床垫用垂向变刚度空气弹簧静力学特性及其计算模型

摘要

床垫的支撑特性对于用户的卧姿脊柱形态以及"人-床垫"界面缓压效果有重要影响,可变刚度床垫理论上能够为用户提供个性化、可调节的支撑.然而,目前市场上现有床垫配置固定刚度弹簧层,并不能满足个性化及睡眠过程卧姿变换的支撑需求;此外,一些床垫使用可调刚度的气包作为铺垫层,但是现有研究结果表明,床垫铺垫层并不能改变床垫芯层硬度以及卧姿脊柱形态.为了研究床垫可变刚度的弹簧层,本研究设计并制作了一种基于热塑性聚氨酯涂层织物复合材料的垂向变刚度空气弹簧,通过准静态单轴压缩实验研究了其力学性能以及刚度与初始容积、初始内部压强以及材质密度的关系,最终通过多项式拟合建立了空气弹簧的力学计算模型.结果表明:随着空气弹簧压缩量增加,刚度与内部气压均非线性增加;空气弹簧刚度与初始容积之间存在非线性负相关关系,与初始内部压强及材质密度之间存在正相关关系.该空气弹簧及其工程控制计算模型使可变刚度床垫设计成为了可能,并提供了变刚度弹簧的基础理论依据.