劉家寶，劉巖，李玉蓮，莫曾甜，孟玲

集成式穩(wěn)定型汽車按摩座椅創(chuàng)新設(shè)計

劉家寶，劉巖，李玉蓮，莫曾甜，孟玲

（桂林航天工業(yè)學院 能源與建筑環(huán)境學院，廣西 桂林 541004）

針對傳統(tǒng)座椅固定方式單一，乘坐舒適度差，無法減輕暈車癥狀及頸椎壓力等弊病，創(chuàng)新設(shè)計了一種集成式穩(wěn)定型按摩座椅，該座椅包含頭部、肩部和腰部按摩功能，并利用萬向節(jié)、彈簧、配重塊等組件穩(wěn)定了座椅的運動形態(tài)，實現(xiàn)了對座椅與車輛之間的運動幅度和頻率的調(diào)節(jié)．該設(shè)計可減緩駕乘者暈車癥狀，并實現(xiàn)了在車輛上輕松閱讀與休息．

三維建模；穩(wěn)定型按摩座椅；創(chuàng)新設(shè)計

隨著智能化時代的到來，行為和生活方式的改變，頸椎疾病越發(fā)低齡化．據(jù)調(diào)查，中國有2億人患有腰疼頸椎病，緩解脊椎病的主要物理方法就是按摩[1]．近年來，機場、車站、電影院、商場等場所設(shè)置了很多按摩椅，通過微信掃碼就能在疲憊之時愜意地享受按摩[2]，使用頻率高，普適性強，但其造價高、占地也較大．而在交通工具中，現(xiàn)有按摩器較為笨重和高成本現(xiàn)狀不適合普及，特別是緩沖、穩(wěn)定與降低眩暈感等功能產(chǎn)品存在著市場空缺．

目前國外汽車應(yīng)用最廣的一種穩(wěn)定器是由緩沖器支架在緩沖器中部與控制桿上端固定連接，其中螺旋彈簧安裝在緩沖器上．穩(wěn)定器與控制桿下端相連，控制桿上端與緩沖器支架相連．當左、右車輪在轉(zhuǎn)彎承受震動或沖擊時，穩(wěn)定器、緩沖器和螺旋彈簧三者協(xié)調(diào)使車輛保持平衡，提高乘客的舒適度．穩(wěn)定器可緩沖和分散由路面狀況而作用于輪胎的沖擊載荷，從而提高操縱能力[3]．而國內(nèi)汽車座椅普遍由骨架、泡沫、面罩和塑料件構(gòu)成[4]，通過骨架和坐墊之間加入緩震器以及安全帶以實現(xiàn)緩沖，緩沖結(jié)構(gòu)和性能決定著駕乘人員的安全與舒適程度[5]．公共交通工具的穩(wěn)定方式更為簡陋，一般將傳統(tǒng)的座椅支腿和側(cè)掛板連成一體，座椅支腿一端由螺栓固定在側(cè)圍上，另一端固定在側(cè)圍和地板的連接板上，下部帶有調(diào)平螺栓，用于調(diào)整座椅的水平度，但穩(wěn)定效果差[6]；同時，座椅底部連接方式對汽車的行駛平順性、乘坐舒適性、安全性有很大影響[7]．在充分考慮以上情況結(jié)合人體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以緩解乘客疲勞和減震穩(wěn)定為目的，設(shè)計一款座椅，即以集成創(chuàng)新的形式解決“乘車眩暈”和“頸椎按摩”的問題，使乘客獲得良好的乘車體驗并緩解頸椎病患，具有重要現(xiàn)實意義．

1　穩(wěn)定型按摩座椅整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過集成創(chuàng)新方法設(shè)計一種高效的穩(wěn)定按摩裝置，將按摩與平衡穩(wěn)定技術(shù)結(jié)合于座椅中，即采用半球形底座的穩(wěn)定座椅融合頸部的按摩器，將按摩座椅與車體連接為一體，實現(xiàn)“按摩+穩(wěn)定”合二為一的功能性要求．

1.1 穩(wěn)定型按摩座椅的主要優(yōu)化結(jié)構(gòu)

座椅按摩機構(gòu)系統(tǒng)主要由頸部按摩組件、腰部按摩組件以及背部按摩組件3部分組成，裝置整體結(jié)構(gòu)及各部件示意圖見圖1．

圖1 穩(wěn)定型按摩座椅主要結(jié)構(gòu)

注：1 頸部按摩組件；101 安裝框；102 蝸桿；103 蝸輪；104 第一電機；2 腰部按摩組件；3 背部按摩組件；301 第一齒輪；302 第二電機；303 支撐軸；304 第二齒輪；4 按摩件；401 阻尼器；402 第一彈簧；403 支撐板；404 第一半球殼體；4041 凹槽；4042 球體；405 支撐桿；406 第二半球殼體；407 連接柱；408 潤滑頭；4081 推桿；4082 硅膠刮板；4083 油脂盒；4084 穿透孔；4085 連接塊；4086 第三半球殼體；409 第二彈簧．

1.2　穩(wěn)定型按摩座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為實現(xiàn)“按摩+穩(wěn)定”的設(shè)計，重點對頸部按摩組件、腰部按摩組件、背部按摩組件和按摩器底座4部分結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計．

1.2.1頸部按摩第一電機帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，使位于兩側(cè)的渦輪轉(zhuǎn)動，帶動按摩件轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)頸部按摩．

1.2.2腰部按摩第二電機通過第二齒輪轉(zhuǎn)動，使蝸桿正常工作，帶動兩側(cè)渦輪轉(zhuǎn)動，帶動按摩件轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)腰部按摩．

1.2.3背部按摩第二電機通過第一齒輪轉(zhuǎn)動，使蝸桿正常工作，帶動兩側(cè)渦輪轉(zhuǎn)動，帶動按摩件轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)背部按摩．

1.2.4按摩器底座按摩器底座安裝在車輛底部，由彈簧、配重塊和半球形底座組成．當車輛顛簸時，通過彈簧減小震動的幅度，配重塊平衡增重，調(diào)節(jié)回中速度，減少震蕩的頻率和幅度，以及潤滑頭的潤滑效果，實現(xiàn)行駛時保持座椅的穩(wěn)定，減少乘客眩暈感．

1.3　設(shè)計參數(shù)優(yōu)化與分析

經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，本裝置整體參數(shù)見表1．

表1　不同按摩座椅參數(shù)對比

經(jīng)過與市面不同按摩椅對比，本按摩椅在具備基本按摩性能的同時，兼顧穩(wěn)定平衡功能，具有重量輕、結(jié)構(gòu)尺寸小的特點，比較適合于受空間條件限制的交通工具，特別是公共交通工具使用和推廣．

2　數(shù)字化建模與受力分析

2.1 三維數(shù)字化建模

該裝置底部結(jié)合SPAR平臺平衡原理采用半球形底座設(shè)計[8]，并配合大摩阻硅膠彈性塊，上方采用彈簧作為主要支撐，支撐桿為整體的主要受力部件，其他受力部件均為原有車輛基本座椅部件．從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度僅底座部分有全新設(shè)計，故針對此處的核心零部件進行ANSYS受力分析．

為便于穩(wěn)定按摩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，利用Solidworks三維建模軟件對整個裝置進行設(shè)計，其中包括座椅、按摩器、底座3個部分．裝置建模設(shè)計時對模型進行了簡化（忽略了結(jié)構(gòu)和裝置連接上的一些細節(jié)）．模型結(jié)構(gòu)示意圖見圖2．

圖2　穩(wěn)定型按摩座椅模型

2.2 關(guān)鍵部件靜力分析

底座半球形平衡機構(gòu)的支撐桿為主要的受力部件，采用的材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235．利用ANSYS仿真分析軟件對其部件進行網(wǎng)格劃分后分析應(yīng)力及變形情況，通過具體數(shù)據(jù)分析，變形量和強度均滿足設(shè)計要求（見圖3）．通過分析可知，最大應(yīng)力為2.66e+10Pa，最大變形為0.19 mm，最大位移為0.06 mm．分析結(jié)果顯示，應(yīng)力與變形均能滿足設(shè)計要求．

圖3 穩(wěn)定型按摩座椅支撐桿受力分析

3 結(jié)語

目前，快節(jié)奏生活對交通工具的要求不僅限于代步，更關(guān)注座椅乘坐舒適度，特別是有暈車困擾的駕乘者，“穩(wěn)定+按摩”是解決該生活痛點的有效途徑[9-11]．基于現(xiàn)有座椅的局限性，特別是易暈車人士對道路顛簸的敏感性，開展創(chuàng)新方法研究，取得參考性成果．

（1）采用半球形底座的穩(wěn)定座椅與頸部的按摩部分結(jié)合，實現(xiàn)按摩座椅與車體聯(lián)接，通過減震與平衡的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)降低整個設(shè)備的重心．

（2）通過設(shè)計彈簧底座減小振幅，配重塊平衡增重調(diào)節(jié)，以最小勢能回中速度的方式，減少震蕩的頻率和幅度，結(jié)合凸緣潤滑頭的半潤滑阻尼效果，實現(xiàn)座椅自適應(yīng)穩(wěn)定．

（3）針對頸部不適問題，通過座椅頸椎部位安裝四球型按摩儀，輔助機械滾軸，滿足人們對頸部按摩放松的需求．

[1] 董超．中國疾病負擔報告：脊椎疾病是國人首要致殘疾病[N]．保健時報，2019-01-31（006）．

[2] 趙星云．穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)：韓國，CN1295936[P]．2001-05-23．

[3] 留影，羅雅文．共享按摩椅難“躺贏”[N]．玉林日報，2022-07-05（B03）．

[4] 李琤，王愛國，倪晉挺．裝有橫向穩(wěn)定器的車輛懸架系統(tǒng)Simulink振動分析[J]．噪聲與振動控制，2015，35（2）：61-64．

[5] 馬捷，喬冰．化工新材料在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用[J]．化學工業(yè)，2019，37（1）：21-29，49．

[6] 仇念堯．汽車座椅骨架系統(tǒng)功能公差研究[D]．長春：吉林大學，2022．

[7] 孫井晶，周炳海．汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)的改善[J]．機械制造，2009，47（11）：64-67．

[8] 謝建新，陳一凡，陳明達．汽車座椅腰部按摩儀的設(shè)計[J]．汽車實用技術(shù)，2018（24）：235-236．

[9] 李敏，曹樂，黃經(jīng)緯．基于Spar平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)量測的不確定度分析[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2022，41（11）：48-51，56．

[10] 王偉偉，程思思．基于服務(wù)設(shè)計理念的辦公用按摩椅設(shè)計[J]．工業(yè)設(shè)計，2022（10）：79-81．

[11] 董鋼，王莎，劉聰，等．智能按摩椅設(shè)計與實現(xiàn)[J]．電信快報，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

國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202211825029）；桂林航天工業(yè)學院產(chǎn)教融合課程改革項目（2019CJRH16）

劉家寶（2003-），男，山西太原人，在讀本科生．E-mail：2803977859@qq.com

劉巖（1977-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事設(shè)備優(yōu)化設(shè)計與故障診斷研究．E-mail：1300983279@qq.com