【文章內(nèi)容簡介】 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10第 3 章 小型客車座椅的骨架結(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)受汽車啟動、停止等重復(fù)動作和沖撞事故的沖擊，屬于汽車整車強(qiáng)制認(rèn)證檢測項(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豪華車上，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：底座骨架通過調(diào)角器與靠背連接，靠背受到的載荷通過調(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)動時(shí)，連接桿 1 會沿調(diào)整螺桿軸向移動，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通過座椅側(cè)板結(jié)構(gòu)中的前后兩個(gè)桿，帶動另一側(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)動時(shí)，連動桿同時(shí)隨著轉(zhuǎn)動，連接在連動桿上的板簧會逐漸卷縮，而帶動鎖止機(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)操作者對靠背施以向后的力或者依靠板簧的恢復(fù)力，就可以對靠背的角度進(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)操縱桿會回到初始位置，而所以機(jī)構(gòu)也會重新彈回外側(cè)上板的齒牙內(nèi)，對內(nèi)板和外側(cè)上板進(jìn)行鎖定。在整個(gè)調(diào)整過程中，通過連動桿的連接，座椅兩側(cè)的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)會同步對靠背角度進(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，只能在圓弧開槽范圍內(nèi)活動，即 100176。115176。 小型客車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，裝配小型客車駕駛員座椅骨架總成如圖 所示。圖 小型客車座椅骨架結(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 汽車座椅靜強(qiáng)度法規(guī)汽車作為現(xiàn)代人類社會的交通工具，在給人們帶來便利和好處的同時(shí)，也給人類社會帶來了災(zāi)難，那就是交通事故。為了確保汽車的安全，世界各國都制定了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)，但總的來說，有代表性的汽車安全技術(shù)法規(guī)有三大體系：美國、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 FMVSS207 對座椅總成靜強(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中對座椅總成靜強(qiáng)度的規(guī)定與之類似。我國的 GB150831994 中對座椅總成靜強(qiáng)度也作了類似規(guī)定，要求在座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后對其施加 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，座椅不得與車體分離。對于可調(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)中對靠背靜強(qiáng)度規(guī)定，對座椅靠背施加相對于座椅參考點(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)定加載我國也根據(jù)本國實(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，對座椅靠背施加相對于座椅參考點(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；位移及角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不得松脫。用臺車進(jìn)行座椅動態(tài)碰撞模擬試驗(yàn)時(shí)，其測量方法、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置試驗(yàn)儀器和設(shè)備。所以，可用靜態(tài)試驗(yàn)代替動態(tài)試驗(yàn)來對座椅進(jìn)行評價(jià)，這種方法是通過分析各種動態(tài)試驗(yàn)或事故重現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)測得的座椅有關(guān)部件上產(chǎn)生的動態(tài)負(fù)荷，把它換算成靜態(tài)負(fù)荷，然后簡化為座椅的靜態(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)，都用一種簡單的物理模型——由有限個(gè)單元通過有限個(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表示。因?yàn)樵谶B續(xù)體內(nèi)，場變量（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，場變量的變化可以用一種比較簡單的函數(shù)來逼近，這些近似函數(shù)用場變量在節(jié)點(diǎn)處的值來插值。假定單元近似函數(shù)之后，就可以建立以節(jié)點(diǎn)的場變量為未知量的整個(gè)連續(xù)體的場方程，求解這種場方程，便可得到節(jié)點(diǎn)的場變量值，從而得到問題的近似解。1974 年，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）曾召開有限元法在汽車結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)用的學(xué)術(shù)會議，總結(jié)和交流有限元法在汽車工程計(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。初期人們在試驗(yàn)室中利用座椅靜態(tài)特性試驗(yàn)、臺車碰撞試驗(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)較長以至于每一次修改設(shè)計(jì)的周期都很長。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)用到了汽車座椅安全性的研究中。小型客車駕駛員座椅骨架屬于空間桿系結(jié)構(gòu)。對于駕駛員座椅，由于裝有各種調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是非對稱的；同時(shí)，汽車在行駛過程中，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。早期的汽車座椅骨架大都采用簡單的鋼管結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計(jì)人員最早采用空間梁單元進(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，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結(jié)構(gòu)，于是，設(shè)計(jì)人員越來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。隨著人們對安全性要求的不斷提高，沖擊載荷作用下座椅的強(qiáng)度問題越來越受到人們的重視。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。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。例如在方案設(shè)計(jì)階段就可以對座椅的沖擊強(qiáng)度特性有一個(gè)基本的認(rèn)識，避免低劣的方案投入設(shè)計(jì)和開發(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)無法做到的。一汽輕型車廠與吉林大學(xué)汽車學(xué)院合作進(jìn)行的輕型車改型工作也獲得了巨大的成功。另外，國內(nèi)其它小型客車制造廠，也都開展了這方面的工作。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20 對座椅底座骨架進(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 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 底座骨架簡易模型2).加載底座骨架的材料通過 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)例對話框。在對話框中選擇靜態(tài)分析（Static Analyses） ，單擊 OK 按鈕。2).網(wǎng)格劃分單元劃分是有限元分析的第一項(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）平臺后，CATIA 就已經(jīng)自動定義了網(wǎng)格和屬性，且數(shù)量和集合體尺寸對應(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的 GB150831994 中對座椅總成靜強(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，座椅不得與車體分離。對于可調(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 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)分析對應(yīng)的模態(tài)變形圖（顯示自動劃分的網(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)力云圖用于評價(jià)應(yīng)力分布情況，從下到上，表示應(yīng)