垫层及充气压对空气弹簧床垫硬度的影响

杨丹仁，申黎明*，晁垚，赵欢

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037;2.浙江梦神家居股份有限公司，宁波 315000)

床垫与人们的睡眠密切相关，人体与床垫之间的力学交互行为是影响睡眠舒适度和质量的重要物理因素之一[1-2]，当人们躺在床上时，床垫的软硬度直接影响他们的主观感受[3-4]。与传统弹簧床垫不同，空气弹簧床垫作为一款新型的床垫设计，考虑到空气弹簧自身软硬度能够通过充气压进行调节的因素，对其所构成的床垫进行构造研究是相当重要的。

床垫硬度显著影响消费者对床垫的选择。床垫的主要构成部分在于铺垫层和支撑层，铺垫层材料的改变会影响床垫硬度以及舒适性[5-7]。在对普通弹簧床垫的研究中表明，铺垫层材料(材料的种类、厚度、密度)对床垫综合刚度影响较大[8]。床垫表层硬度的变化与铺垫层材料相关性较大。Lee等[9]通过评估床垫表层的厚度和硬度对生理反应的影响，对表层厚度和硬度的组合提出建议；李莉等[10]评估了床垫表层海绵的5种厚度水平(10～50 mm)在身体压力和主观舒适度方面的差异，表明其厚度对睡眠舒适性有显著影响，40 mm最合适，但其主要从人体舒适度角度进行分析，并未从力学角度对其进行范围方面的分析；防压疮的研究中表明不同硬度和形状的床垫构造会影响皮肤和软组织的压缩和位移[11-12]。因此，为提高空气弹簧床垫的舒适性，应参考铺垫层材料对床垫表层以及床垫整体硬度的影响进行床垫设计。

床垫的支撑性主要由支撑层提供。Xie等[13]设计了一款具有蜂窝结构的可变刚度床垫，以保持人体均匀的支撑；Zhang等[3]通过对一个包含10×18气囊和控制单元的智能床垫的设计研究，证明气囊智能床垫对于改善睡眠质量的可行性。近两年，市面上也涌现出不少智能床垫，其中主要为以气囊形式和以可调节的三折床架的方式进行生产使用。智能气囊床垫主要采用长条状、块状的方形气囊结构进行横向的大范围调节。本研究采用课题组设计的新型变刚度空气弹簧[14]，仿照传统弹簧的结构进行设计和研究，由TPU涂层织物复合材料所制成的3层曲囊气室堆叠构成，充气展开后进行使用。基于空气弹簧软硬度可变这一特性以及其后续应用的目的，对空气弹簧应用至床垫后的软硬度可调节床垫构造进行研究，通过床垫分层硬度以及综合刚度的测试，对比分析不同铺垫层材料以及充气压情况对于床垫软硬度的影响，从而为空气弹簧床垫构造设计和材料选择提出建议。

1 材料与方法

1.1 床垫材料

选取3种厚度的普通海绵、记忆棉以及乳胶海绵作为床垫的铺垫层材料，搭配空气弹簧层，配置实验所用的40 cm×40 cm的床垫小样。其中，空气弹簧层由空气弹簧与底部作为支撑固定的珍珠棉共同组成，铺垫层则由单一铺垫层材料或2种材料组合搭配构成。所用材料的参数信息见表1，其剖面图如图1所示。

表1 床垫材料的基本参数Table 1 Basic parameters of mattress materials

图1 实验实况图及床垫小样基本结构Fig.1 Actual picture of experiment and basic structure of mattress sample

1.2 试验方法设计

1.2.1 铺垫层材料变化的空气弹簧床垫软硬度测试

本实验采用床垫小样进行多种组合搭配的床垫软硬度测试。依据ISO 2439：2008(E)“Flexible cellular polymeric materials-Determination of hardness (indentation technique)”，采用CTBA测试法进行床垫分层硬度的测试，使用万能力学试验机(AGS-X20KN型)对床垫小样进行压缩。压头直径100 mm，压力范围0～250 N，加载速度100 mm/min。在恒定空气弹簧充气压下，更换不同种类、不同密度、不同厚度的铺垫层材料依次进行空气弹簧床垫软硬度测试，床垫铺垫层材料厚度有10，30，50 mm 3种厚度，可由10，20，30 mm的材料组合叠加获得。

床垫硬度通过Dsur、Dcor、Dbot3个值分别表征床垫表层、芯层和底层的硬度，单位mm，其值越小表示床垫越硬，反之表示床垫越软。计算公式[15]如下：

Dsur=Df40N-Df4N

(1)

Dcor=Df200N-Df40N

(2)

Dbot=Df250N-Df200N

(3)

式中：Dsur、Dcor、Dbot分别表示加载曲线上对应的40,200,250 N处的位移。

床垫综合刚度K值计算公式[8]为：

(4)

式中：K为综合刚度，N/mm;载荷F110N为定值110 N;S为加载曲线与坐标横轴(位移)围合面积，N·mm。K越大，表明床垫综合刚度越大，床垫越硬；K越小，则表明床垫综合刚度越小，床垫越软。

1.2.2 充气压变化的空气弹簧床垫软硬度测试

本实验采用床垫小样进行空气弹簧充气压变化的床垫软硬度测试，在铺垫层材料固定的情况下，通过气泵对空气弹簧进行不同气压值的充气，气压分别为9，15，21 kPa。通过实验得到床垫分层硬度、综合刚度等数据进行实验分析。

2 结果与分析

2.1 垫层材料变化对空气弹簧床垫软硬度的影响

铺垫层材料与空气弹簧床垫各层硬度关系如图2所示，在床垫各层硬度中，垫层厚度对表层的硬度有明显的影响，对芯层其次，对底层的影响较小，且垫层越厚，床垫芯层、底层受其影响越大。

注：y轴厚度-材料标注为厚度、材料种类和密度。如50-28海绵，其表示50 mm厚的垫层、28 kg/m3的海绵。y轴中ABC分别代表3种不同的铺垫层材料，A为普通海绵，B为记忆棉，C为乳胶海绵。图2 铺垫层材料与空气弹簧床垫各层硬度关系Fig.2 Hardness relationship between cushion material and each layer of air spring mattress

部分不同铺垫层材料的床垫分层硬度随气压值变化的关系如图3所示。通过不同材料种类的对比，可知表层变化趋势与铺垫层材料的自身软硬度相一致。这与传统床垫中铺垫层材料的变化趋势相同。从图2和图3a可知，记忆棉、乳胶海绵以及较低密度的普绵表层较为柔软，记忆棉受压后的形变程度大，其表层硬度变化差异最为显著；乳胶海绵和密度28 kg/m3的普绵在厚度变化时表层硬度变化范围小，整体的抗变形能力好。图3b中，同一厚度时芯层硬度与材料自身的软硬度和变形程度成正比，铺垫层材料为记忆棉时，3种厚度情况下的芯层变形量较大，芯层偏软；而铺垫层材料为乳胶海绵和28 kg/m3海绵时，芯层较硬，能够具有更好的承托性。

实验床垫小样仅由铺垫层和空气弹簧层构成，在加载力传到底层时，床垫主要由空气弹簧层起到关键的支撑作用，即底层硬度值要适当小，空气弹簧能够更好地支撑。从图3c可知，3种厚度中，由30 mm的铺垫层材料所组成的空气弹簧床垫底层硬度值最小，能提供较好的承托，10 mm次之。

图3 床垫分层硬度与气压值变化的关系Fig.3 Relationship between mattress delamination hardness and air pressure

2.2 气压对软硬度的影响

在9～15 kPa区间床垫分层硬度的变化跨度大于15～21 kPa区间，这可能与不同充气压下空气弹簧自身形变情况不同有关(图3)。综合床垫各层的硬度变化情况，在气压值变化时，表层硬度、芯层硬度值随气压的升高而减小，逐渐变硬；底层由于受到垫层和芯层的综合影响，变化较为多样。其中，由于空气弹簧需要底部材料进行支撑固定，实验中采用的3 mm珍珠棉材料在加载受压过程中也会关联性地产生形变。

床芯的特性是决定床垫整体形变以及支撑的重要原因，随着空气弹簧压缩量增加，刚度与内部气压均非线性增加[14]。不同铺垫层材料床垫综合刚度的变化情况见图4、5。床垫硬度与气压值正相关，随气压的增大，床垫整体的硬度增大。这表明空气弹簧的刚度随充气量增大能够有效地发生变化。但其中，同种铺垫层材料时，综合刚度随气压变化的跨度范围有所局限；且随垫层厚度的增加，综合刚度变化的范围逐渐变小。例如3种厚度情况下铺垫层材料为乳胶海绵的床垫刚度在9～21 kPa气压下的变化范围分别为2.14～3.11、2.10～2.77、2.12～2.27 N/mm。可见，空气弹簧气压的变化对床垫整体的影响程度较小，空气弹簧自身性能需要进行改善，对其形变以及软硬度调节范围需要进行优化扩大，从而提高床垫软硬度变化的显著性。此外，在9～15 kPa变化区间，空气弹簧床垫整体的刚度变化范围较15～21 kPa时明显，这与床垫分层硬度的变化趋势相一致。

图4 单种材料床垫综合刚度与气压值的关系Fig.4 Relationship between comprehensive stiffness and air pressure of single material mattress

图5 组合材料床垫综合刚度与气压值的关系Fig.5 Relationship between the comprehensive stiffness and air pressure of the mattress made of composite materials

2.3 垫层材料与气压值对床垫软硬度的综合影响

2.3.1 铺垫层材料种类、厚度与气压值之间的交互作用

床垫铺垫层和支撑层组合在一起，共同决定床垫的力学行为模式和支撑特性[15]。由表2可知，在铺垫层材料种类、厚度以及气压值3种因素中，材料厚度与气压值的交互作用对空气弹簧床垫综合刚度产生显著影响(P<0.05)，材料种类与气压值之间的交互作用对床垫综合刚度无显著影响(P>0.05)。

表2 主体间效应检验结果Table 2 Results of inter subject effect test

垫层较薄时，表层偏硬，芯层硬度大，综合刚度随气压值变化范围大；床垫硬度主要受空气弹簧层变化的影响，床垫软硬度与气压值正相关。垫层较厚时，床垫整体偏软，芯层硬度小，随气压值的增大，床垫硬度变化不明显；铺垫层材料的厚度和软硬度在一定程度上影响空气弹簧层受压的程度，从而影响空气弹簧对床垫的承托及反馈，这一现象不利于空气弹垫床垫软硬度可变这一特性的呈现和体验。

由图3c可知，空气弹簧床垫底层硬度变化存在多样性，根据变化以及力学性能分析，猜测其中空气弹簧底部支撑材料的变化特性对床垫软硬度存在影响。本研究对此进行一定的补充实验，根据图6和表3的结果呈现，铺垫层材料的厚度越厚，底层硬度值越大，床垫底层以及床垫整体越软。随气压值的增大，床垫底层硬度和床垫整体越硬。这也能够反映出铺垫层材料与气压值对床垫整体纵向上的影响深度。同时，底部支撑材料的厚度和软硬度对底层硬度变化存在影响。由图6可知，底部支撑材料变化时，综合刚度的变化范围较小，整体主要受气压值影响。而床垫底层硬度的变化则较为明显，差异性大。这表明底部支撑材料主要影响床垫底层硬度，对整体刚度影响较小。50 mm垫层时，底层支撑材料对空气弹簧床垫底层硬度影响较30 mm厚度时小，这反映出同等压力下床垫纵向形变与垫层厚度以及气压值之间的关系。此外，底部支撑材料对床垫底层硬度的影响也表明在进行床垫构造设计以及考虑床垫承托性时，需要对空气弹簧的底部支撑材料进行一定的考量。

图6 空气弹簧底部支撑材料变化与床垫硬度的关系Fig.6 Relationship between the change of air spring bottom support material and mattress hardness

表3 底部支撑材料变化的床垫小样信息对应表Table 3 Mat sample information corresponding to changes in bottom support materials

2.3.2 铺垫层材料组合搭配对床垫软硬度的影响

30 mm垫层厚度时，多种垫层组合搭配的床垫综合刚度情况如图5所示。两种铺垫层材料的组合搭配时，9～15 kPa与15～21 kPa区间的变化差异有所减小，床垫整体硬度变化较为均匀；同时，床垫综合刚度的变化范围随气压变化的差异较单种铺垫层材料有所减小。

可见，不同材料的组合搭配会中和同种材料对床垫的影响，凸显优点，从而缩小一定的差异性，整体性能上优于单种材料。此外，实验发现，在垫层的组合中仅改变相对较薄层的铺垫层材料(即30 mm时改变10 mm的材料，50 mm时改变20 mm的材料)，床垫分层硬度以及整体综合刚度的差异性不明显；即便在50 mm的搭配中，20 mm厚的材料主要影响也在于表层，整体主要受30 mm该层材料的形变和软硬度影响。

3 结 论

1)铺垫层材料主要影响床垫的表层、芯层硬度。相同厚度和气压下，垫层变化对综合刚度变化影响较小。气压值的变化主要影响芯层、底层硬度以及综合刚度。

2)垫层种类、厚度以及气压值三者的变化均对空气弹簧床垫软硬度有影响。其中，垫层厚度与气压值的交互作用对床垫软硬度存在显著影响，铺垫层材料种类的变化对其影响较前二者相对较小。此外，空气弹簧自身软硬度调节范围局限，需要进行优化。

3)铺垫层材料的组合搭配会中和单种材料对床垫各层的影响，凸显综合的优点，不同气压下床垫软硬度的变化更为均匀；且相对较厚层的材料更具有决定性，由此更有支撑性的材料应适当厚些，从而提高整体的支撑性能。

4)在垫层厚度的选择上，30 mm厚的垫层较为合适，此时的空气弹簧层能够更好地提供支撑作用。铺垫层材料选择上，单种材料中，乳胶海绵、28 kg/m3海绵较为合适；组合搭配时，可以选择两种软硬程度有较大差异的方式进行组合搭配，例如28 kg/m3海绵与80 kg/m3乳胶海绵或28 kg/m3海绵与50 kg/m3记忆棉的组合。

5)合理的床垫设计要在达到科学符合自身性能要求的基础上，合理承托全身各部位的重量，保证正常的卧姿以及舒适性。本研究主要针对空气弹簧床垫软硬度方面进行实验分析，但床垫的构造形式除影响软硬度外，还会影响床垫的弹性以及床垫的舒适性。床垫软硬度作为床垫的基础指标和基本要求，对于空气弹簧床垫软硬度的研究有助于空气弹簧床垫的垫层厚度和材料的选择，对于空气弹簧自身性能进行判断并提出优化方向，也为后续深入对力学性能以及舒适性的分析提供方向和基础，从而利于综合考量床垫构造形式对于整体的影响，为空气弹簧床垫的开发以及生产制造提供建议。