基于SolidWorks軟件的多功能沙發靠背機械結構設計與實現

宋剛

（銳邁機械科技（吳江）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

在消費需求升級的國內外家具市場中，多功能沙發的出現為智能家居注入了新的活力，作為生活中常用的軟體家具，多功能沙發相比傳統沙發更具性價比，逐漸占據了沙發家具主流市場。多功能沙發是指基于人體工程學、機械原理、電控集成技術等自動化技術下具備如“各類姿態調節、按摩保健、電子娛樂”多種功能的軟體沙發[1]。據統計，多功能沙發在國內市場的受歡迎程度逐年上升，其智能化、結構化功能豐富，簡潔、性價比高的特點，符合國內多數家庭需求，具有良好的發展空間。

1 多功能沙發的應用前景與設計方式

1.1 多功能沙發的應用前景

沙發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，合理的設計將有利于緩解長期使用對人體帶來的壓迫感或健康不利因素。相關研究發現，帶有伸展、翻轉、旋轉、按摩等功能的座椅能更加有效地緩解腰酸背痛等癥狀[2]。早期傳統沙發座椅只注重于外觀款式及材質，不能集成坐姿、躺姿等姿態，使用者在長期使用后會出現脊椎壓迫或滑脫感，長此以往會導致腰酸背痛的癥狀，背離了軟體沙發的設計初衷。因此，要深入結合人體工程學研究，確定出各類人群最健康坐姿、TV（休閑）姿及躺姿，實現各類姿態的自動調整，確保用戶得到最適合當前狀態的體驗感，從而有效緩解工作生活帶來的疲勞[3]。近年來，多功能沙發的市場需求較大，在我國也迅速發展起來。隨著人們對生活保健的重視程度不斷加深，也會更多地優先選擇多功能沙發。

1.2 基于計算機軟件的多功能沙發的設計方式

隨著計算機輔助軟件設計技術的發展，傳統經驗設計及靜態設計已不能滿足高效產品設計需求，目前機械行業設計必須支持動態設計。SolidWorks是一種基于Windows操作系統下的三維建模軟件，實用性較強，被廣泛應用于機械產品設計，在我國機械行業企業中具有較強的市場占有率及競爭力。

通過SolidWorks軟件進行方案設計，能夠直接驗證所繪制的模型結構是否存在干涉，運動過程是否與設計相符，結構分析是否合理。在保證功能家具設計符合生產與質量要求的前提下有效地提升設計效率，縮短因方案改變帶來的樣品制作周期，減少打樣優化次數，多方面地滿足開發指標和生產需求。同時，基于SolidWorks軟件的三維模型運動分析，能高效解決各類機械結構設計開發問題，縮短開發周期，節約開發成本，提高產品質量。

2 多功能沙發機構功能設計分類

針對多功能沙發常見功能進行分類，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 多功能沙發機構功能模塊設計分類

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

2）座椅、靠背功能模塊。主要用來實現TV姿到躺姿的轉換，主流設計包括“零靠墻、零重力、零搓背”等。靠背上還可以設置單獨頭枕、頂腰調節機構，用于調節人體頸部、背部角度，提供更加舒適的體驗，下文案例會對此類功能進行詳細介紹。通過座椅板、底座聯動機構，還可以實現搖擺、旋轉或輔助站立等功能，輔助站立功能的適用人群主要是行動不便的老人。

3）按摩、娛樂等附加功能模塊。主要包括：a.加熱、振動等按摩機構；b.電子娛樂、USB等獨立插件；c.智能集成電控系統；d.茶幾支架、寫字板、儲物格等；e.沙發床；f.移動功能等。

3 一種多功能沙發靠背機械結構設計思路

沙發、座椅是人們日常生活中常見的生活、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，現有的很多沙發都帶有頭部和腰部調節的功能，可以隨意調節角度，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占有量逐漸增大，對于多功能沙發而言，由于室內空間有限，這就要求設計出更多空間緊湊、功能高效的產品[5]。目前現有技術中同時具有頭部和腰部調節功能的沙發靠背，頭枕最大打開角度為63°，頂腰最大打開角度為34°，一般結構較復雜，或存在單邊驅動設計，結構穩定性差。沙發靠背架厚度較厚，厚度L通常為200～250 mm左右，不僅在運輸時占用空間較大，增加了運輸成本；而且占用室內空間，影響沙發整體外觀[6]。同時現有技術中完全用電動機調節的沙發靠背，在電動機的驅動下，頭枕板開合時推力較大，容易出現夾手的情況，影響用戶的使用舒適度。

為了克服現有技術中所存在的上述不足，提出了一種薄款頭枕頂腰調節組件及沙發靠背。該靠背框架的側邊框厚度L小于120 mm。從而減小各沙發靠背的厚度，降低了整體結構的質量和體積，增加了裝柜量、降低了運輸成本，提高了沙發/座椅的美觀性，同時具有機械防夾功能，安全可靠。

4 基于SolidWorks軟件的建模及功能實現

4.1 結構設計

根據設計思路與要求，頭枕部分通過限位鉚釘設計頭枕打開角度為0°～63°，如圖2所示，通過彈簧將頭枕板與驅動部間接彈性連接，實現收回狀態時通過彈簧起到防夾手的作用，此處機械彈性防夾手裝置可靠性強，防止用戶在誤操作的情況下出現人身受到傷害情況。

圖2 頭枕轉動與防夾機構

頂腰機構無需像頭枕一樣打開大角度，只需要設計在0°～34°即可，通過電動機行程及限位釘控制頂腰的打開角度。其中中間驅動管的位置極為重要，既要保證頭枕頂腰機構功能的實現，確保不會出現過拐點的情況，從而運行流暢，體驗感好；同時盡量控制整體結構的厚度，堅持設計原則，最終實現靠背厚度L最大不超過120 mm。如圖3所示，為頭枕頂腰機構的收攏及打開姿態。

圖3 頭枕頂腰機構姿態

模型構建的過程中發現本方案的頭枕電動機與頂腰電動機的規格比較接近，于是在設計要求的頭枕0°～63°、頂腰0°～34°的前提下，通過調整限位及驅動管的位置實現了頭枕電動機與頂腰電動機相同規格。原本兩款電動機合并為同款，為雙電動機結構的生產提供了便利，亦是本設計的一處亮點。

4.2 靜應力分析及結構改進

由于靜應力分析是針對頭枕頂腰結構的機械承載能力的評估，本結構設計為對稱結構，為簡化模型運算，只選取頭枕結構的一半進行分析，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插件選擇靜應力分析，進入有限元模型界面，依次添加材料、夾具約束及載荷，最后點擊運行此算例即可。同時也可以對單個零件進行分析，就可以得到此零件所受到的應力分布和形變情況等，如圖4所示。

圖4 零件靜應力分析

多功能沙發鐵架機械結構零件材料多數采用的是Q235鋼，對超過屈服極限的零件，結構改進措施通常有：板材厚度加厚，連接桿處寬度前后一致，應力過大處增設加強筋和折彎圓角。

4.3 樣品制作及性能測試

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。產品鉚接組裝完成之后驗證結構功能的實現及運行的順暢程度。同時還需要進行沙發的試裝，確保終端產品的可靠性。

為了對頭枕頂腰裝置的壽命和耐久性進行評估分析，現對防夾手頭枕裝置按照我司測試標準“負載25 kg，25 000次”進行疲勞壽命測試。測試頭枕和頂腰機構時，將負重木板分別放置在頭枕與頂腰上，在木板上負載25 kg重物，運動時將負重木板頂起使之轉動，如圖5所示，模仿人躺在靠背上的受力狀態。通過設備控制器設定6 s的循環周期，機械伸展裝置不產生結構損壞、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試

5 結語

如何設計一款安全、舒適的多功能沙發，應綜合涵蓋人機工程學、運動學及仿真技術等多學科領域，不斷指導多功能沙發的設計與優化。本文所提出的靠背結構設計只是結構的一部分，腿部機構、座椅板聯動機構的設計也存在很多我們亟需優化和不斷創新改善的地方，本文的研究內容仍有以下幾點待進一步提升：1）應用計算機軟件的機械結構的沖擊、疲勞測試仿真分析；2）靠背結構與座椅板聯動機構的相互配合，提高舒適性方面還有待深入；3）同時作為研發人員應綜合考慮生產工藝、效率、品質、成本等指標，從而更好地指導結構優化。