化、结构化功能丰富，简洁、性价比高的特点，符合国内多数家庭需求，具有良好的发展空间。

1 多功能沙发的应用前景与设计方式

1.1 多功能沙发的应用前景

沙发作为常用的软体座椅，目的在于为使用者提供更舒适的坐姿或躺姿，合理的设计将有利于缓解长期使用对人体带来的压迫感或健康不利因素。相关研究发现，带有伸展、翻转、旋转、按摩等功能的座椅能更加有效地缓解腰酸背痛等症状[2]。早期传统沙发座椅只注重于外观款式及材质，不能集成坐姿、躺姿等姿态，使用者在长期使用后会出现脊椎压迫或滑脱感，长此以往会导致腰酸背痛的症状，背离了软体沙发的设计初衷。因此，要深入结合人体工程学研究，确定出各类人群最健康坐姿、TV（休闲）姿及躺姿，实现各类姿态的自动调整，确保用户得到最适合当前状态的体验感，从而有效缓解工作生活带来的疲劳[3]。近年来，多功能沙发的市场需求较大，在我国也迅速发展起来。随着人们对生活保健的重视程度不断加深，也会更多地优先选择多功能沙发。

1.2 基于计算机软件的多功能沙发的设计方式

随着计算机辅助软件设计技术的发展，传统经验设计及静态设计已不能满足高效产品设计需求，目前机械行业设计必须支持动态设计。SolidWorks是一种基于Windows操作系统下的三维建模软件，实用性较强，被广泛应用于机械产品设计，在我国机械行业企业中具有较强的市场占有率及竞争力。

通过SolidWorks软件进行方案设计，能够直接验证所绘制的模型结构是否存在干涉，运动过程是否与设计相符，结构分析是否合理。在保证功能家具设计符合生产与质量要求的前提下有效地提升设计效率，缩短因方案改变带来的样品制作周期，减少打样优化次数，多方面地满足开发指标和生产需求。同时，基于SolidWorks软件的三维模型运动分析，能高效解决各类机械结构设计开发问题，缩短开发周期，节约开发成本，提高产品质量。

2 多功能沙发机构功能设计分类

针对多功能沙发常见功能进行分类，如图1所示，其功能可以分为3大模块：腿部功能模块；座椅、靠背功能模块；按摩、娱乐等附加功能模块。

图1 多功能沙发机构功能模块设计分类

1）腿部功能模块。主要用来实现腿部伸展姿态（TV姿）的功能，用于实现人体腿部的放松。

2）座椅、靠背功能模块。主要用来实现TV姿到躺姿的转换，主流设计包括“零靠墙、零重力、零搓背”等。靠背上还可以设置单独头枕、顶腰调节机构，用于调节人体颈部、背部角度，提供更加舒适的体验，下文案例会对此类功能进行详细介绍。通过座椅板、底座联动机构，还可以实现摇摆、旋转或辅助站立等功能，辅助站立功能的适用人群主要是行动不便的老人。

3）按摩、娱乐等附加功能模块。主要包括：a.加热、振动等按摩机构；b.电子娱乐、USB等独立插件；c.智能集成电控系统；d.茶几支架、写字板、储物格等；e.沙发床；f.移动功能等。

3 一种多功能沙发靠背机械结构设计思路

沙发、座椅是人们日常生活中常见的生活、办公用品，随着人们生活水平的逐步提高，为了提高座椅的舒适度，现有的很多沙发都带有头部和腰部调节的功能，可以随意调节角度，符合不同身高的人的使用要求，也能满足不同坐姿及颈部、背部舒适度的要求[4]。

近年来小户型的市场占有量逐渐增大，对于多功能沙发而言，由于室内空间有限，这就要求设计出更多空间紧凑、功能高效的产品[5]。目前现有技术中同时具有头部和腰部调节功能的沙发靠背，头枕最大打开角度为63°，顶腰最大打开角度为34°，一般结构较复杂，或存在单边驱动设计，结构稳定性差。沙发靠背架厚度较厚，厚度L通常为200～250 mm左右，不仅在运输时占用空间较大，增加了运输成本；而且占用室内空间，影响沙发整体外观[6]。同时现有技术中完全用电动机调节的沙发靠背，在电动机的驱动下，头枕板开合时推力较大，容易出现夹手的情况，影响用户的使用舒适度。

为了克服现有技术中所存在的上述不足，提出了一种薄款头枕顶腰调节组件及沙发靠背。该靠背框架的侧边框厚度L小于120 mm。从而减小各沙发靠背的厚度，降低了整体结构的质量和体积，增加了装柜量、降低了运输成本，提高了沙发/座椅的美观性，同时具有机械防夹功能，安全可靠。

4 基于SolidWorks软件的建模及功能实现

4.1 结构设计

根据设计思路与要求，头枕部分通过限位铆钉设计头枕打开角度为0°～63°，如图2所示，通过弹簧将头枕板与驱动部间接弹性连接，实现收回状态时通过弹簧起到防夹手的作用，此处机械弹性防夹手装置可靠性强，防止用户在误操作的情况下出现人身受到伤害情况。

图2 头枕转动与防夹机构

顶腰机构无需像头枕一样打开大角度，只需要设计在0°～34°即可，通过电动机行程及限位钉控制顶腰的打开角度。其中中间驱动管的位置极为重要，既要保证头枕顶腰机构功能的实现，确保不会出现过拐点的情况，从而运行流畅，体验感好；同时尽量控制整体结构的厚度，坚持设计原则，最终实现靠背厚度L最大不超过120 mm。如图3所示，为头枕顶腰机构的收拢及打开姿态。

图3 头枕顶腰机构姿态

模型构建的过程中发现本方案的头枕电动机与顶腰电动机的规格比较接近，于是在设计要求的头枕0°～63°、顶腰0°～34°的前提下，通过调整限位及驱动管的位置实现了头枕电动机与顶腰电动机相同规格。原本两款电动机合并为同款，为双电动机结构的生产提供了便利，亦是本设计的一处亮点。

4.2 静应力分析及结构改进

由于静应力分析是针对头枕顶腰结构的机械承载能力的评估，本结构设计为对称结构，为简化模型运算，只选取头枕结构的一半进行分析，并忽略装配体中的连接配件等不重要因素影响，然后通过Simulation插件选择静应力分析，进入有限元模型界面，依次添加材料、夹具约束及载荷，最后点击运行此算例即可。同时也可以对单个零件进行分析，就可以得到此零件所受到的应力分布和形变情况等，如图4所示。

图4 零件静应力分析

多功能沙发铁架机械结构零件材料多数采用的是Q235钢，对超过屈服极限的零件，结构改进措施通常有：板材厚度加厚，连接杆处宽度前后一致，应力过大处增设加强筋和折弯圆角。

4.3 样品制作及性能测试

样品制作多采用激光切割平板和折弯的方式，速度快、成本低。产品铆接组装完成之后验证结构功能的实现及运行的顺畅程度。同时还需要进行沙发的试装，确保终端产品的可靠性。

为了对头枕顶腰装置的寿命和耐久性进行评估分析，现对防夹手头枕装置按照我司测试标准“负载25 kg，25 000次”进行疲劳寿命测试。测试头枕和顶腰机构时，将负重木板分别放置在头枕与顶腰上，在木板上负载25 kg重物，运动时将负重木板顶起使之转动，如图5所示，模仿人躺在靠背上的受力状态。通过设备控制器设定6 s的循环周期，机械伸展装置不产生结构损坏、噪声和功能失效的异常问题，则符合要求。

图5 头枕顶腰装置疲劳测试

5 结语

如何设计一款安全、舒适的多功能沙发，应综合涵盖人机工程学、运动学及仿真技术等多学科领域，不断指导多功能沙发的设计与优化。本文所提出的靠背结构设计只是结构的一部分，腿部机构、座椅板联动机构的设计也存在很多我们亟需优化和不断创新改善的地方，本文的研究内容仍有以下几点待进一步提升：1）应用计算机软件的机械结构的冲击、疲劳测试仿真分析；2）靠背结构与座椅板联动机构的相互配合，提高舒适性方面还有待深入；3）同时作为研发人员应综合考虑生产工艺、效率、品质、成本等指标，从而更好地指导结构优化。