集成式稳定型汽车按摩座椅创新设计

刘家宝，刘岩，李玉莲，莫曾甜，孟玲

集成式稳定型汽车按摩座椅创新设计

刘家宝，刘岩，李玉莲，莫曾甜，孟玲

（桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院，广西 桂林 541004）

针对传统座椅固定方式单一，乘坐舒适度差，无法减轻晕车症状及颈椎压力等弊病，创新设计了一种集成式稳定型按摩座椅，该座椅包含头部、肩部和腰部按摩功能，并利用万向节、弹簧、配重块等组件稳定了座椅的运动形态，实现了对座椅与车辆之间的运动幅度和频率的调节．该设计可减缓驾乘者晕车症状，并实现了在车辆上轻松阅读与休息．

三维建模；稳定型按摩座椅；创新设计

随着智能化时代的到来，行为和生活方式的改变，颈椎疾病越发低龄化．据调查，中国有2亿人患有腰疼颈椎病，缓解脊椎病的主要物理方法就是按摩[1]．近年来，机场、车站、电影院、商场等场所设置了很多按摩椅，通过微信扫码就能在疲惫之时惬意地享受按摩[2]，使用频率高，普适性强，但其造价高、占地也较大．而在交通工具中，现有按摩器较为笨重和高成本现状不适合普及，特别是缓冲、稳定与降低眩晕感等功能产品存在着市场空缺．

目前国外汽车应用最广的一种稳定器是由缓冲器支架在缓冲器中部与控制杆上端固定连接，其中螺旋弹簧安装在缓冲器上．稳定器与控制杆下端相连，控制杆上端与缓冲器支架相连．当左、右车轮在转弯承受震动或冲击时，稳定器、缓冲器和螺旋弹簧三者协调使车辆保持平衡，提高乘客的舒适度．稳定器可缓冲和分散由路面状况而作用于轮胎的冲击载荷，从而提高操纵能力[3]．而国内汽车座椅普遍由骨架、泡沫、面罩和塑料件构成[4]，通过骨架和坐垫之间加入缓震器以及安全带以实现缓冲，缓冲结构和性能决定着驾乘人员的安全与舒适程度[5]．公共交通工具的稳定方式更为简陋，一般将传统的座椅支腿和侧挂板连成一体，座椅支腿一端由螺栓固定在侧围上，另一端固定在侧围和地板的连接板上，下部带有调平螺栓，用于调整座椅的水平度，但稳定效果差[6]；同时，座椅底部连接方式对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性、安全性有很大影响[7]．在充分考虑以上情况结合人体结构的基础上，以缓解乘客疲劳和减震稳定为目的，设计一款座椅，即以集成创新的形式解决“乘车眩晕”和“颈椎按摩”的问题，使乘客获得良好的乘车体验并缓解颈椎病患，具有重要现实意义．

1　稳定型按摩座椅整体结构设计

通过集成创新方法设计一种高效的稳定按摩装置，将按摩与平衡稳定技术结合于座椅中，即采用半球形底座的稳定座椅融合颈部的按摩器，将按摩座椅与车体连接为一体，实现“按摩+稳定”合二为一的功能性要求．

1.1 稳定型按摩座椅的主要优化结构

座椅按摩机构系统主要由颈部按摩组件、腰部按摩组件以及背部按摩组件3部分组成，装置整体结构及各部件示意图见图1．

图1 稳定型按摩座椅主要结构

注：1 颈部按摩组件；101 安装框；102 蜗杆；103 蜗轮；104 第一电机；2 腰部按摩组件；3 背部按摩组件；301 第一齿轮；302 第二电机；303 支撑轴；304 第二齿轮；4 按摩件；401 阻尼器；402 第一弹簧；403 支撑板；404 第一半球壳体；4041 凹槽；4042 球体；405 支撑杆；406 第二半球壳体；407 连接柱；408 润滑头；4081 推杆；4082 硅胶刮板；4083 油脂盒；4084 穿透孔；4085 连接块；4086 第三半球壳体；409 第二弹簧．

1.2　稳定型按摩座椅结构优化设计

为实现“按摩+稳定”的设计，重点对颈部按摩组件、腰部按摩组件、背部按摩组件和按摩器底座4部分结构进行创新设计．

1.2.1颈部按摩第一电机带动蜗杆转动，使位于两侧的涡轮转动，带动按摩件转动，实现颈部按摩．

1.2.2腰部按摩第二电机通过第二齿轮转动，使蜗杆正常工作，带动两侧涡轮转动，带动按摩件转动，实现腰部按摩．

1.2.3背部按摩第二电机通过第一齿轮转动，使蜗杆正常工作，带动两侧涡轮转动，带动按摩件转动，实现背部按摩．

1.2.4按摩器底座按摩器底座安装在车辆底部，由弹簧、配重块和半球形底座组成．当车辆颠簸时，通过弹簧减小震动的幅度，配重块平衡增重，调节回中速度，减少震荡的频率和幅度，以及润滑头的润滑效果，实现行驶时保持座椅的稳定，减少乘客眩晕感．

1.3　设计参数优化与分析

经设计优化，本装置整体参数见表1．

表1　不同按摩座椅参数对比

经过与市面不同按摩椅对比，本按摩椅在具备基本按摩性能的同时，兼顾稳定平衡功能，具有重量轻、结构尺寸小的特点，比较适合于受空间条件限制的交通工具，特别是公共交通工具使用和推广．

2　数字化建模与受力分析

2.1 三维数字化建模

该装置底部结合SPAR平台平衡原理采用半球形底座设计[8]，并配合大摩阻硅胶弹性块，上方采用弹簧作为主要支撑，支撑杆为整体的主要受力部件，其他受力部件均为原有车辆基本座椅部件．从结构优化角度仅底座部分有全新设计，故针对此处的核心零部件进行ANSYS受力分析．

为便于稳定按摩器的结构设计和优化，利用Solidworks三维建模软件对整个装置进行设计，其中包括座椅、按摩器、底座3个部分．装置建模设计时对模型进行了简化（忽略了结构和装置连接上的一些细节）．模型结构示意图见图2．

图2　稳定型按摩座椅模型

2.2 关键部件静力分析

底座半球形平衡机构的支撑杆为主要的受力部件，采用的材料为结构钢Q235．利用ANSYS仿真分析软件对其部件进行网格划分后分析应力及变形情况，通过具体数据分析，变形量和强度均满足设计要求（见图3）．通过分析可知，最大应力为2.66e+10Pa，最大变形为0.19 mm，最大位移为0.06 mm．分析结果显示，应力与变形均能满足设计要求．

图3 稳定型按摩座椅支撑杆受力分析

3 结语

目前，快节奏生活对交通工具的要求不仅限于代步，更关注座椅乘坐舒适度，特别是有晕车困扰的驾乘者，“稳定+按摩”是解决该生活痛点的有效途径[9-11]．基于现有座椅的局限性，特别是易晕车人士对道路颠簸的敏感性，开展创新方法研究，取得参考性成果．

（1）采用半球形底座的稳定座椅与颈部的按摩部分结合，实现按摩座椅与车体联接，通过减震与平衡的稳定结构降低整个设备的重心．

（2）通过设计弹簧底座减小振幅，配重块平衡增重调节，以最小势能回中速度的方式，减少震荡的频率和幅度，结合凸缘润滑头的半润滑阻尼效果，实现座椅自适应稳定．

（3）针对颈部不适问题，通过座椅颈椎部位安装四球型按摩仪，辅助机械滚轴，满足人们对颈部按摩放松的需求．

[1] 董超．中国疾病负担报告：脊椎疾病是国人首要致残疾病[N]．保健时报，2019-01-31（006）．

[2] 赵星云．稳定器结构：韩国，CN1295936[P]．2001-05-23．

[3] 留影，罗雅文．共享按摩椅难“躺赢”[N]．玉林日报，2022-07-05（B03）．

[4] 李琤，王爱国，倪晋挺．装有横向稳定器的车辆悬架系统Simulink振动分析[J]．噪声与振动控制，2015，35（2）：61-64．

[5] 马捷，乔冰．化工新材料在汽车轻量化领域的应用[J]．化学工业，2019，37（1）：21-29，49．

[6] 仇念尧．汽车座椅骨架系统功能公差研究[D]．长春：吉林大学，2022．

[7] 孙井晶，周炳海．汽车座椅骨架结构的改善[J]．机械制造，2009，47（11）：64-67．

[8] 谢建新，陈一凡，陈明达．汽车座椅腰部按摩仪的设计[J]．汽车实用技术，2018（24）：235-236．

[9] 李敏，曹乐，黄经纬．基于Spar平台结构参数量测的不确定度分析[J]．传感器与微系统，2022，41（11）：48-51，56．

[10] 王伟伟，程思思．基于服务设计理念的办公用按摩椅设计[J]．工业设计，2022（10）：79-81．

[11] 董钢，王莎，刘聪，等．智能按摩椅设计与实现[J]．电信快报，2022（3）：30-32，37．

Innovative design of integrated and stable car massage seats

LIU Jiabao，LIU Yan，LI Yulian，MO Zengtian，MENG Ling

（School of Energy and Building Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，China）

Traditional seat fixation method is single，with poor riding comfort，which cannot alleviate symptoms of motion sickness and cervical spondylosis pressure．An integrated and stable massage seat is innovatively designed，which includes head，shoulder，and waist massage functions．It utilizes components such as universal joints，springs，and counterweights to stabilize the movement form of the seat，achieving adjustment of the amplitude and frequency of movement between the seat and the vehicle．This design can alleviate the symptoms of driver and passenger motion sickness，and achieve easy reading and rest on the vehicle．

3D modeling；stable massage seat；innovative design

1007-9831（2023）09-0043-04

TB47

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.09.010

2023-04-28

国家大学生创新创业训练计划项目（202211825029）；桂林航天工业学院产教融合课程改革项目（2019CJRH16）

刘家宝（2003-），男，山西太原人，在读本科生．E-mail：2803977859@qq.com

刘岩（1977-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，从事设备优化设计与故障诊断研究．E-mail：1300983279@qq.com