【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10第 3 章 小型客車(chē)座椅的骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)座椅骨架不但要承受人體質(zhì)量，同時(shí)還要經(jīng)受汽車(chē)啟動(dòng)、停止等重復(fù)動(dòng)作和沖撞事故的沖擊，屬于汽車(chē)整車(chē)強(qiáng)制認(rèn)證檢測(cè)項(xiàng)目之一。骨架的結(jié)構(gòu)主要分為鋼質(zhì)沖壓骨架、管式骨架和合金鑄造骨架三種，主體為金屬焊接結(jié)構(gòu)。管材焊接骨架成本最低，但很難增加更多的功能。鋼質(zhì)沖壓骨架有更大的功能配置靈活性，很多附加的功能能夠被直接加在骨架上。合金鑄造骨架主要用在高級(jí)豪華車(chē)上，主要特點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，但模具費(fèi)用和零件單價(jià)較高。根據(jù)汽車(chē)的設(shè)備能力、生產(chǎn)量和生產(chǎn)成本等情況，本設(shè)計(jì)座椅骨架為鋼質(zhì)沖壓骨架。 座椅的骨架設(shè)計(jì)1).靠背骨架：靠背骨架是一個(gè)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，在載荷傳遞路線中它把載荷傳遞給調(diào)角器，并最終傳至地板，它直接關(guān)系到座椅的總體穩(wěn)定性。在前撞、側(cè)撞尤其是后撞情況下，靠背骨架在撞擊能量處理方面起到關(guān)鍵的乘員保護(hù)作用。其主要尺寸和結(jié)構(gòu)形式如圖 所示 圖 靠背骨架主要尺寸及結(jié)構(gòu)形式2).底座骨架：底座骨架通過(guò)調(diào)角器與靠背連接，靠背受到的載荷通過(guò)調(diào)角器傳至底座再傳到地板。底座側(cè)板結(jié)構(gòu)(如圖 所示)中，前桿和后桿隸屬于座椅的高低調(diào)節(jié)總成，用于保證其整體剛性連接。中間板主要作用為增加橫向穩(wěn)定本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11性和剛度。主要尺寸（如圖 所示） 。 圖 底座側(cè)板結(jié)構(gòu) a b圖 主要尺寸 骨架的結(jié)構(gòu)，主要可分為鋼質(zhì)沖壓骨架、管式骨架和合金鑄造骨架三種，本設(shè)計(jì)座椅骨架采用鋼質(zhì)沖壓骨架。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12 小型客車(chē)座椅的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理及相關(guān)計(jì)算1).前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及工作原理前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（如圖 所示）即座椅滑道，是縱向水平位置的調(diào)整機(jī)構(gòu)，在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中左右兩側(cè)均選用內(nèi)外導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)用前后調(diào)節(jié)操縱桿連接和控制，其中內(nèi)導(dǎo)軌中間安有內(nèi)外導(dǎo)軌鎖止機(jī)構(gòu)，當(dāng)用前后調(diào)節(jié)操縱桿調(diào)整到合適位置時(shí)，松開(kāi)操作桿，達(dá)到調(diào)節(jié)并鎖止的目的。 圖 前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2)．前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算如圖 所示，在與鎖止機(jī)構(gòu)相連接的外導(dǎo)軌下端，開(kāi)有 10 個(gè) 40mm 等距分布的小孔，用于與鎖緊機(jī)構(gòu)相扣合。每個(gè)等距分布 10 個(gè)均為 2020mm 的小方孔，鎖止機(jī)構(gòu)每次均占用 1 個(gè)小方孔， 則最大調(diào)節(jié)距離為（101）40=360mm。因此，前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍為 0360mm，即 0177。180mm。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13 圖 導(dǎo)軌等距孔 高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理及相關(guān)計(jì)算1).高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及工作原理高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（如圖 所示）主要由一套連接桿件和調(diào)整螺桿組成，當(dāng)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下端和上端分別固定在底座側(cè)板與軌道上時(shí)，鉸接的桿件便與底座側(cè)板、軌道和調(diào)整螺桿組成了上下兩個(gè)等腰梯形，具有穩(wěn)定的整體性，防止其自由變形。圖 高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)其中，連接桿 2 與調(diào)整螺桿連接部分為光滑通孔，與調(diào)整螺桿無(wú)螺紋一端相接合，在調(diào)整螺桿有螺紋部分與連接桿 1 的接觸處，將連接桿件固定在調(diào)整螺桿有螺紋處和無(wú)螺紋處的中間，限制其沿調(diào)整螺桿軸向的自由度。連接桿 1 與調(diào)整螺桿連接部分為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，與調(diào)整螺桿的外螺紋相連接，當(dāng)調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連接桿 1 會(huì)沿調(diào)整螺桿軸向移動(dòng)，改變連接桿上下桿與調(diào)整螺桿的角度，從而使底座得到垂直方向的的位移改變。調(diào)整過(guò)程中，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主調(diào)整一側(cè)的垂直方向位移改變會(huì)通過(guò)座椅側(cè)板結(jié)構(gòu)中的前后兩個(gè)桿，帶動(dòng)另一側(cè)的連接機(jī)構(gòu)產(chǎn)生垂直位移，達(dá)到底座在垂直方向位移整體改變的目的。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）142)．高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，連接桿件 1 在調(diào)整螺桿軸向位移范圍為 50mm，如圖 ，當(dāng)連接桿件 1 被調(diào)整到如圖所示位置時(shí)，mm10628910253905)3790(539。 222 ??????????hmm639。h則，座椅在垂直方向上工共調(diào)節(jié) 256=112mm，因此，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍為 0112mm。 圖 高度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)圖 角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及工作原理本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為棘輪棘爪結(jié)構(gòu)形式,是對(duì)靠背、座墊夾角進(jìn)行調(diào)整和鎖止的機(jī)構(gòu)。其工作原理為，當(dāng)角度調(diào)節(jié)操縱桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連動(dòng)桿同時(shí)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，連接在連動(dòng)桿上的板簧會(huì)逐漸卷縮，而帶動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)下移，從而解除內(nèi)板和外側(cè)上板間的鎖止，此時(shí)當(dāng)操作者對(duì)靠背施以向后的力或者依靠板簧的恢復(fù)力，就可以對(duì)靠背的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)整到合適角度位置時(shí)，松開(kāi)角度調(diào)節(jié)操縱桿，在板簧的恢復(fù)力作用下，角度調(diào)節(jié)操縱桿會(huì)回到初始位置，而所以機(jī)構(gòu)也會(huì)重新彈回外側(cè)上板的齒牙內(nèi)，對(duì)內(nèi)板和外側(cè)上板進(jìn)行鎖定。在整個(gè)調(diào)整過(guò)程中，通過(guò)連動(dòng)桿的連接，座椅兩側(cè)的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)會(huì)同步對(duì)靠背角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)角度調(diào)節(jié)范圍有內(nèi)板上的弧形開(kāi)槽確定，位于外側(cè)上板的突出本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15銷(xiāo)，只能在圓弧開(kāi)槽范圍內(nèi)活動(dòng)，即 100176。115176。 小型客車(chē)駕駛員座椅骨架整體結(jié)構(gòu)根據(jù)本章所確定的主要座椅骨架結(jié)構(gòu)，用 CAITIA 機(jī)械裝配模塊，裝配小型客車(chē)駕駛員座椅骨架總成如圖 所示。圖 小型客車(chē)座椅骨架結(jié)構(gòu)總成本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16第 4 章 座椅骨架靜強(qiáng)度分析 汽車(chē)座椅靜強(qiáng)度法規(guī)汽車(chē)作為現(xiàn)代人類(lèi)社會(huì)的交通工具，在給人們帶來(lái)便利和好處的同時(shí)，也給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了災(zāi)難，那就是交通事故。為了確保汽車(chē)的安全，世界各國(guó)都制定了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)，但總的來(lái)說(shuō)，有代表性的汽車(chē)安全技術(shù)法規(guī)有三大體系：美國(guó)、歐洲及日本技術(shù)法規(guī)體系，各個(gè)體系有不同的特點(diǎn)。1)．座椅總成靜強(qiáng)度法規(guī)：美國(guó) FMVSS207 對(duì)座椅總成靜強(qiáng)度規(guī)定，在座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后，施加 20 倍座椅總成質(zhì)量的載荷，座椅應(yīng)能承受以上載荷；在歐洲 ECER17中對(duì)座椅總成靜強(qiáng)度的規(guī)定與之類(lèi)似。我國(guó)的 GB150831994 中對(duì)座椅總成靜強(qiáng)度也作了類(lèi)似規(guī)定，要求在座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后對(duì)其施加 20 倍座椅總成質(zhì)量的載荷，座椅及座椅固定點(diǎn)應(yīng)能承受以上載荷，座椅不得與車(chē)體分離。對(duì)于可調(diào)式座椅，調(diào)節(jié)裝置在試驗(yàn)中應(yīng)能使座椅保持原調(diào)節(jié)位置，在試驗(yàn)后允許失去調(diào)節(jié)功能。法規(guī)規(guī)定加載示意如圖 所示。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）172)．座椅靠背 靜強(qiáng)度法規(guī)：在 FMVSS207 法規(guī)中對(duì)靠背靜強(qiáng)度規(guī)定，對(duì)座椅靠背施加相對(duì)于座椅參考點(diǎn)R 點(diǎn)，大小為 372Nm 的載荷時(shí)，座椅應(yīng)能承受以上載荷。其加載示意圖如 所示。圖 座椅總成靜強(qiáng)度規(guī)定加載我國(guó)也根據(jù)本國(guó)實(shí)際情況，制定了座椅靠背靜強(qiáng)度法規(guī)，在 GB150831994中作了如下規(guī)定，對(duì)座椅靠背施加相對(duì)于座椅參考點(diǎn) R 點(diǎn)，大小為 373Nm 的載荷時(shí)，座椅應(yīng)能承受以上載荷。座椅及座椅固定點(diǎn)應(yīng)能承受以上載荷；鎖止機(jī)構(gòu)不得打開(kāi)；位移及角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不得松脫。用臺(tái)車(chē)進(jìn)行座椅動(dòng)態(tài)碰撞模擬試驗(yàn)時(shí)，其測(cè)量方法、分析方法及精度等都存在很多困難，并且需要投人許多資金用于購(gòu)置試驗(yàn)儀器和設(shè)備。所以，可用靜態(tài)試驗(yàn)代替動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來(lái)對(duì)座椅進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種方法是通過(guò)分析各種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)或事故重現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的座椅有關(guān)部件上產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，把它換算成靜態(tài)負(fù)荷，然后簡(jiǎn)化為座椅的靜態(tài)試驗(yàn)。 進(jìn)行座椅的靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)，必須用規(guī)定的試驗(yàn)裝置對(duì)每個(gè)乘坐位置的座椅背部圖 座椅總成靜強(qiáng)度規(guī)定加載本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18的不同高度施加規(guī)定的試驗(yàn)力，施力方向應(yīng)位于相應(yīng)乘坐位置的垂直中心面內(nèi)水平方向，從座椅后部向前。當(dāng)一只座椅有多于一個(gè)的乘坐位置時(shí)，應(yīng)對(duì)每個(gè)座位同時(shí)施加試驗(yàn)力，并應(yīng)有與座位數(shù)相等的上模板和下模板。 有限元算法在汽車(chē)座椅安全性研究中的應(yīng)用有限元法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分原理和近似分割原理，在有限元法中，實(shí)際物體或連續(xù)介質(zhì)，都用一種簡(jiǎn)單的物理模型——由有限個(gè)單元通過(guò)有限個(gè)點(diǎn)（稱之為節(jié)點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)）相互聯(lián)接而形成的組和體來(lái)表示。因?yàn)樵谶B續(xù)體內(nèi)，場(chǎng)變量（包括位移、應(yīng)力、溫度、壓力、速度等）的實(shí)際變化是未知的，所以，假定在單元內(nèi)部，場(chǎng)變量的變化可以用一種比較簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)逼近，這些近似函數(shù)用場(chǎng)變量在節(jié)點(diǎn)處的值來(lái)插值。假定單元近似函數(shù)之后，就可以建立以節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)變量為未知量的整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)方程，求解這種場(chǎng)方程，便可得到節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)變量值，從而得到問(wèn)題的近似解。1974 年，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）曾召開(kāi)有限元法在汽車(chē)結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)用的學(xué)術(shù)會(huì)議，總結(jié)和交流有限元法在汽車(chē)工程計(jì)算中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。座椅安全性設(shè)計(jì)的研究手段有很多。初期人們?cè)谠囼?yàn)室中利用座椅靜態(tài)特性試驗(yàn)、臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)等方法模擬各種工況，雖然取得了巨大的成功，但是耗資巨大、耗時(shí)較長(zhǎng)以至于每一次修改設(shè)計(jì)的周期都很長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元算法逐漸運(yùn)用到了汽車(chē)座椅安全性的研究中。小型客車(chē)駕駛員座椅骨架屬于空間桿系結(jié)構(gòu)。對(duì)于駕駛員座椅，由于裝有各種調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱的；同時(shí)，汽車(chē)在行駛過(guò)程中，座椅上承受著復(fù)雜的載荷，結(jié)構(gòu)的各個(gè)桿件既受彎曲又受扭轉(zhuǎn)。對(duì)于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元法進(jìn)行力學(xué)分析具有明顯的優(yōu)越性。早期的汽車(chē)座椅骨架大都采用簡(jiǎn)單的鋼管結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計(jì)人員最早采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行強(qiáng)度分析。受硬件設(shè)備與軟件水平的限制，當(dāng)時(shí)的座椅有限元模型都比較簡(jiǎn)單，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少。隨著座椅結(jié)構(gòu)形式的不斷變化，單純用梁?jiǎn)卧巡蛔阋跃_地描述座椅骨架的結(jié)構(gòu)，于是，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實(shí)體單元等。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的高速圖形工作站和多種大型通用有限元分析軟件，使詳細(xì)準(zhǔn)確地描述座椅結(jié)構(gòu)成為可能。隨著人們對(duì)安全性要求的不斷提高，沖擊載荷作用下座椅的強(qiáng)度問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。碰撞試驗(yàn)是進(jìn)行座椅安全性研究最早采用的方法，但是碰撞試驗(yàn)費(fèi)用的昂貴和耗費(fèi)時(shí)間，使每一次修改設(shè)計(jì)的周期變得很長(zhǎng)。于是，人們轉(zhuǎn)向另外一條研究座椅安全性的途徑模擬計(jì)算方法，隨著計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的應(yīng)用和發(fā)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19展，它的優(yōu)點(diǎn)逐漸展現(xiàn)出來(lái)。例如在方案設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)座椅的沖擊強(qiáng)度特性有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，避免低劣的方案投入設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；計(jì)算所得的詳細(xì)數(shù)據(jù)，可以反映出每一細(xì)微部分的變形過(guò)程，為設(shè)計(jì)人員提供更詳細(xì)的資料，這是碰撞試驗(yàn)無(wú)法做到的。一汽輕型車(chē)廠與吉林大學(xué)汽車(chē)學(xué)院合作進(jìn)行的輕型車(chē)改型工作也獲得了巨大的成功。另外，國(guó)內(nèi)其它小型客車(chē)制造廠，也都開(kāi)展了這方面的工作。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20 對(duì)座椅底座骨架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析 建立底座骨架模型并指定材料1).建立底座骨架模型通過(guò) CATIA 軟件機(jī)械設(shè)計(jì)中的零件設(shè)計(jì)和裝配模塊，組建座椅底座骨架的簡(jiǎn)易模型。其中，座椅底座骨架的兩側(cè)側(cè)板和中間板均為厚度是 10mm 的沖壓板。如圖 所示。圖 底座骨架簡(jiǎn)易模型2).加載底座骨架的材料通過(guò) CATIA 的材料加載功能，加載底座骨架所定義的材料，如圖 所示。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21圖 加載底座材料 進(jìn)入 CATIA 工程分析模塊并劃分網(wǎng)格1).進(jìn)入 CATIA 工程分析模塊選擇菜單 Analysis amp。 Simulation 中的Generative Structural Analysis 彈出圖 所示新的分析實(shí)例對(duì)話框。在對(duì)話框中選擇靜態(tài)分析（Static Analyses） ，單擊 OK 按鈕。2).網(wǎng)格劃分單元?jiǎng)澐质怯邢拊治龅牡谝豁?xiàng)重要工作。進(jìn)入 GPS（創(chuàng)成式零件結(jié)構(gòu)分析 Generative Part Structural Analysis）平臺(tái)后，CATIA 就已經(jīng)自動(dòng)定義了網(wǎng)格和屬性，且數(shù)量和集合體尺寸對(duì)應(yīng)。座椅靠背骨架均為殼體結(jié)構(gòu)，須把模型當(dāng)作薄殼模型來(lái)處理。給曲面模型定義三角形單元。 在靠背骨架上定義約束1).位置約束由于分析的前提是假設(shè)除了底座部分的座椅骨架部件都為滿足法規(guī)要求的理想情況，進(jìn)而對(duì)底座骨架的兩側(cè)側(cè)板和中間板進(jìn)行有限元建模與靜強(qiáng)度分析。因此，需要在座椅底座骨架兩側(cè)板的下端邊緣對(duì)座椅底座骨架施加夾緊約束，該約束施加于形體表面或邊界，使其上的所有節(jié)點(diǎn)的位置固定不變（三個(gè)平移自由度全部約束） 。如圖 所示。圖 定義約束圖 新的分析實(shí)例對(duì)話框本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22 在底座骨架上施加載荷我國(guó)的 GB150831994 中對(duì)座椅總成靜強(qiáng)度作了規(guī)定，要求在座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后對(duì)其施加 20 倍座椅總成質(zhì)量的載荷，座椅及座椅固定點(diǎn)應(yīng)能承受以上載荷，座椅不得與車(chē)體分離。對(duì)于可調(diào)式座椅，調(diào)節(jié)裝置在試驗(yàn)中應(yīng)能使座椅保持原調(diào)節(jié)位置，在試驗(yàn)后允許失去調(diào)節(jié)功能。如圖 所示。圖 施加載荷 計(jì)算求解完成前期處理后，就可以進(jìn)行求解計(jì)算，通過(guò) CATIA 默認(rèn)途徑計(jì)算后，可以得到相應(yīng)分析案例的結(jié)果圖形，如顯示應(yīng)力學(xué)分析結(jié)果的變形或者模態(tài)分析對(duì)應(yīng)的模態(tài)變形圖（顯示自動(dòng)劃分的網(wǎng)格） 、用于顯示米塞斯等效應(yīng)力云圖和位移顯示圖等。1).節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格靠背骨架靜力計(jì)算分析后，顯示應(yīng)力學(xué)分析結(jié)果的變形或者模態(tài)分析對(duì)應(yīng)的模態(tài)變形圖（顯示劃分的網(wǎng)格）如圖 所示。計(jì)算生成的報(bào)告顯示共劃分 4582個(gè)節(jié)點(diǎn)。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23圖4 圖 顯示劃分的網(wǎng)格2).米塞斯等效應(yīng)力云圖用于評(píng)價(jià)應(yīng)力分布情況，從下到上，表示應(yīng)