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        戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)分析與設(shè)計

        2019-03-31 09:25:36李雪琪許熠瑩毛夢吉
        設(shè)計 2019年23期
        關(guān)鍵詞:輕量化結(jié)構(gòu)

        李雪琪 許熠瑩 毛夢吉

        關(guān)鍵詞:背負(fù)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 可調(diào)節(jié) 輕量化

        引言

        背負(fù)系統(tǒng)是指運用于背負(fù)類產(chǎn)品中的,以人體背部承重機能為基礎(chǔ),承擔(dān)在靜態(tài)與動態(tài)活動中實現(xiàn)背負(fù)具有一定重量物品,同時幫助減小背負(fù)者疲勞與不適的負(fù)重支撐體系。它主要由肩帶、腰帶、肩部受力帶、腰部受力帶、包底受力帶以及支撐裝置、調(diào)節(jié)裝置和通風(fēng)裝置等部分組成。戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)是以背負(fù)系統(tǒng)為基礎(chǔ),以設(shè)備背負(fù)為目的,運用于戶外環(huán)境,具有輕量性、負(fù)載物可拆卸、背負(fù)系統(tǒng)具有獨立性和輕量化特點的背負(fù)輔助裝置。由于戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)在使用中具有承重性、耐用性、舒適性、長時性、可分離等方面的要求,因此在設(shè)計中,選擇以歐式可調(diào)節(jié)背包為基礎(chǔ),參照攜行式背架結(jié)構(gòu),通過從背負(fù)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)方式、輕量化等方面作為創(chuàng)新的切入點,在分析的基礎(chǔ)上對便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新。

        一、戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

        (一)背負(fù)系統(tǒng)的組成

        1.常規(guī)背負(fù)系統(tǒng)的組成:常規(guī)戶外背負(fù)產(chǎn)品中所運用的背負(fù)系統(tǒng)主要包括“五帶三裝置”,即由肩帶、腰帶、肩部受力帶、腰部受力帶于包底受力帶構(gòu)成的“五帶”和由支撐裝置(內(nèi)支架),如圖1所示。通風(fēng)裝置和調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成的“三裝置”,其中“五帶”主要作用是保證背負(fù)時的舒適性,“三裝置”主要作用是支持、通風(fēng)與調(diào)節(jié)。

        人們通常以背負(fù)時背部壓力是否均勻、是否有后墜感、頭頸部是否能自由活動、背部的透氣性能、肩部受力分布、背部摩擦、穩(wěn)固性等綜合舒適度來評判背負(fù)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。其中背部壓力、透氣性、摩擦與支持裝置密切相關(guān),后墜感、頭頸活動區(qū)、肩部受力分布與肩帶和肩部受力帶相關(guān),穩(wěn)固性與腰帶和腰部受力帶相關(guān),通風(fēng)與調(diào)節(jié)裝置能有效提升使用的舒適性和個體需求。因此構(gòu)成背負(fù)系統(tǒng)的“五帶三裝置”的設(shè)計能有效提高背負(fù)時的舒適性。

        (1)背負(fù)結(jié)構(gòu)“五帶”包括肩帶、肩部受力帶、腰帶、腰部受力帶以及包底受力帶。其中肩帶的作用是防止背包從身體上滑落以及兼顧部分背包承重;肩部受力帶的作用是連接包身與肩帶,可以拉近身體與背包的距離,將部分重量轉(zhuǎn)移到鎖骨上,保證背負(fù)的舒適性,輔助胸帶的主要作用是保持背包平衡穩(wěn)定性;腰帶是將背包重量分擔(dān)給臀部,是背負(fù)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一環(huán);腰部受力帶的作用是連接包身與腰帶,主要用來調(diào)節(jié)背包和身體的貼合度,增強穩(wěn)定性;包底受力帶增強背包的承重與穩(wěn)定性。

        (2)背負(fù)結(jié)構(gòu)“三裝置”包括支撐裝置、調(diào)節(jié)裝置以及通風(fēng)裝置。其中的支撐裝置即內(nèi)支架的作用是主要是保持負(fù)重的安穩(wěn),并幫助將背部重量轉(zhuǎn)移到肩部和臀部,由于內(nèi)支架位于背包內(nèi)部,不但更加美觀、還更不易損壞,如圖2所示。隨著戶外產(chǎn)品的深入開發(fā),內(nèi)支架的形式也越來越豐富,從最早期的兩根垂直向上彼此平行的扁鋁條,發(fā)展到現(xiàn)在的V形、倒U形、H形等,如圖3所示。此外,通風(fēng)裝置主要作用是解決背負(fù)系統(tǒng)背部設(shè)計中的通風(fēng)散熱問題。調(diào)節(jié)裝置的目的是簡便靈活的可調(diào)結(jié)構(gòu)滿足背負(fù)系統(tǒng)對不同需求的兼容性。

        2.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng):戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)是以戶外檢測、公路救援、通信防護(hù)等儀器的背負(fù)為使用場景,考慮到使用方式的相似性,在人體背負(fù)部分以“五帶三裝置”為基本構(gòu)成,確保背負(fù)的舒適性。在設(shè)備背負(fù)需求方面,增加相應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)。它包括設(shè)備底部支撐裝置、設(shè)備固定裝置、設(shè)備保護(hù)(包裹)裝置,兩者通過尼龍連接的方式進(jìn)行組合。

        (1)設(shè)備底部支撐裝置是以背架為基礎(chǔ),從背架底部向外延展,形成支撐面達(dá)到對背負(fù)物品的底部支撐。向外延展部分可設(shè)計為折疊、抽拉或固定形式,以適應(yīng)對收納體積需求和背負(fù)物品重量及固定性能要求的差異。折疊或抽拉式支撐可在不使用設(shè)備背負(fù)功能時,將延展架收納靠近背包背部支撐面,減小背負(fù)架的體積。

        (2)設(shè)備固定裝置的功能是將背負(fù)物品與背架固定。固定裝置包括兩個部分:支撐框架上側(cè)面延伸的固定繩與外包裹上設(shè)置的縱向固定繩。使用時,先將設(shè)備與背架水平放置,利用支撐框架上的側(cè)向固定繩捆綁固定,然后罩上包裹后,用外包裹上的縱向固定繩再次進(jìn)行固定。

        (3)設(shè)備保護(hù)裝置是整體背架外部裹覆層,一般有防水面料或具有一定厚度和防撞性能的面材組合。設(shè)備保護(hù)裝置與整體背架外部連接,設(shè)計為拉鏈全開結(jié)構(gòu),包裹住設(shè)備,達(dá)到有緩沖保護(hù)、防水等作用。

        此外,由于背負(fù)儀器的尺寸需略小于背負(fù)背架的尺寸,戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)可容納的設(shè)備尺寸約在400mmx250mmx500mm以內(nèi),這一尺寸可包括如鐵路檢修工具箱、電力應(yīng)急搶險組合工具等通訊、檢測、搶修等設(shè)備。

        (二)戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性

        可調(diào)節(jié)性是戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的重要組成部分。由于人體身高、體重、性別差異;背負(fù)物品重量、體積的差異;外部環(huán)境不同,而導(dǎo)致的衣服變化薄厚等多方面因素的變化要求,使戶外背負(fù)系統(tǒng)需要通過調(diào)節(jié)來對應(yīng)不同狀態(tài),調(diào)整背包到適當(dāng)位置。戶外便攜式背負(fù)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)主要包括支撐裝置和可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

        1.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)中支撐裝置設(shè)計分析:支撐裝置是戶外便攜式設(shè)備背負(fù)結(jié)構(gòu)的核心,主要形式為定型背板。背板的造型設(shè)計以人體背部的形狀為基礎(chǔ),主要依據(jù)由頸部、背部和腰部曲線構(gòu)成的“S”形線型,以及背部橫向曲度變化,由兩者構(gòu)成的曲面而設(shè)計如圖4。定型背板的設(shè)計還要注意在功能保證的前提下,盡可能地減輕背板質(zhì)量。

        2.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析:戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)主要包括:腰帶調(diào)節(jié)、肩帶調(diào)節(jié)、設(shè)備支撐裝置調(diào)節(jié)、設(shè)備固定裝置調(diào)節(jié)。

        (1)腰帶調(diào)節(jié)設(shè)計中的腰帶調(diào)節(jié)主要分為腰帶長度的調(diào)節(jié)和上下位置的調(diào)節(jié)。對于不同身高、體重、性別的人來說,其腰部受力點的位置和臀部的弧度都有所不同,設(shè)置腰帶長度、上下位置的調(diào)節(jié)可以使固定更加穩(wěn)妥,在此基礎(chǔ)上增加內(nèi)側(cè)傾角的調(diào)節(jié),能使得背包更加貼合腰臀部,有效地將重量分散在腰部,如圖5所示。

        (2)肩帶調(diào)節(jié)是調(diào)整背負(fù)物與身體貼合的重要手段。由于每個人的肩寬、肩厚不同,設(shè)置肩帶調(diào)節(jié)設(shè)計除了通過調(diào)節(jié)背帶的長度使背負(fù)物與身體更穩(wěn)固,還通過調(diào)節(jié)肩帶與背負(fù)板的距離,可以調(diào)節(jié)背板的角度,使背負(fù)物品重心向前,減少背負(fù)物的后墜感。此外,肩帶的胸前固定與調(diào)節(jié)帶—方面固定肩帶防止滑落,—方面根據(jù)人體胸部寬度課適當(dāng)調(diào)節(jié),如圖6所示。

        (3)設(shè)備固定裝置調(diào)節(jié)的主要目的是為了適用于不同大小的設(shè)備。由背架底部設(shè)置向外延伸的固定底架,背架側(cè)面設(shè)置具有可調(diào)節(jié)的彈性束緊帶,這樣就能根據(jù)設(shè)備大小進(jìn)行收縮或者拉伸調(diào)整,使設(shè)備能穩(wěn)定束縛在背架上。此外,外包的卡扣與收縮繩的調(diào)節(jié),也能根據(jù)設(shè)備尺寸大小,調(diào)整收縮繩和卡扣的位置,實現(xiàn)背負(fù)物的固定。圖7是背包背負(fù)設(shè)備時固定裝置示意圖。

        (三)戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計分析

        戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)需要在滿足功能要求的基礎(chǔ)上,盡可能減切質(zhì)量。這可以從結(jié)構(gòu)功能的設(shè)計與面料選擇等方面入手,背負(fù)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計是體現(xiàn)其針對性和專業(yè)性的一大因素。

        1.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)的輕量化分析:與旅行背包不同,戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)雖然也是以“五帶三裝置”設(shè)計為基礎(chǔ),但是由于背負(fù)系統(tǒng)的功能聚焦于特定的需求,設(shè)計中可以減去背包中繁瑣的存放物品需求,繼而有效減輕背負(fù)系統(tǒng)自身的重量。比如可以減去有復(fù)雜間隔的包袋、耳機線孔、掛飾扣等,只保留最基本的背負(fù)與固定功能,即背帶與固定裝置。這樣的功能精簡,將背負(fù)系統(tǒng)的部件減少到最少,達(dá)到減輕自重的目的。

        此外,輕量化的背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計還可以從簡化背負(fù)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件入手。在背板設(shè)計中放棄硬質(zhì)板塊作為主要支撐,而采用“x”形支撐架作為主體,“x”形支撐從結(jié)構(gòu)上符合背負(fù)時受力的節(jié)點,并且具有較好的穩(wěn)固性。同時在“x”形支撐架上包裹海綿泡沫墊,使其填充為凹凸鏤空,形成良好的通風(fēng)系統(tǒng)。在材料上的選用方面,“x”形支撐架采用鈦合金材質(zhì),既有良好穩(wěn)固性、又可減輕自重。

        2.材料的輕量化分析:戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的材料主要包括:支撐背板、泡沫軟墊、支撐與固定架、背負(fù)架的包裹面料、背帶、腰帶等。其中支撐背板可以選用鈦合金材質(zhì),泡沫軟墊采用EVA泡沫材料,支撐與固定架采用碳纖維材料,包裹面料與背帶腰帶面料采用高密度尼龍(CORDu RA、HT NYLON)面料,確保減輕整個背負(fù)系統(tǒng)的重量。

        二、戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        (一)背負(fù)系統(tǒng)的組成,如圖8所示

        1.“x”形延展支架:采用“x”形支架作為主體,兩側(cè)及下部穿出的側(cè)管形成副體,主體和下部的鈦管作為基底,保證背包穩(wěn)定性,側(cè)管承擔(dān)背包部分重量以及將整包重量合理傳遞到腰間,減輕肩部負(fù)擔(dān),如圖9所示。

        2.“米”字形透氣通道背墊設(shè)計:從輕量化的角度考慮,“x”形撐條外包裹海綿泡沫墊,在最靠近背部的外層中填充成具有凹凸鏤空的背面,以人體背部的橫向曲面為參考,形成“米”字形透氣通道軟背墊,確保與身體貼合,同時滿足頭部靈活轉(zhuǎn)動?!懊住弊中伪硥|不但能合理分配背部壓力,還可形成良好的通風(fēng)系統(tǒng),有助于行進(jìn)過程中的順利排熱,如圖10所示。

        3.設(shè)備支撐與固定設(shè)計:支撐結(jié)構(gòu)中,其主要作用的是“x”形主體和下部副體,采用一體化的承重支架,確保背負(fù)物的重力支撐。穩(wěn)固結(jié)構(gòu)采用側(cè)向彈性緊固帶進(jìn)行橫向固定,再由外包裹的縱向緊固帶進(jìn)行縱向固定,保證背負(fù)物的穩(wěn)固性,如圖11所示。

        4.調(diào)節(jié)設(shè)計:此外,肩帶寬度設(shè)為60mm;腰部約束設(shè)計采用半活動式的結(jié)構(gòu),既可以使腰部最大程度的接觸背負(fù)結(jié)構(gòu)還可以保護(hù)腰部;背帶由3D網(wǎng)紗和多層海綿組成,PE材料保證背負(fù)舒適性還可以提高承重量。

        (二)總結(jié)與展望

        從旅行背包延伸到設(shè)備類背負(fù),彌補了以往從設(shè)備背負(fù)的功能性設(shè)計出發(fā),導(dǎo)致的舒適性的不足,從結(jié)構(gòu)、可調(diào)性、輕量化的角度進(jìn)行分析,為設(shè)備類產(chǎn)品背負(fù)提出了新的思考途徑。

        不足之處在于缺乏多次試驗驗證,以及部分觀點的驗證方法來自于搜集的資料,缺乏對一手資料的掌握,尤其是關(guān)于人機方面的數(shù)據(jù)較為匱乏。部分設(shè)計點還處于概念階段,比如背板的形狀、大小、弧度等,這些還需要大量的人機實驗來作調(diào)整。

        在未來的研究中還可以就背包的人機取樣數(shù)據(jù),表面肌電實驗等實驗測試手段進(jìn)一步完善背負(fù)的舒適性以及背墊的形狀和弧度;此外,設(shè)備背負(fù)的功能衍生還可以作進(jìn)一步探究。

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