弹簧床垫的分区化设计研究

侯建军　毛轶超

中图分类号：TS941.75 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）09-0153-02

近年来，在床垫种类层出不穷的背景下，弹簧床垫以其成熟的制造技术、良好的软硬度、抗冲击性及舒适的卧感等优异性能一直占据着床垫市场的较大份额。目前对于弹簧床垫的研发多集中在结构设计上，分区化设计是弹簧床垫技术的新兴方向，引起人们的广泛关注。H.J.KINK（1970）通过对弹簧床垫与棕床垫对比研究发现，弹簧床垫和棕床垫相比，会使受试者的浅睡眠和清醒周期变短，睡眠舒适性较高;Buckle 等人（1998）研究六种床垫对睡眠的影响并发现，弹簧床垫在六种床垫中舒适性较高;Park等（2006）通过脊柱形状、体压分布、主观评价等方法研究床垫的舒适性，结果发现优化床垫结构是人体获得自然脊椎形状和科学合理界面体压分布的物质基础。通过以上研究发现，国内外弹簧床垫研究主要集中在床垫材料、床垫支撑特性以及对睡眠质量的影响，而对于床垫结构尤其是分区弹簧床垫的研究较少。

1 弹簧床垫的基本结构

目前市场上弹簧床垫具有弹性好、承托性较佳、透气性较强、耐用等优点。就结构而言，弹簧床垫大致可分为连结式、袋装独立筒、线状直立式、线状整体式及袋装线状整体式弹簧等。但是不管内部结构如何变化，弹簧床垫基本可划分为三层结构，分别是：面料复合层、填充物及垫层、弹簧床芯层，如图1所示。

1.1 面料复合层

面料复合层又称绗缝层，是包裹在弹簧床垫外部的织物，也是距离人体最近的结构层，一般是将面料、海绵等铺垫料绗缝在一起的结构层。该结构主要起到床垫的装饰、保护作用，同时可分散承受身体的重量。

1.2 填充物及垫层

填充物及垫层主要是面料复合层及弹簧芯层之间的结构层，功能是填补身体曲线的空隙，让人体卧姿更为舒适。其主要由一层耐磨纤维层和平衡层组成，常用的耐磨层有棕纤维垫、化纤（棉）毡、椰丝垫等各种毡垫，而平衡层有泡沫塑料、塑料网隔离层、海绵和麻毡（ 布） 等。

1.3 弹簧床芯层

弹簧床芯层是弹簧床垫的核心部件，是由众多钢丝弹簧组成的弹性综合体，主要功能是承受身体的重力，给予身体适度的支撑，并能在受到冲击时起缓冲作用。根据弹簧结构和连接方式的不同，弹簧床芯分为普通独立弹簧、连锁弹簧、开放式弹簧、布袋桶装弹簧、双层复合弹簧、分区弹簧等数种。分区弹簧是目前市场比较流行的弹簧床芯，是按弹簧不同的弹性合理分区，每个区域的弹性依据身体各个部位重量进行计算，使人体不同重量的各个部位都能得到最科学的呵护。

2 弹簧床垫的分区概述

2.1 弹簧床垫的分区概念

分区弹簧床垫是目前市场上非常热门的床垫结构，其主要是从人机工程学角度把床垫划分为不同的区域，根据人卧姿时身体各部位特性选择合理的弹簧弹性，从而缓解身体的局部受压，使身体各个部位都能得到有力支撑而获得健康舒适的睡眠。目前随着分区床垫研究的不断深入，分区弹簧床垫在结构上也越分越细，从三分区、五分区到七分区，甚至九分区床垫也进入了市场。

2.2 弹簧床垫的分区方式

分域设计是指床垫分区时考虑的人体部位及尺寸的劃分原则。经研究，三分区床垫对应人体的头肩背部、腰臀部、腿部三个区域;五分区床垫对应人体的头部、肩背部、腰部、臀部、腿部五个区域;七分区床垫对应人体的头部、肩部、背部、腰部、臀部、腿部、脚部七个区域，而九分区床垫把人体划分为头部、颈部、肩部、肋部、腰部、椎尾部、臀部、腿部和脚部九个区域，如图2 所示。

2.3 不同分区方式的特点分析

三分区床垫把腰部、臀部划分为一个区域，但由于腰部、臀部具有不同的生理曲线，而且对整体舒适性影响较高，使用相同弹性的弹簧并不合理。七分区弹簧床垫划分较细，成本也会相应增加，因此这样的划分并不必要，肩部尺寸较小，且与背部共同对应脊椎的胸椎位置，两部分分区可以合二为一。脚部尺寸也很小，且对睡眠舒适性的影响不大，可以与腿部区域合二为一。九分区床垫又增加了颈部和椎尾部，由于人体的不同高度，如此细的划分标准不能保证所有使用人群都能舒适的支撑每个部位。

相比之下，五分区床垫是对三分区床垫的细化，又避免了七分区和九分区床垫划分过细，导致不能满足所有人群舒适支撑的问题，同时又控制了床垫的成本，使用较为广泛。

3 弹簧床垫的分区化设计思路

根据以上的理论研究，针对五分区弹簧床垫探讨设计的思路，以期提高使用者的睡眠舒适性。

3.1 分区方式和尺寸设计

依照我国中国成年人体尺寸标准（GB10000-88），以及市场上常用的五分区划分方式，分为头部、肩背部、腰部、臀部及腿部。分域尺寸具体为：头部350～400mm、肩背部250～300mm、腰部200～250mm、臀部350～400mm和腿部700～750mm，如表1所示。

3.2 袋装弹簧的排数及型号选择

在材料方面选用独立的袋装弹簧，因其各个弹簧以纤维袋、无纺布袋或棉袋独立装配，并以粘胶互相粘合，个体独立支撑并单独伸缩，比较适合弹簧床垫的分区。市场上分别从弹簧钢线、弹簧芯径和弹簧口径来进行划分，比较常用的独立袋装弹簧有：（2.2655）（2.2656）（2.0655）（2.0656）（1.8655）（1.8656），其中数据分别代表线径mm、半径mm和圈数。

依据医学测量数据：人体平躺时身体各部位重量分布为臀部40%、背部15%、头部10%、脚部10%、腰部25%。其中臀部最重，因此弹簧弹性需最大且最软，腰部和腿部其次，而头部和脚部需采用较硬的材质，这样才能使人体重量在床垫上均匀分布。

以上五种弹簧中，最软的弹簧为（1.8655）或（1.8656），压力最小，而臀部是身体最重的部位，宜采用弹性最大且最软的弹簧;而腰部是较臀部之后次重的部位，适宜选用较软的弹簧（2.0655）（2.0656）;肩背部要与腰部和头部相配合，且要有一定的支撑性，易采用偏硬的弹簧（2.2656）（2.0655）;腿部和头部受力较小，且头部有枕头支撑，宜选择较硬的（2.2655）弹簧，如表1、图3所示。

3.3 弹簧床垫分区化结构设计

该分区弹簧床垫为上下两面，中间袋装弹簧结构，其中一面由复合面料层和铺垫层组成，相对较软，适合喜欢偏软床垫的人群或者秋冬季节使用;另外一面只有复合面料层，相对偏硬，适合喜欢偏硬的床垫，如老人和小孩，或者夏天使用。

其中上复合面料层由全棉提花面料、45mm 厚晴纶棉、丙纶热压无纺布组成。铺垫层由20kg/m? 普通海绵和25kg/m? 普通海绵组成。下复合面料层由25kg/m? 普通海绵、丙纶热压无纺布、45mm厚晴纶棉和全棉提花面料组成，如图4 所示。

4 结语

分区床垫是一个新兴理念，我国对于分区弹簧床垫的设计和研究仍处于初级阶段，仍需要从人机工程学角度进行大量的实验研究，比如分区床垫究竟应该如何分区、各个分区中弹簧应如何选择，以及如何针对不同性别、身高、体型、年龄人群如何进行个性化分区床垫设计等。以期通过此次的研究，设计出更符合人体睡眠的床垫结构。