CN103431682A - 一种预应力床垫及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人类生活用品领域，具体涉及一种预应力床垫及其设计方法，预应力床垫包括弹性层，还包括对所述弹性层进行预压缩，使所述弹性层获得预应力的预应力构件。当人体对预应力床垫的压强小于f₀时，预应力床垫不会产生变形，当人体对预应力床垫的压强大于f₀时，预应力床垫才产生变形，并且大于f₀的那一部分压强与刚度系数K_b成线性关系，设计出的预应力床垫具有双参数，丰富了床垫的类型，使床垫性能更加多样，更加适应人们各种不同需求。

Description

一种预应力床垫及其设计方法

本发明要求申请号为201210436469.0、申请日期为2012年11月05日、名称为“弹簧床垫的弹性支承组件及弹簧床垫”和申请号为201210498808.8、申请日期为2012年11月29日、名称为“一种弹簧床垫”这两个中国专利申请的国内优先权。

技术领域

本发明涉及一种人类生活用品领域，具体涉及一种预应力床垫及其设计方法。

背景技术

人的一生大约有三分之一的时间是在床上度过的，床是人类生活中非常重要的必需品。现有技术中具有弹性的床垫主要种类有以下几种，弹簧床垫、乳胶弹性床垫、海绵弹性床垫和3D纤维弹性床垫，床垫中的弹性层被压缩变形以提供对人体的支托力，在床垫的设计领域，人们只能通过调整弹性层的刚度系数来控制床垫的软硬，手段单一，如图1所示，弹性层的变形量与压强呈线性关系，只要有压强就会有变形，而且床垫的软硬程度是固定的，太软的床垫使身体下陷，太硬的床垫使身体受力过于集中，即使选择了软硬合适的床垫，也会因为睡姿不同，导致床垫对人支托情况差异较大。

人类身体曲线及重力分布情况决定了四肢对床垫的压强较小，躯干对床垫的压强一般，头部和臀部对床垫的压强急剧增大，所以更优的床垫应该是当压强较小或一般时，床垫变形很小甚至不变形，以获得强支托力、床垫较硬的效果，当压强增大至一定程度时，床垫应快速地增大变形，以获得较大的支托面积，从而分散压力，减小压强，获得柔软的感觉，现有的床垫无法达到上述效果，现有的设计方法也无法设计出上述的床垫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以实现更优支托效果的预应力床垫的设计方法及预应力床垫。

本发明是这样实现的：一种预应力床垫的设计方法，所述预应力床垫包括弹性层，为了调整弹性层的支托力f和变形量s，包括以下步骤：

首先让使用者平躺在不同硬度的床垫上，了解使用者最喜欢的床垫硬度和能接受的最软床垫；

测量使用者躺在最喜欢硬度床垫上床垫的压强f₁和床垫的变形S₁，测量使用者躺在能接受的最软床垫上床垫的压强f₂；

设定弹性层的预应力值f₀＝f₂，并按下式确定所述弹性层的刚度系数K_b：

K_b＝(f₁-f₀)/S₁；

通过对所述弹性层进行预压缩以获得所设定的预应力值f₀，所述弹性层的预压缩量S₀按下式确定：

S₀＝f₀/K_b。

其中，所述弹性层为弹簧弹性层，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧，首先确定所述支承弹簧的刚度系数为K，支承弹簧外端面外圆面积为a，然后通过以下公式计算支承弹簧覆盖率β，β＝aK_b/K；或者首先确定所述支承弹簧覆盖率为β，外端面的外圆面积a，然后通过以下公式计算支承弹簧的刚度系数K，K＝aK_b/β。

本发明的另一种技术方案为：一种预应力床垫，包括弹性层，还包括对所述弹性层进行预压缩，使所述弹性层获得预应力的预应力构件。

其中，所述弹性层为弹簧弹性层、乳胶弹性层、海绵弹性层或3D纤维弹性层。

其中，所述预应力构件包括多个设置在所述弹性层上下表面的扣板组件和连接上下扣板组件的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度；或者，所述预应力构件包括设置在所述弹性层上下表面的网格状构件和连接上下网格状构件的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度；或者所述预应力构件包括设置在所述弹性层上下表面的布或柔性薄板和多条连接所述弹性层上下表面的布或柔性薄板的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度。

其中，所述弹性层为弹簧弹性层，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端的拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的自由长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端的套筒构件或气缸组件，所述套筒构件或气缸组件自由伸缩的总长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为用于容纳并压缩所述支承弹簧并具有柔性侧壁的筒状构件，所述筒状构件的高度小于所述支承弹簧自由高度。

其中，所述弹性层为弹簧弹性层，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧，所述支承弹簧的上下两端还设置有支架，或者设置有条状或片状或线状的联结构件，所述预应力构件两端分别连接于所述上下两端支架或联结构件上；

所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件上的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件的拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的自由长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件上的套筒构件或气缸组件，所述套筒构件或气缸组件自由伸缩的总长度小于所述支承弹簧的自由高度。

其中，所述床垫上设有标记弹性层的预应力值和刚度系数或柔度系数的标签。

其中，所述弹性层的下表面设有刚性支撑层。

其中，所述刚性支撑层为木板、塑料板或金属板，又或者为刚性的网状、密排的条状支撑结构。

本发明的有益效果为：本发明所述预应力床垫的设计方法是建立在使用者对床垫软硬的喜好参数上，通过测试得出使用者最喜欢的床垫硬度和能接受的最软床垫，并通过计算式得出床垫弹性层的预应力值f₀和刚度系数K_b及预压缩量S₀。当人体对预应力床垫的压强小于f₀时，预应力床垫弹性层不会产生变形，当人体对预应力床垫的压强大于f₀时，预应力床垫才产生变形，并且大于f₀的那一部分压强与刚度系数K_b成线性关系，设计出的预应力床垫具有双参数，丰富了床垫的类型，使床垫性能更加多样，更加适应人们各种不同需求。根据人类普遍或个体身体曲线及重力分布情况，优先选择刚度系数较小的弹性层，这样弹性层柔软性好，同样压强的情况下变形大，变形大就会使人体与预应力床垫的接触面积快速增加，从而分散压力，改善压力过于集中的情况，然后对弹性层进行高比例压缩，使预应力f₀较大，初始支托力也较大，四肢和躯干对应处的预应力床垫不变形或小变形，以获得强支托力、床垫较硬的效果，头部和臀部对应处的预应力床垫受力超过预应力f₀后，变形量快速地增大，以获得较大的支托面积，分散压力，减小压强，获得柔软的感觉。本发明充分利用预应力床垫的压强与变形量不成线性关系的特点，使预应力床垫获得更佳的支托效果。

附图说明

图1是现有技术中普通床垫弹性层的受力f与变形s的关系图；

图2是本发明所述预应力床垫弹性层的受力与变形的关系图；

图3是本发明所述预应力床垫实施例一的断面结构示意图；

图4是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例一的结构示意图；

图5是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例二的结构示意图；

图6是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例三的结构示意图；

图7是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例四的结构示意图；

图8是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例五的结构示意图；

图9是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例六的结构示意图；

图10是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例七的结构示意图；

图11是预应力床垫中支承弹簧被预压缩的实施例八的结构示意图；

图12是本发明所述预应力床垫实施例二的断面结构示意图；

图13为现有技术中支承弹簧的受力变形曲线图。

其中：1、弹性层；11、预应力构件；111、扣板组件；112、线绳；113、拉伸弹簧；114、套筒构件或气缸组件；115、筒状构件；12、支承弹簧；13、联结构件；14、支架；2、包覆层；3、刚性支撑层；4、衬垫层；5、标签。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

申请人研究发现，弹簧床垫的支承弹簧属于一种压缩弹簧，这种弹簧在受到压力作用下发生压缩变形，其受力变形曲线f～s可分为三个阶段(见图13)，其中第一阶段为初始阶段(oa段)，第二阶段为弹性稳定阶段(ab段)，第三阶段为屈服阶段(bc段)。

一般来说，第一阶段(oa段)由于受到材料性能和各种间隙等因素的影响，f～s曲线不会是严格的线弹性，弹簧工作在这个阶段是不理想的，对人体的弹性支托力不够，尤其是支持人体自然翻身的弹性伺服度不灵敏，容易引起腰痛或肌肉酸痛等现象。

第二阶段(ab段)线弹性好，是弹簧的最佳工作阶段。在弹簧的设计制造方面，高品质的弹簧就是尽量缩短oa段的长度，尽量减小oa段内非线弹性的幅度，这需要较高的成本，并且一般都难以完全消除。

第三阶段(bc段)弹簧进入屈服阶段，其被压缩后弹性难以恢复，会逐渐产生塑性变形而失去弹性。

传统弹簧床垫对人体的支承力是通过支承弹簧发生变形而获得的，所需支承力越大，变形就越大，支承弹簧越柔软，即弹簧的刚度系数越小，变形也就越大。一般来说，支承弹簧越柔软，人体睡眠会越舒服，但变形过大反而会导致长时间睡眠的不舒服甚至腰疼。对于传统的弹簧床垫来说，柔软性与变形大是相伴相生的，不可能既要弹簧柔软而又不让其产生大的变形，这是由弹簧的受力变形本身的特性所决定的。本发明从基本的力学原理入手，改变弹簧床垫的受力变形机制，使之既要弹簧柔软而又不让其在承受人体睡眠时产生较大的变形。

基于上述理论研究，本发明首先提供了一种用在弹簧床垫中的弹性支承组件，所述的弹性支承组件中包括至少一支承弹簧，该支承弹簧可以是一个压缩弹簧，在设置于弹簧床垫中时，处于预压缩状态，即该支承弹簧在使用之前已被施压产生并保持预定的压缩变形量。较理想地，所述支承弹簧可被预压缩至弹性稳定阶段。由于弹簧的弹性稳定阶段点a(见图13)的变形一般较小(小于弹簧自由高度的10％)，因此，更可靠地可使其被预压缩的变形量至少为支承弹簧自由高度的10％。这样，通过给支承弹簧施压，可使支承弹簧预先产生一个预压缩，并使预压缩量大于或等于图13中曲线中的oa段的长度，从而使支承弹簧可以直接工作在ab段，可以避免或大大减少支承弹簧工作在初始阶段(图13中的oa段)由于弹性性能不佳导致的人体睡眠的不舒适。

具体地，所述支承弹簧可在加工时预先压缩到设计的变形量并保持，通过一预应力构件加载在各支承弹簧上并锁定，使所述支承弹簧处于预压缩状态，并使支承弹簧产生预压缩后被锁定保持设计的变形量。预应力构件的功能和作用，一是给支承弹簧加载，使支承弹簧得以预压缩；二是锁定支承弹簧的两端限制支承弹簧的伸长变形使其处于预压缩状态不变；三是不妨碍支承弹簧的压缩变形。这种方式，成本低，且容易实现。此外，支承弹簧预压缩的方法还有很多，如温度应力方法，材料应力方法等等，只要能给支承弹簧加载并锁定限制其伸长变形，但又容许其压缩变形即可。

本发明通过使位于床垫内的支承弹簧处于预压缩状态，当人体重量作用于支承弹簧时，支承弹簧对人体的支承力首先来自于预应力的释放，只有当其释放的预应力不够时，支承弹簧才开始发生变形以弥补其不足的部分。当支承弹簧有足够的预压缩使其内产生的预应力水平与人体重量作用时产生的压力水平相当或更大时，人体睡眠将不会使支承弹簧整体再发生压缩变形，但这时，支承弹簧可以是很柔软的。这样，通过预应力的手段，可将支承弹簧的柔软性与其发生较大的变形分离，就像一位无形的天使，在人们享受弹簧床垫柔软舒适的同时，它无时无刻都在为你消除柔软的弹簧所产生的变形过大的缺陷。其次，通过给支承弹簧以预压缩，可使支承弹簧越过弹簧变形的初始阶段，使支承弹簧工作在图13所示的弹性稳定阶段(图13中的ab段)，该阶段的弹性性能最为理想。

本发明提供了一种预应力床垫的设计方法和预应力床垫，可实现上述功能。所述预应力床垫包括弹性层，如图2所示，为了调整弹性层的支托力f和变形量s，包括以下步骤：

首先让使用者平躺在不同硬度的床垫上，了解使用者最喜欢的床垫硬度和能接受的最软床垫；

测量使用者躺在最喜欢硬度床垫上床垫的压强f₁和变形S₁，测量使用者躺在能接受的最软床垫上床垫的压强f₂，此时可以不测量最软床垫的变形S₂；

设定弹性层的预应力值f₀＝f₂，并按下式确定所述弹性层的刚度系数K_b：

K_b＝(f₁-f₀)/S_l；

通过对所述弹性层进行预压缩以获得所设定的预应力值f₀，所述弹性层的预压缩量S₀按下式确定：

S₀＝f₀/K_b。

本发明所述预应力床垫的设计方法是建立在使用者对床垫软硬的喜好参数上，通过试用得出使用者最喜欢的床垫硬度和能接受的最软床垫，并通过上述计算式得出床垫弹性层的预应力值f₀及预压缩量S₀。当人体对预应力床垫的压强小于f₀时，预应力床垫不会产生变形，当人体对预应力床垫的压强大于f₀时，预应力床垫才产生变形，并且大于f₀的那一部分压强与刚度系数K_b成线性关系，设计出的预应力床垫具有双参数，丰富了床垫的类型，使床垫性能更加多样，更加适应人们各种不同需求。本发明根据人类普遍或个体身体曲线及重力分布情况，优先选择刚度系数较小的弹性层，这样弹性层柔软性好，同样压强的情况下变形大，变形大就会使人体与预应力床垫的接触面积快速增加，从而分散压力，改善压力过于集中的情况，然后对弹性层进行高比例压缩，使预应力f₀较大，初始支托力也较大，四肢和躯干对应处的预应力床垫不变形或小变形，以获得强支托力、床垫较硬的效果，头部和臀部对应处的预应力床垫受力超过预应力f₀后，变形量快速地增大，以获得较大的支托面积，分散压力，减小压强，获得柔软的感觉。

根据实际经验数据，当人体某部位受到支托压强大于30mmHg(毫米水银柱)时，该部位就会觉得不舒服，这是由于压力过于集中造成的，本发明所述设计方法中，先设定了合适的弹性层预应力值，即弹性层预应力值f₀＝f₂，当局部压强大于预应力值f₀时，床垫可以快速地变形，以提供更大的支承面积，从而抑制局部压强的快速上升，保证人体舒适。

在本发明中，由于个体身体曲线及重力分布情况是不同的，个人的喜好也有所不同，所以可以设计出不同性能参数的预应力床垫，并把标记有预应力值f₀和弹性层的刚度系数K_b的标签5设置在床垫上，以作为人们试用和选择的参考。当然也可以标识弹性层的柔度系数，所述柔度系数为刚度系数的倒数，即柔度系数δ＝1/K或δ_b＝1/k_b。

所述弹性层种类可以多种多样，比如为弹簧弹性层、乳胶弹性层、海绵弹性层或3D纤维弹性层等等。

当预应力床垫中的弹性层为弹簧弹性层时，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧，弹性层的刚度系数Kb与弹簧的刚度系数为K和弹簧排布的覆盖率β有直接关系，首先确定所述支承弹簧的刚度系数为K，支承弹簧外端面外圆面积为a，然后通过以下公式计算支承弹簧覆盖率β，β＝aK_b/K；或者首先确定所述支承弹簧覆盖率为β，外端面的外圆面积a，然后通过以下公式计算支承弹簧的刚度系数K，K＝aK_b/β，弹簧排布的覆盖率β则与弹簧的直径、弹簧的间距有直接关系。

作为本发明所述预应力床垫实施例一，如图3所示，所述预应力床垫包括弹性层1，还包括对所述弹性层1进行预压缩，使所述弹性层1获得预应力的预应力构件11。决定预应力床垫柔软性的参数为弹性层1的刚度系数K_b，决定预应力床垫初始支托力的参数为弹性层1的预应力值f₀，所述弹性层1被预压缩，以获得所述预应力值f₀。

在本发明中，可以使用多种方式对弹性层1进行预压缩，本实施例所述弹性层1为弹簧弹性层，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧12，如图4所示，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧12上下两端的线绳112，所述线绳112两端连接点之间的长度小于所述支承弹簧12的自由高度，这样，在支承弹簧12回位时，由于线绳112的牵制作用，在支承弹簧12本身具有的弹性力情形下，不会回到其自由伸长时的长度，从而限制了支承弹簧12的变形量，使支承弹簧12处于预压缩状态；而支承弹簧12受压时，由于线绳112本身自由形变的特性，不会对支承弹簧12压缩时产生任何影响，这种结构，简单可靠，容易实现，成本也非常低廉；或者，如图5所示，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧12上下两端的拉伸弹簧113，所述拉伸弹簧113的自由长度小于所述支承弹簧12的自由高度，在采用拉伸弹簧113作为预应力构件时，预应力床垫对人体的支承刚度为支承弹簧12的刚度系数与拉伸弹簧113的刚度系数之和，可以减小预应力床垫变形；又或者，如图6所示，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧12上下两端的套筒构件或气缸组件114，所述套筒构件或气缸组件114自由伸缩的总长度小于所述支承弹簧12的自由高度，支承弹簧12回位时，由于套筒构件或气缸组件114结构牵制作用，虽然支承弹簧12本身具有一定的弹性力，但不会回到其自由伸长时的长度，从而限制了支承弹簧12的变形量，使支承弹簧12处于预压缩状态；而支承弹簧12受压时，套筒构件或气缸组件114结构的长度可随支承弹簧12的压缩而缩短，不会对支承弹簧12压缩时产生任何影响，亦同样实现了本发明目的，这种结构，其可靠性相对较高，但成本较之于上述两种实施例结构相对高一些；又或者，如图7所示，所述预应力构件为用于容纳并压缩所述支承弹簧并具有柔性侧壁的筒状构件115，所述筒状构件115的高度小于所述支承弹簧12自由高度，这样，在支承弹簧12回位时，由于侧壁为柔性的筒状构件115的牵制作用，在支承弹簧12本身具有的弹性力情形下，也不会回到其自由伸长时的高度，从而限制了支承弹簧12的变形量，从而使其支承弹簧12处于预压缩状态；而支承弹簧12受压时，由于侧壁为柔性的筒状构件115本身自由形变的特性，不会对支承弹簧12压缩时产生任何影响，这种结构，简单可靠，很容易加工，且成本特别低廉。以上预应力构件即不会影响支承弹簧被压缩，也不会释放预压缩量，所述预应力构件最好设置于所述支承弹簧的中心轴线上，所以支承弹簧可以稳定地被预压缩。

在本发明实施例中，所述弹簧弹性层被预压缩的结构还可以为：如图8所示，所述支承弹簧12的上下两端还设置有支架14，所述预应力构件两端分别连接于所述上下两端支架14上，所述支架14与支承弹簧12，由同一根铁丝一起制作出来，成本较低，又由于支架14的两端都搭在支承弹簧12上，所以不易变形；又或者如图9所示，所述支承弹簧12的上下两端也设置有支架14，所述支架14长度较短，并呈悬臂梁状态，预应力构件11两端分别连接于所述上下两端支架14端部；又或者如图10所示，所述支承弹簧12的上下两端还设置有条状或片状或线状的联结构件13，所述预应力构件两端分别连接于所述联结构件13上，所述联结构件13焊接或卡接在支承弹簧12上。在图8至图10所示的实施例中，所述预应力构件可以为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件上的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件的拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的自由长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件上的套筒构件或气缸组件，所述套筒构件或气缸组件自由伸缩的总长度小于所述支承弹簧的自由高度。

在本发明实施例中，所述弹簧弹性层被预压缩的结构还可以为：如图11所示，联结构件13横跨多个支承弹簧12，把各支承弹簧12连成整体，预应力构件11的两端分别连接于联结构件13上，预应力构件11与支承弹簧12的中心轴线或伸缩方向平行，所以支承弹簧12可以稳定地被预压缩。

需要说明的是，作为预应力构件来说，远不止上述所述的方式，只要能够施力给支承弹簧并予以预压缩并保持预压缩状态，皆可实现本发明目的，也皆在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

现在的床垫采用的弹性层性能参数越来越严格，对人体所有部分受力都计算相当精确，但是现有的床垫主包括衬垫层、弹性层和包覆层，衬垫层设置在弹性层上方和下方，包覆层为最外侧的表面层，衬垫层主要作用是覆盖弹性层，使床垫平整和结实耐用，另外好的衬垫层还需要具有夏天透气、冬天保暖的作用，由于衬垫层一般为毛垫、毡垫或棕垫，厚度较大，且较软，弹性层设置在这样的衬垫层上，不能获得刚性支撑，弹性层在受压时衬垫层和弹性层将同时发生变形，并且衬垫层的变形一般是非弹性的，所以整个床垫的弹性性能表现大打折扣，即使采用优质的、伺服灵敏度很高的弹性层也很难体现出优势。

为了解决上述技术问题，在本实施例中，所述弹性层1的下表面设有刚性支撑层3，更具体的，预应力床垫还包括位于所述弹性层1外表面的包覆层2，刚性支撑层3设置在所述弹性层1和包覆层2的下表面之间。本实施例弹性层1和包覆层的下表层之间不包括衬垫层，即弹簧弹性层直接与包覆层的下表层接触，由于包覆层为纺织品很薄，不会影响力的传递，所以相当于使弹簧弹性层直接接触到坚硬的床板，并获得刚性支撑，这样弹簧弹性层的优秀性能就能完全地体现出来。

本实施例所述预应力床垫的弹性层1下方被刚性支撑，这样弹性层1的优秀性能就能完全地体现出来。本发明所述的刚性支撑是相对衬垫层的柔性支撑而言的，木板、金属板、塑料板等板材由于材质较硬，不易变形，可承受较大压强，对弹性层1的支撑就可以看作是刚性支撑，刚性的网状、密排的条状支撑结构也可以认为是刚性支撑。本发明所述预压缩的弹性层1具有相当优秀的弹性性能，再配合刚性支撑，就可以制作质量非常高的预应力床垫。另外，弹性层1上方和包覆层2之间仍然可以设置衬垫层4，以覆盖弹簧弹性层，让人们感受不到弹簧间隙，使预应力床垫平整和柔软舒适。

由于现有技术中有些床板并非一个完整的平板，而是鱼骨状的板条，无法为弹簧弹性层提供全面完整的刚性支撑。本发明实施例中，所述刚性支撑层3可以为弹簧弹性层提供全面的刚性支撑，使弹簧弹性层底面每一点或每一个支承弹簧都得到刚性支撑，以使弹簧弹性层的优秀性能完全地体现出来，增加了预应力床垫对不同床板的适应性。

本发明弹簧床垫中的支承弹簧由于在使用之前被预压缩，可在使用中使之处于弹性稳定阶段，可避免或大大减少支承弹簧初始阶段弹性不稳定造成的睡眠不舒服现象；通过进一步设置给所述支承弹簧施压，以使所述支承弹簧处于预压缩状态的预应力构件，对支承弹簧进行预压缩并使其产生预应力，可减少弹性支承层的变形量，而且还改善支承弹簧的弹性伺服度和灵敏度，从而使睡眠者感觉舒服。

本发明为弹簧床垫性能的改进提供了理论基础和丰富多样的可能性。引入了一个预压缩系数C的概念，在弹簧床垫中，它等于预压缩的支承弹簧内产生的预应力水平与睡眠时人体重量在支承弹簧内产生的应力水平之比。当C≥1时，支承弹簧对人体的支承力全部来源于预应力的释放和转化，床垫的弹性支承层整体上不发生新的压缩变形。当C＝0.6时，支承弹簧对人体的支承力60％来自于预应力的释放和转化，40％来自于支承弹簧当人体躺下时发生的新增压缩变形。因此，弹簧床垫设计制造可以采用不同的C值大小(C≥0.1)，调整床垫的变形量，以适应不同人群的需求。在床垫的设计制造时，还可以采用不同的C值与不同的K值(支承弹簧的刚度系数)组合，制造出各种不同柔软度和不同变形组合的床垫，使睡眠产生意想不到的舒适。如，采用很软的弹簧(K值很小)和高预压缩系数(C≥1)组合，睡眠时床垫的平均整体压缩变形几乎为零，但床却是非常柔软，人的感觉犹如睡在水床上一样，飘飘若仙，牢固地被托举在空中。在床垫设计制造时，还可以选择不同类型的预应力构件来达到不同的舒适性和睡眠体验。如线绳一类的预应力构件，其预应力的释放是在人体重量作用于支承弹簧的瞬间完成的；而拉伸弹簧一类的预应力构件，其预应力的释放与支承弹簧的增量变形成比例，是缓释的。因此，不同的K值，不同的C值，不同的预应力构件，三者的组合有成千上万种，带给人类睡眠的新体验，也将非常丰富多彩。可以大胆的预言，本发明将为床垫设计制造行业带来一个全新的发展机遇。

根据目前市场上用于床垫的支承弹簧的品质，考虑各个品牌各个厂家生产的各种材料的支承弹簧的测试结果及其离散性，为了达到较高的保证率和睡眠舒适性，较理想地支承弹簧被预压缩的变形量至少应为其自由高度的38.2％，现有支承弹簧的自由高度有多个规格，比如23厘米、26厘米、28厘米等等，另外弹簧床垫的厚度具有国家标准，把上述任一高度的支承弹簧预压缩至10厘米或14厘米，不但可以使支承弹簧进入弹性稳定阶段，还可以获得软硬程度不同的支承弹簧。

作为本发明所述预应力床垫的实施例二，如图12所示，与实施例一不同之处在于所述弹性层1为乳胶弹性层，通过多个预应力构件11把弹性层1进行预压缩，预应力构件11均匀分布在弹性层1上，由于乳胶弹性层为大面积的实心结构，不容易被均匀压缩和保持均匀柔性，本实施例所述预应力构件11包括多个设置在所述弹性层1上下表面的扣板组件111和连接上下扣板组件111的线绳112，所述线绳112两端连接点之间的长度小于弹性层1的厚度，从而把乳胶弹性层压缩。单个扣板组件111的面积和扣板组件111之间的间隙直接影响所述预应力床垫的表面硬度，扣板组件111之间的间隙越小，整个预应力床垫就越平整，单个扣板组件111的面积越大，预应力床垫的表面硬度就越大，所以扣板组件1l1面积应尽量小，并且排布密度尽量高。

在上述实施例中，所述预应力构件还可以包括设置在所述弹性层上下表面的网格状构件和连接上下网格状构件的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度；或者所述预应力构件包括设置在所述弹性层上下表面的布或柔性薄板和多条连接所述弹性层上下表面的布或柔性薄板的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度，能达到基本相同的有益效果。

本实施例中，乳胶弹性层外面设有包覆层2，乳胶弹性层与包覆层2的下表面之间设有刚性支撑层3，刚性支撑层3的作用与实施例一中的一致。

由于海绵弹性层、3D纤维弹性层与乳胶弹性层性质相差不多，可以采用相同的方法进行预压缩，当然也可以用于弹簧弹性层的预压缩。

本发明床垫的具体结构设计中，还可先在所述弹性层上表面或/和下表面，设置衬垫层，上述结构组合后再在整个表面铺设包覆层。其中所述衬垫层由毛毡织物层或/和高密度海绵层或/和棕垫层组成，可层叠铺垫于弹性层上下平面上，可根据需要和床垫不同的类型在弹性层上平面向上分别层叠铺设高密度海绵层和毛毡织物层，在弹性层下平面向下分别层叠铺设棕垫层和毛毡织物层；也可在上、下平面分别层叠铺设高密度海绵层和毛毡织物层，或分别层叠铺设棕垫层和毛毡织物层。其中毛毡织物层采用天然羊毛或化学纤维毡合而成，它富有一定的弹性，不松散，保温隔热，组织紧密，耐磨性好，能保持床垫表面的平整，一般铺设在衬垫层的外表层；高密度海绵层能够吸收人体睡眠时压于床垫上的重量，弹性好，细腻、柔软、舒适；棕垫层由棕纤维编制而成，质地相对海绵和毛毡织物较硬，或硬中稍带软，承托力和耐久力比较好，受力均匀，适用于喜欢睡硬床的人。

进一步地，还可在弹性层上下表面增加一丝网层，以增加整个床垫表面的平整性，在床垫长端的两端，还可包覆一包边层，以增加床垫长端的两端的强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预应力床垫的设计方法，所述预应力床垫包括弹性层，为了调整弹性层的支托力f和变形量s，其特征在于，包括以下步骤：

首先让使用者平躺在不同硬度的床垫上，了解使用者最喜欢的床垫硬度和能接受的最软床垫；

测量使用者躺在最喜欢硬度床垫上床垫的压强f₁和床垫的变形S₁，测量使用者躺在能接受的最软床垫上床垫的压强f₂；

设定弹性层的预应力值f₀＝f₂，并按下式确定所述弹性层的刚度系数K_b：

K_b＝(f₁-f₀)/S_l；

通过对所述弹性层进行预压缩以获得所设定的预应力值f₀，所述弹性层的预压缩量S₀按下式确定：

S₀＝f₀/K_b。

2.根据权利要求1所述的预应力床垫的设计方法，其特征在于，所述弹性层为弹簧弹性层，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧，首先确定所述支承弹簧的刚度系数为K，支承弹簧外端面外圆面积为a，然后通过以下公式计算支承弹簧覆盖率β，β＝aK_b/K；或者首先确定所述支承弹簧覆盖率为β，外端面的外圆面积a，然后通过以下公式计算支承弹簧的刚度系数K，K＝aK_b/β。

3.一种预应力床垫，包括弹性层，其特征在于，还包括对所述弹性层进行预压缩，使所述弹性层获得预应力的预应力构件。

4.根据权利要求3所述的预应力床垫，其特征在于，所述弹性层为弹簧弹性层、乳胶弹性层、海绵弹性层或3D纤维弹性层。

5.根据权利要求3所述的预应力床垫，其特征在于，所述预应力构件包括多个设置在所述弹性层上下表面的扣板组件和连接上下扣板组件的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度；或者，所述预应力构件包括设置在所述弹性层上下表面的网格状构件和连接上下网格状构件的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度；或者所述预应力构件包括设置在所述弹性层上下表面的布或柔性薄板和多条连接所述弹性层上下表面的布或柔性薄板的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于弹性层的厚度。

6.根据权利要求3所述的预应力床垫，其特征在于，所述弹性层为弹簧弹性层，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端的拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的自由长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端的套筒构件或气缸组件，所述套筒构件或气缸组件自由伸缩的总长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为用于容纳并压缩所述支承弹簧并具有柔性侧壁的筒状构件，所述筒状构件的高度小于所述支承弹簧自由高度。

7.根据权利要求3所述的预应力床垫，其特征在于，所述弹性层为弹簧弹性层，所述弹簧弹性层包括多个并列排布的支承弹簧，所述支承弹簧的上下两端还设置有支架，或者设置有条状或片状或线状的联结构件，所述预应力构件两端分别连接于所述上下两端支架或联结构件上；

所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件上的线绳，所述线绳两端连接点之间的长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件的拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的自由长度小于所述支承弹簧的自由高度；或者，所述预应力构件为两端分别连接于所述支承弹簧上下两端支架或联结构件上的套筒构件或气缸组件，所述套筒构件或气缸组件自由伸缩的总长度小于所述支承弹簧的自由高度。

8.根据权利要求3所述的预应力床垫，其特征在于，所述床垫上设有标记弹性层的预应力值和刚度系数或柔度系数的标签。

9.根据权利要求3至8任一项所述的预应力床垫，其特征在于，所述弹性层的下表面设有刚性支撑层。

10.根据权利要求9所述的预应力床垫，其特征在于，所述刚性支撑层为木板、塑料板或金属板，或者为刚性的网状、密排的条状支撑结构。

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