折叠式婴儿床结构设计与力学分析研究∗

杨昕妍 张仲凤

（中南林业科技大学，湖南省绿色家居工程技术研究中心，长沙 410004 )

折叠式结构是一种用时可以展开、不用时可以折叠收起的结构。婴儿车的设计对于安全性要求高。目前国内小户型住宅居多，折叠式婴儿车的使用十分普遍，大多采用金属和纤维布料组合设计，而有关木质折叠式婴儿床，特别是对红木婴儿床的设计与研究较少。本文以红木为材料，基于结构稳定理论和力学分析及CMF设计三要素，设计了一款婴儿床转换为婴儿车结构的红木产品，对婴儿床的连接部位进行了创新设计，确保其结构稳定的同时，美观、舒适，为折叠式红木婴儿床[1]的设计提供参考。

1 折叠式结构

1.1 折叠式结构概念及分类

折叠式结构为可展、可折叠结构[2]。从产品使用角度来说，折叠式结构可在有限的空间内，通过优化和改良结构使产品功能达到最大化。根据家具材料特性，折叠结构可分为刚性折叠结构和柔性折叠结构。柔性折叠结构主要以材料性能支撑，在此不予赘述。刚性折叠结构按照工艺和折叠方式可分为收启式、组合式、螺旋式和插接式；收启式和组合式在折叠结构中使用最多，收启式又分为平行式和轴心式两种，组合式分为重叠式、套式和卷式三种。本文的婴儿床设计将轴心式和平行式结合起来，展开为婴儿床，折叠后为婴儿车。

1.2 折叠式结构体系及其计算方法

折叠结构在设计之前应进行结构的拓扑分析[3]。拓扑分析又称位相几何学，主要研究空间在连续变化（如拉伸或弯曲，但不包括撕裂或粘合）下能够维持不变的性质。按照折叠结构的拓扑关系，大致可分为杆系折叠结构、索杆系折叠结构和板式折叠结构[4]。杆系折叠结构是指由刚性杆组成的折叠结构，其节点可以是铰接，也可以是刚接。而索杆系折叠结构由刚性杆和柔性索组成。板式折叠结构是折叠板与杆系结构或折叠板之间的相互连接的一种组合结构。本文力学分析分为两部分，即婴儿床展开时与婴儿床折叠后。婴儿床展开时结构为一个整体，采用计算自由度方法判断其约束是否足够以确定其稳定性。计算自由度W大于零，则该体系约束数量不足，不能限制所有运动方式，则体系为几何可变，反之则为几何不变体系；婴儿床折叠为婴儿车，结构设计会使用到杆系结构的计算方法。根据杆系结构的拓扑分析，运用Maxwell法则[5]。

b = 3j - k

式中， b为结构杆单元总数，个； j为节点总数，个； k为约束总数，个。

根据该法则推导出3 种几何稳定性算法。

1.2.1 整体法将杆系结构看成由铰接、刚接和链杆的约束组成：

T1= 3b - (3k1+ 2k2+ k3)

T2= m + k

式中，T1为杆系折叠结构计算自由度；T2为杆系折叠结构自由度；b为结构的钢片总数个；k1、k2、k3分别为铰结点、刚结点、链杆总数（个）；k为多余约束数,个。

1.2.2 简化法

把结构体系视作受链杆的约束组成，体系中复链杆先折合为单链杆，得：

T1= 2j - k3

1.2.3 混合法

T1= 3b + 2j - (3k1+ 2k2+ k3)

T1、T2是体系中各元素的函数关系，反映结构行为特性，得：

当T1＞0，则T2＞0，该体系为几何不变； k=0 时为静定结构， k＞0 时为超静定结构；

当T1=0，则T2=k,杆系折叠结构体系k=0 时为静定结构， k＞0 时为不静定结构；

当T1＜0，则k＞0,该体系有多余约束。

2 婴儿床设计要素

普通婴儿车一般针对0～3 岁婴幼儿设计，由于婴幼儿前三年生长变化快，这就要求婴儿车的设计功能满足不同成长阶段的需求[6]。这款婴儿床折叠后成为婴儿车，在婴儿哺乳期时可以躺着推动，能坐时可以坐着推动。其设计要素还包括颜色（Color)、材料(Material)、表面处理(Finishing)（即CMF）。下面从人机工程学及CMF设计两方面进行分析。

2.1 使用者人机工程学分析

2.1.1 婴幼儿心理及生理基本特征

0～3 个月的婴儿行动方式主要靠父母托抱，心理十分依赖父母；3～6 个月的婴儿会翻身、缓慢爬行，开始对周围环境产生好奇心；6～9 个月的婴儿会坐[7]，能简单表达喜怒情绪[8]；6～12 个月的婴儿可手扶站立；7～16 个月可以做拍手游戏，站立，缓慢行走；10～21 个月婴幼儿可以握笔、行走；17～30 个月婴幼儿会跳跃；2 岁的幼儿已经具备运动能力和简单思考能力。3 岁之后的幼儿通常较少使用婴儿车。婴儿从出生到5 周岁的人体尺寸如表1 所示。这款婴儿床采用5 岁幼儿身高数据，产品长度为110 cm，折叠后两边各55 cm。

表1 儿童人体尺寸Tab.1 Child body size /cm

2.1.2 父母心理及生理特征

婴幼儿父母对孩子使用的产品均有较高要求,同时他们也是婴儿床（车）的直接使用者，设计师在设计时需考虑其身高尺寸。表2 为GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》中部分立姿数据，根据该标准列出的47 项我国成年人人体尺寸数据，确定产品的总高度为1 680 mm，手功能高度为728 mm，所取数值与成人男女的平均身高值与手功能高相当。

采用调查问卷法，在卖场对40 位预购买婴儿车顾客进行问卷调查，结果显示，顾客对于婴儿车的功能、安全性[9]、质量关注度比较高，占比分别为20%、19%、17%，对细节设计的关注度占11%，材质、色彩各占7%，如图1 所示。在折叠式婴儿床设计中对于上述顾客的需求偏好给予了充分考虑。

表2 立姿人体主要尺寸Tab.2 Main body size of standing posture /mm

图1 问卷调研结果 Fig.1 Questionnaire survey results

2.2 婴儿床的CMF设计

设计师在设计时，除了考虑使用者心理、生理特点，应注重产品的颜色(Color)、材质(Material)、表面处理(Finishing)三要素[10]。

2.2.1 颜色

乳儿阶段是婴儿的感知觉和认知能力发展形成时期[11]。虽有研究表明，3 岁的孩童才能辨别橙、绿、红等颜色，但在3 岁之前，带有颜色的造型可潜移默化地影响婴儿[12]。年龄越小的婴儿越喜欢鲜艳明亮的色彩[13]，因此在儿童用品设计中，颜色的搭配会更鲜艳，产品造型会更活泼。

在实木家具设计中，基本色由木材特性所决定。要达到符合各年龄段孩子使用的产品造型标准，需额外增加一些软装设计，使产品颜色更加丰富。多数宝宝比较喜欢红色；绿色给人以健康、清新、环保、生机勃勃之感；黄色明度高，在儿童产品设计中一般和蓝色、橘色搭配较多； 粉色和蓝色在婴儿用品中使用广泛，在中国，粉色代表女性，蓝色代表男性，因此家长通常也会用这两种颜色来区分宝宝的性别。其他颜色比如米色、黑色、紫色等一般都会作为辅助色进行搭配[14]。本文婴儿床的主色是红木色，软装设计部分可选用浅黄色、米色等浅色搭配。

2.2.2 材料

婴幼儿皮肤细嫩，婴儿床用料需讲究，实木材质及天然木油的选择相对环保。无异味、少刺激、对婴幼儿健康无害的环保材质[15]更受家长信赖。

这款婴儿床完全采用红酸枝木类。红酸枝木密度高，鬃眼细小且密，防腐防蛀，不易开裂，硬度高，抗变形，并伴有酸香气味，有助于凝神养心。木材本身含树胶和沉淀物，表面有光泽，使用过程中会随时间延长而形成包浆，触摸手感温润如玉。收藏价值很高，用红木制作的婴儿床（车）可以作为传家宝收藏。

2.2.3 表面处理

红木表面处理工艺一般分为打蜡、生漆、白茬（白胚）[16]三种。打蜡又称“包浆”，在表面形成一层保护膜，由于不断受空气氧化、人手抚摸等因素，木材表面会变得越来越光滑，具有防腐蚀、防酸防潮、耐高温的特点；儿童在磨牙期时，红木表面处理后细胞封死，不会对身体造成伤害[17]。

婴儿床主要由杆状材料和板材组成，板材运用传统拼接方式，无缝隙，有启口。杆状材料分两类，较直的杆材用直木直接进行打磨，较弯的杆材使用攒接的手法。木材经过常规干燥后，表面采用上蜡工艺。表面处理质量是确保产品安全使用的重要因素。

3 婴儿床结构设计与力学分析

3.1 婴儿床结构设计

折叠式婴儿床结构设计的两个关键点：1）床板为婴儿床的刚体结构，刚体上两个运动方向的垂线交点即为刚体转动中心，运用轴心旋转方法实现婴儿床到婴儿车的功能转换，如图2a所示；2）图2b中连杆1 靠近端头处有一凹陷滑坡槽，连杆2 圆形榫头滑入其中即可固定。反之，将连杆1 水平向外轻拔，连杆2 榫头滑出，婴儿车即展开恢复成婴儿床。图2c、d为婴儿床展开与折叠后形成婴儿车的效果图，图2d中可见婴儿落坐的白色软凳。

图2 折叠式红木婴儿床设计效果图Fig.2 Design effect of mahogany crib

3.2 力学分析

婴儿床展开时力学分析[18]，如图3 所示。

图3 婴儿床力学分析图Fig.3 Mechanical analysis of the crib

在平面体系内，假设每个约束都使体系减少一个自由度，则根据自由度计算公式：

W = 3m - (2h + r )

式中， m为钢片数，个； h为单铰数，个； r为支座链杆数，个。

得： W = 3×2- (2×1+5)

∵W＜0

∴该体系为几何不变体系

图4 婴儿床折叠为车力学分析图Fig.4 Mechanical analysis of crib folding for stroller

婴儿床折叠后力学分析：

已知：A、B、C 三点不在同一直线上，钢片Ⅰ、钢片Ⅱ有6 个自由度，相互垂直，且C点为连接两钢片的铰。解：形成几何不变体系[19]中的两钢片规则，必要条件是体系必须有一个铰和一个链杆，形成两钢片规则的充分条件是这个连杆不能通过该铰，由已知可知，符合两钢片规则。

∵ 链杆Ⅲ、链杆Ⅳ相互连结，形成一根链杆，与两根支座链杆E、F形成不全平行也不全交于一点的结构

∴该体系为几何不变体系

3.3 李克特量表法评价

采用李克特五点量表法[20]对该婴儿床设计进行评价。由5 名产品设计专业人员进行打分，分别用分值1、2、3、4、5 为量化标准，评价指标为安全性、舒适性、灵活性、美观性、持久性。由表3 可知，安全性、持久性在五个评价要素中占比最高。

表3 李克特量表评分表Tab.3 Likert scale score sheet

4 结论

婴幼儿使用的产品要求不同于普通产品，无论是选用材料还是内外部的结构设计等均需充分考虑这一群体的特殊性，应特别注重其安全性。本研究将力学分析融于婴儿床设计，通过结构的创新设计，解决了红木婴儿床功能转换的设计问题。经力学分析验证，红木婴儿床功能及结构稳定，适合婴幼儿使用；运用李克特五点量表法分析表明，这款产品安全性和持久性在五个评价要素中占比较高，符合预期。红木婴儿床可折叠作为婴儿车，后期还可作为其他承载类家具使用，本研究既解决了红木婴儿床的功能转换问题，又充分延长了红木的使用周期，对于今后儿童家具的设计具有一定的借鉴意义。