Матрас
MATRESS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к матрасу, содержащему множество упругих элементов, установленных на основание, предназначенное для соединения с опорой.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Конструктивный элемент мебели, такой как спальный матрас, применяется с целью восприятия веса тела человека таким образом, чтобы мышцы лежащего человека нагружались в наименьшей степени. При этом указанный конструктивный элемент распределяет вес тела человека по части поверхности устройства.
Уровень техники
Известны матрасы с пружинами, работающими на сжатие (МПК А47С 23/04). Недостатком матрасов этого класса является значительная жесткость и сложность изготовления. Известны также матрасы с пружинами, работающими на растяжение, например плоскими (МПК А47С 23/04). Недостатком матрасов этого класса является также значительная жесткость.
Наиболее близкими к заявленному устройству являются матрасы с упругими узлами, относительно независимо деформирующимися друг от друга. Упругие узлы таких матрасов называют конструкциями с «зачехленными пружинами», когда каждый упругий узел содержит упругую деталь и гибкую оболочку, которая окружает упругую деталь так, что упругая деталь зажата внутри оболочки. Считается, что конструкция «зачехленных пружин» имеет преимущество, состоящее в том, что каждый упругий узел деформируется независимо от соседних упругих узлов. Считается, что использование матрасов этого типа сопровождается увеличением комфорта для пользователя, поскольку вес распределяется более равномерно по поверхности, воспринимающей нагрузку.
На самом деле напряжение и нагрузку испытывает не только тот участок матраса, который непосредственно контактирует с телом, но и другие участки. Усилия от упругих узлов передаются друг другу через чехлы. Ткань чехла обычно достаточно прочная, растянувшись на пару миллиметров, далее тянет и давит на участки, отстоящие на десятки сантиметров. Т.е. суммарная деформация носит не точечный характер, как это представляется в идеале, как на некоем теоретическом матрасе, а характер интегральный. На каждую пружину давит не только то, что находится непосредственно наверху, но и все то, что находится в радиусе 50 см вокруг. Само по себе стремление к «независимости» пружин является дезориентирующим. Упругие узлы должны деформироваться с учетом деформаций, их окружающих. В противном случае поверхность матраса не будет воспроизводить поверхность недеформированной спины лежащего на нем человека. Человек и используемый им матрас составляют систему двух совместно деформируемых тел. В случае абсолютно жесткого матраса тело человека входит в контакт с матрасом только на отдельных участках в связи с тем, что позвоночник имеет четыре физиологических изгиба в сагиттальной плоскости (фиг. 4а). На участках, не входящих в контакт (к4, к5, к6 фиг. 4а), тело начинает деформироваться, что сопровождается включением в работу мышц, нагружающих позвоночник. При мягком матрасе (в том числе в конструкции «зачехленных пружин» и беспружинных) в общем случае деформации тела человека и матраса могут складываться самими разнообразными образами в зависимости от сочетания антропометрических свойств конкретного человека и свойств матраса. В частности, и такими, которые приводят к сильнейшей загруженности мышц позвоночника. При этом значение жесткости матраса играет далеко не единственную роль. Величина смещения одного упругого узла относительно другого характеризуется не только величиной, но и направлением. Интуитивное стремление производителей пружин к "независимости" пружин, на наш взгляд, определено стремлением к минимизации передачи сил от одного упругого узла к другим только в горизонтальной плоскости. Но именно силы в горизонтальной плоскости оказывают воздействие на мышцы, "вытянутые" вдоль позвоночника. Однако, как мы уже указывали, усилия от упругих узлов в случае «зачехленных пружин» передаются друг другу через чехлы. Это происходит потому, что все чехольчики склеены с соседними, что ставит под сомнение утверждения о независимом пружинном блоке. В случае беспружинных матрасов усилия в горизонтальной плоскости передаются через материал вследствие того, что области, контактирующие с более тяжелыми участками тела, более сжаты, чем соседние. В случае очень мягкого матраса, независимо от того, является ли он беспружинным или с «зачехленными пружинами», деформации тела человека следуют за деформациями матраса. Область "М" (фиг. 4б) матраса оказывается сжатой. Материал матраса из этой области стремится перемешаться в области д1 и д2. Результат - появление сил "Т", горизонтальные составляющие которых нагружают тело человека. Тело человека изгибается. Область бедер уходит на значительную величину вниз. При этом таз человека поддерживается за счет включенности в работу мышц позвоночника. Чем больше растягиваются участки тела человека, тем в большей степени включаются в работу мышцы позвоночника (фиг. 4б), воспроизводя картину "эффекта гамака" (фиг. 4в). Чем пугает эффект гамака? Дело в том, что силы т1, т2, …, являющиеся составляющими сил Р, складываются от нижележащих мышц к вышележащим, достигая очень больших величин, что и выводит позвоночник из строя. Для исключения такой картины необходимо выполнить два условия: 1) упругие узлы матраса должны быть сконструированы таким образом, чтобы эти узлы работали на сдвиг в вертикальном направлении (фиг. 4г). Левые элементы <Л> взаимодействуют с правыми <Р> только касательными напряжениями, направленными по вертикали. Так как точки контакта с позвоночником расположены очень близко друг к другу, то они будут малы, но самое главное - они не будут суммироваться на позвоночнике. Но это условие является только необходимым, но недостаточным, что демонстрируют чертежи фиг. 4д и Фиг. 4е. На чертеже фиг. 4д основание, с которым начинают контактировать нижние концы упругих узлов после укладывания на матрас человека, выполнено в виде впадины с наибольшей глубиной посредине. В результате - верхний уровень упругих узлов воспроизведет поверхность, близкую к той, что возникает при мягком матрасе. Если же основание выполнено горизонтальным (фиг. 4е), то получим состояние, близкое к жесткому матрасу; 2) второе условие и заключается в обеспечении такого положения элементов относительно друг друга, при котором поверхность матраса воспроизводит автоматически профиль позвоночника. Варьируя профилем основания, можно добиваться наибольшей разгрузки позвоночника. Можно добиться автоматического приспособления матраса к поверхности спины человека (фиг. 4ж), если расположить на поверхности основания слой материала с упругими свойствами и свойством сохранения своего объема. В этом случае нижние концы упругих узлов 1, 2, 3, 4, 5, 6, расположенных под наиболее весомыми частями человека, будут выдавливать материал в менее нагруженные области 7, 8, 9, 10, которые будут подниматься в областях менее нагруженных частей тела человека, разгружая мышцы позвоночника. Таким образом достигается действительная разгрузка позвоночника, которая не может быть достигнута в известных конструкциях матрасов.
К другим недостаткам известных матрасов с «зачехленными пружинами» относят недостаточную надежность. Эксплуатация их показывает, что почти все чехольчики, в которые упакована каждая из пружин, порваны. Такая ситуация - с обеих сторон пружинного блока. На ощупь материал этих чехольчиков непрочный и рвется очень легко. Конечно же, такой материал не может выдержать постоянное трение с металлом. Со временем матрас идет волнами, начинает проваливаться, а некоторые пружины начинают колоть в бок. При частичном распарывании матраса можно увидеть, что кокосовая плита превращается в труху, мешочки, в которых находились пружины, оказываются порванными, и одна из пружин зацепляется за соседнюю.
Еще один недостаток матрасов с «зачехленными пружинами» - дороговизна и сложность изготовления таких матрасов, требующего использования большого количества пружин. Еще большей дороговизной характеризуются беспружинные матрасы, что обусловлено высокой стоимостью материала и необходимостью использования больших толщин полос этого материала в связи с малой его энергоемкостью при работе на сжатие. Решением вопроса при этом была бы возможность создания конструкции с работой материала на сдвиг, так как модуль упругости при сдвиге в три раза меньше, чем при сжатии. Однако в международной патентной классификации (МПК А47С) отсутствует даже индекс, обозначающий матрасы, в которых упругие элементы работали бы на сдвиг.
К недостаткам матраса с «зачехленными пружинами» следует отнести также его неспособность гасить колебания, когда спящий ворочается с боку на бок. Эта неспособность гасить колебания пружинных матрасов обусловлена низким значением коэффициента затухания, равного отношению коэффициента трения к удвоенной массе. Так как коэффициент внутреннего трения в стали (материале пружин) очень мал, то волны в матрасе затухают очень медленно. В ряду беспружинных матрасов волны также велики, несмотря на более высокое значение коэффициента внутреннего трения в латексе, что обусловлено низким значением массы. Поэтому в беспружинных матрасах уменьшение динамических воздействий со стороны матраса на тело спящего достигается увеличением массы матраса до массы, сравнимой или даже превосходящей вес спящего человека. Считают, что чем дешевле и хуже матрас - тем он легче и больше похож по своим физическим характеристикам на батут. Чем матрас комфортнее, тем он тяжелее. Таким образом, улучшение динамики матраса достигается увеличением его веса и дороговизны. Может быть выбран более эффективный метод, заключающийся в увеличении рассеивания энергии за счет увеличения числа плоскостей скольжения в материале матраса.
Такой путь улучшения динамики матраса мы полагаем использовать в нашем изобретении. К недостаткам беспружинных матрасов относят также большую стоимость и высоту и малую долговечность. Основной потребностью все же является достижение ортопедических свойств высокого уровня, обеспечиваемого способностью матраса к распределению поддерживающей силы равномерно по всей поверхности тела пользователя. Потребность же эту полагают удовлетворить с использованием способа улучшения ортопедических свойств за счет разделения матраса на несколько секций, которые в существенной степени независимы друг от друга. Такое устройство описано в немецком патенте DE 1028759 и в английском патенте GB 288820. Однако основной целью этих устройств является не повышение комфортности пользователя, а повышение ремонтопригодности кровати при износе, повышение удобства ремонта и снижение стоимости. Эти матрацы известной конструкции не обеспечивают индивидуальную эластичность пружин и не вносят какое-либо существенное повышение комфортности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является "Конструктивный элемент мебели, предназначенный для восприятия веса тела человека" (RU 2521306, А47С 23/04), содержащий по меньшей мере одну секцию, которая содержит:
- основание, предназначенное для соединения с опорой,
- панельный элемент, расположенный над основанием относительно опоры,
- первый набор упругих элементов, расположенных рядом друг с другом на панельном элементе и соединенных друг с другом посредством совокупности соединений, при этом каждый упругий элемент имеет длину, ограниченную верхним концом и нижним концом, и выполнен с возможностью упругой деформации вдоль указанной длины, когда он нагружен весом тела человека, и с возможностью воздействия на тело человека с силой, которая зависит от указанной упругой деформации,
- соединительные элементы, присоединенные к первому набору упругих элементов и к основанию и проходящие через панельный элемент с обеспечением прикрепления первого набора упругих элементов к основанию,
- деформационный элемент, выполненный с возможностью перемещения панельного элемента относительно основания с обеспечением различной деформации упругих элементов, отличающийся тем, что каждый упругий элемент из первого набора упругих элементов содержит упругую деталь, имеющую первую жесткостную характеристику, и гибкую оболочку, которая окружает упругую деталь с обеспечением зажатия упругой детали внутри оболочки, при этом указанные соединения расположены между верхним и нижним концами упругих элементов из первого набора упругих элементов с образованием верхней части с длиной, проходящей между верхними концами упругих элементов из первого набора упругих элементов и соединениями, и нижней части с длиной, проходящей между соединениями и нижними концами упругих элементов из первого набора упругих элементов, при этом указанная длина верхней части преимущественно не подвержена влиянию перемещения панельного элемента, а длина нижней части может регулироваться путем перемещения панельного элемента, при этом каждая упругая деталь из первого набора упругих элементов имеет центральную часть, находящуюся во фрикционном контакте с оболочкой на уровне указанной совокупности соединений, при этом жесткость верхней части упругих элементов из первого набора упругих элементов фактически не подвержена влиянию перемещения панельного элемента, а жесткость нижней части упругих элементов из первого набора упругих элементов является регулируемой. Недостатком устройства этого типа является сложность и недостаточная эффективность регулирования, а также все вышеуказанные недостатки, присущие матрасам с "зачехленными пружинами".
ЦЕЛЬ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является упрощение и усиление эффективности регулирования, направленного на улучшение ортопедических и динамических свойств матраса, под конкретные антропометрические данные, устранение скрипа при эксплуатации, уменьшение массы и стоимости, упрощение изготовления.
Существует еще и цель специфическая, направленная на удовлетворение потребностей беременных женщин, вынужденных спать на животе. Матрас при этом должен обеспечивать существование "ямы" в области живота с глубиной порядка 300 мм. Существующие типы матрасов не могут обеспечить такой деформации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель достигается тем, что упругие узлы матраса выполнены в виде многослойной конструкции, составленной из приклеенных или привулканизированных друг к другу чередующихся пластин эластика, выполненного преимущественно из полиуретана, с пластинами, выполненными из материалов с высоким значением модуля упругости, преимущественно из металла, дерева или пластика, причем торцевые пластины многослойной конструкции прикреплены к торцевым панелям рамы, а слой упругого материала уложен в короб основания, отделенного от торцевых панелей рамы гайкой, навинченной на шпильки, скрепляющие короб основания с рамой, при условии, что слой упругого материала выполнен из материала, сохраняющего постоянный объем при деформациях, и уложен в короб основания без зазоров между его боковыми гранями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение представлено посредством описания со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показана схема предлагаемого матраса в плане. На фиг. 2 представлен разрез по А-А. На фиг. 3 представлена схема работы матраса. На фиг. 4 представлены схемы принципов работы известных конструкций матрасов и предлагаемого.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Матрас содержит раму, составленную из двух торцевых панелей 1 и 2 и двух боковин 3 и 4, расположенных в продольном направлении. Упругий узел матраса выполнен в виде многослойной конструкции, составленной из приклеенных или привулканизированных друг к другу чередующихся пластин эластика 5, выполненного преимущественно из полиуретана, с пластинами 6, выполненными из материалов с высоким значением модуля упругости, преимущественно из металла, дерева или пластика.
Гайки 7 навинчены с обеих сторон панелей 1 и 2 на шпильки 8, пропущенные через отверстия в панелях 1 и 2. Снизу на эти же шпильки 8 навинчены гайки 9, на которых покоится короб основания 10, в который без зазора между его боковыми гранями уложен слой упругого материала 11, выполненный из материала, сохраняющего постоянный объем при деформациях (преимущественно из полиуретана).
2
Матрас работает следующим образом. При укладывании человека на матрас пластины эластика 5 начинают деформироваться. Под действием деформаций сдвига пластины 6 начинают сдвигаться относительно друг друга в вертикальном направлении (фиг. 3). При этом наиболее интенсивно начинают перемещения те пластины, которые оказываются нагруженными в наибольшей степени (области А, Б, С, Д). Войдя в контакт со слоем упругого материала 11, который начинает при этом деформироваться, выпучиваясь в зонах, где еще не осуществлен контакт с пластинами 6. Наконец, пластины 6 входят в контакт со слоем упругого материала 11, осуществляя давление вверх, тем самым подпирая спину в зонах лордоза и кифоза. Степень разгрузки позвоночника при этом легко может быть отрегулирована под конкретные антропометрические данные регулированием величины свободного хода "Т" (фиг. 2). Осуществить это очень просто, закручивая или откручивая нижнюю гайку 7 относительно шпильки 8. Переворачиваясь во сне, человек не испытывает неудобств, так как происходит интенсивное рассеивание энергии в связи с очень большим количеством плоскостей одновременно деформируемых пластин полиуретана. Для полиуретана допустимо смешение одной пластины относительно другой при сдвиге со статической нагрузкой величиной, равной 0,6 S, где S - суммарная толщина полиуретана. При длине матраса "С" величина "S" равна четверти "С". При "С", равной 2 м, допустимое наибольшее смешение по вертикали точки матраса равно, таким образом, 300 мм, что соответствует потребностям беременных. Допускаемые напряжения для полиуретана τ=24 кг/см. Таким образом, величина необходимой площади всех пластин полиуретана, работающих на сдвиг, равна F= G/τ.
2
При весе человека G=240 кг необходимая площадь F=10 см. Таким образом, по условиям прочности толщина "т1" упругого узла должна составлять лишь несколько сантиметров, что определяет малые габариты и стоимость матраса. Если по технологическим соображениям такая высота "т1" не устраивает, то возможно уменьшение длины слоя полиуретана 5 в поперечном направлении при использовании коротких участков по краям слоя, оставляя средние части между пластинами 6 пустыми (не заполненными полиуретаном).