威馳轎車駕駛員座椅設計【汽車座椅】

威馳轎車駕駛員座椅設計【汽車座椅】,汽車座椅,轎車,駕駛員座椅,設計 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………………………………I ABSARST II 第1章 緒論 1 1.1 概述 1 1.2汽車座椅的研究內容和設計要求 1 1.2.1研究內容 1 1.2.2 轎車座椅的設計要求 1 1.3 汽車座椅的作用和功用 2 1.3.1 汽車座椅的作用 2 1.3.2 汽車座椅的舒適性 2 1.3.3 汽車座椅的安全性 3 1.4本章小結 4 第2章 汽車座椅的人機工程設計 5 2.1座椅的人機工程學要求 5 2.2座椅的結構參數(shù) 5 2.3人體模板在車輛座椅設計中的應用 5 2.4座椅布置 6 2.5人體壓力在座椅上的分布 6 2.6座椅的靜態(tài)舒適性設計 6 2.7座椅的動態(tài)舒適性設計 7 2.8本章小結 7 第3章 駕駛員座椅的結構設計 8 3.1 汽車座椅的結構和分類 8 3.2 汽車座椅的主要部件設計 9 3.2.1 靠背與座墊設計 9 3.2.2 頭枕設計 9 3.2.3 座椅調節(jié)機構設計 10 3.3 本章小結 13 第4章 座椅部件設計 14 4.1 板簧的設計 14 4.2高度調節(jié)支撐桿的工藝過程設計 14 4.3 銷的工藝過程設計 15 4.4 齒板與調角器手柄的設計 15 4.5 滑軌的設計 16 4.6本章小結 18 第5章 座椅骨架的強度校核 19 5.1 有限元算法在汽車座椅安全性研究中的應用 19 5.2 轎車座椅的強度要求 19 5.2.1 座椅的靜強度 20 5.2.2 座椅的沖擊強度 20 5.2.3 座椅的疲勞強度 21 5.3 確定需要分析的部件 21 5.3.1 結果分析 25 結 論 27 參考文獻 28 致 謝 30 附 錄 31 II 摘 要 隨著汽車保有量的增加，汽車的舒適性和安全性越來越受到人們的重視。然而座椅作為直接與人體接觸的部件，其重要性自然不言而喻。關于座椅的安全性分析，其理論和方法都得到了廣泛的認可。與此同時，在滿足安全性的前提下，如何提高汽車座椅的舒適性并盡可能的減輕質量，也越來越引起業(yè)界的關注。 本設計主要針威馳轎車駕駛員座椅在設計中存在的一些不足進行了優(yōu)化。同時參照威馳轎車駕駛員座椅實際尺寸進行改裝設計，加裝了座椅的升降裝置以滿足舒適性的要求。運用Ansys軟件分析座椅骨架的靜態(tài)特性。 最后通過強度校核以及實際生產(chǎn)中該座椅存在的一些問題，對靠背和座墊骨架進行了改進，使其工藝更為簡單。 關鍵詞：轎車；駕駛員座椅；靜態(tài)特性；舒適性；安全性 ABSTRACT With the increasing of cars, the comfort and safety of cars are taken seriously increasingly. However, the seat is contact with human body parts directly, whose importance is of natural self-evident. Moving on the seat of the safety analysis, the theories and methods have been widely recognized. At the same time, under the premise of security, how to improve the car seat and the economy as much as possible has been drawn more and more attention of the industry . The design of the main drivers for the domestic middle seat in the design of cars that exist in a number of shortcomings were optimized. At the same time, according to the actual software and hardware conditions, I dismantled a seat entity. To a certain basis of simulation analysis, inquire about relevant information and standards, parameters of the dynamic and static characteristics are optimized At last, through strength check, a number of problems are considered in the seat actual production. Backrest and cushion framework are improved to process with more simple and a better economy. Key words: Car；Driver Seat；Static Characteristic；Dynamic Characteristis； Amenity ；Safety 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 第1章 緒 論 1.1 概述 汽車座椅屬于汽車的基本裝置，是汽車的重要安全部件。在汽車中，它將人體和車身聯(lián)系在一起，直接關系到乘員的駕乘舒適性和安全性。1886年德國人戴姆勒制成了最早的汽車座椅，其座墊是以棉花等軟填料作為芯子，靠背是用木板和木條圍成。一百多年來，隨著汽車的發(fā)展和人們要求的不斷提高，汽車座椅已不是單純滿足乘坐和美觀需要的車身部件，而是關系到汽車的駕乘舒適性和安全性，集人機工程學、機械振動、控制工程等為一體的系統(tǒng)工程產(chǎn)品。 1.2汽車座椅的研究內容和設計要求 1.2.1研究內容 本課題的主要任務是根據(jù)駕駛員的安全性、舒適性與座椅的靜態(tài)特性分析，對轎車的駕駛員座椅進行結構設計，運用繪圖軟件繪制出駕駛員座椅的三維實體造型。通過查閱相關資料，對汽車座椅相關知識有了較深入的理解，并掌握了汽車座椅的設計思路；了解并掌握了駕駛員座椅的靠背骨架總成結構與座墊骨架總成結構，根據(jù)人機工程學原理，結合駕駛員的安全性與舒適性，確定了汽車座椅的結構尺寸；學習三維制圖軟件，并繪制所設計座椅的三維實體造型；應用有限元分析軟件，結合國內和國際標準，對所設計的轎車座椅靠背部分進行靜強度受力分析。 本課題的內容可以歸納為以下幾個方面： ⑴在閱讀大量文獻的基礎上，要求對汽車座椅材料有全面的了解； ⑵結合國家相關設計標準，對座椅各方面的性能、參數(shù)進行研究與分析； ⑶對轎車座椅骨架總成進行設計； ⑷繪制汽車座椅骨架的三維實體模型； ⑸參考我國和國際對座椅系統(tǒng)強度的法規(guī)要求，座椅骨架靠背部分結構的 靜態(tài)強度進行分析； ⑹全文總結。 1.2.2 轎車座椅的設計要求 作為人和汽車之間聯(lián)接部件，對其性能要求越來越高，轎車座椅設計應滿足 以下各點： ⑴安全——座椅是支撐和保護人體的構件，必須十分安全可靠，應具有充分 的強度、剛度與耐久性。對可調的座椅，要有可靠的鎖止機構，以保證安全。設 計的座椅應滿足國家標準和法規(guī)（形狀、尺寸、強度等）的要求。 ⑵操縱方便——設計的座椅還需操縱方便，調整手柄和按鈕的布置必須在駕乘者伸手可及的位置，并符合常人的習慣且操縱力量適中，便于駕乘者對座椅的前后上下、靠背的傾斜角度、頭枕的前后上下等進行調節(jié)。 ⑶乘坐舒適——按人機工程學的要求，座椅必須具有良好的靜態(tài)與動態(tài)舒適性。外形必須符合人機生理功能，而且在不影響舒適性的前提下，力求美觀大方。 ⑷結構成本——座椅設計應采用最經(jīng)濟的結構，盡可能地減少質量。 1.3 汽車座椅的作用和功用 1.3.1 汽車座椅的作用 汽車座椅的類型：根據(jù)結構、用途及駕乘人員的不同，汽車座椅分為固定座椅和旋轉座椅、可調節(jié)座椅和不可調節(jié)座椅、可翻轉座椅和不可翻轉座椅、帶減振的懸架座椅和不帶減振的汽車座椅以及專用汽車座椅等。其中，懸架座椅又可分機械懸架座椅和空氣懸架座椅，可調節(jié)座犄又分為機械調節(jié)座椅、氣動調節(jié)座椅和電動調節(jié)座椅等。 在現(xiàn)代汽車中，座椅的主要作用是： （1）為人體提供良好的支撐。座椅通過對人體提供合理的體壓分布，可以有效的保證人體在車輛行駛過程中的平衡與平穩(wěn)。 （2）駕駛員的定位系統(tǒng)。通過座椅對駕駛員的定位，可以使駕駛員獲得良好的視野，并實現(xiàn)駕駛員對汽車操縱系統(tǒng)的控制。 （3）為乘員提供舒適的駕乘環(huán)境。座椅中各種人性化的附屬設備以及豪華配置，能為乘員提供優(yōu)越的駕乘環(huán)境。 （4）在汽車受到撞擊時最大限度的保護乘員的安全。合理的配置頭枕和靠背的軟墊，防止駕駛員或乘員的頸部以及頭部在汽車發(fā)生碰撞時受到意外傷害。 簡而言之，汽車座椅的功能為：在規(guī)定的條件下，能夠為駕駛員和乘員提供舒適的位置并保證乘員的安全。 1.3.2 汽車座椅的舒適性 座椅設計的基本原則，汽車座椅設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，它涉及機械、化工、紡織、噴涂、熱處理、美學、力學、人體工程學等多門學科，設計時應依據(jù)人體工程學原理綜合考慮座椅的舒適性、減振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，還要考慮人體生理特征及尺寸，進行量身定做，以提高座椅的乘坐舒適性。 汽車乘坐的舒適性包括靜態(tài)舒適性，動態(tài)舒適性（又稱作振動舒適性）以及操作舒適性三方面內容。座椅的靜態(tài)舒適性是指座椅在靜止狀態(tài)下提供給人體的舒適特性，主要與座椅尺寸參數(shù)、表面質量、調節(jié)特性等有關；動態(tài)舒適性是指汽車在運動狀態(tài)下通過座椅骨架以及軟墊將振動傳遞到人體的舒適特性；操作舒適性是駕駛員和乘員在車內正常活動（如操縱方向盤）的舒適程度，主要與座椅和車內其他部件的布置有關。 1、汽車座椅的靜態(tài)舒適性 設計時首先要絕對保證駕乘者的安全，這就要求座椅要有足夠的強度，在發(fā)生碰撞時，座椅不會或可以減輕對乘坐者造成傷害，并能起到一定的保護作用。 座椅靜態(tài)舒適性是人體工程學在座椅設計中的具體應用，它通過人體舒適坐姿、合理的體壓分布、人體測量的基本數(shù)據(jù)和視覺美學等使座椅的設計滿足人的生理和心理要求，為乘員提供舒適、安全的駕駛和乘車條件。 2、汽車座椅的動態(tài)舒適性 設計的座椅必須能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然彎曲，保證合理的體壓分布并使其肌肉松弛，上體通向大腿的血管不受壓迫，血液循環(huán)正常；并具有腰椎依托感、腰背部貼和感和側向穩(wěn)定感。能有效隔離或衰減路面不平產(chǎn)生的振動，滿足大多數(shù)駕乘者坐姿舒適性的要求。 汽車座椅的動態(tài)舒適性與座椅以及人體的振動特性密切相關。來自路面的振動（或激勵）通過輪胎、汽車懸架和座椅三個減振環(huán)節(jié)傳遞到人體，每一部分的傳遞特性都影響到乘員的舒適程度。研究表明：座椅動態(tài)參數(shù)的改變對汽車其它使用性能沒有影響，而且制造方便易行，周期短、見效快。因此，研究和改善座椅動態(tài)性能，對提高駕乘舒適性有著十分重要的意義。 3、汽車座椅的操作舒適性 設計的座椅還需操縱方便，調整手柄和按鈕的布置必須在駕乘者伸手可及的位置，并符合常人的習慣且操縱力量適中。座椅的操作舒適性主要包括以下兩方面：一方面，就座椅的各種調節(jié)裝置而言，應該是使操作更容易實現(xiàn)，并且更容易達到；另一方面，在保證靜態(tài)舒適性的前提下，為駕駛員提供更為廣闊的操作空間，也將成為座椅操作舒適性研究的主要方向。 1.3.3 汽車座椅的安全性 汽車座椅的安全性是指座椅能有效的防止事故的發(fā)生，并在事故發(fā)生時有效的減輕駕駛員及乘員所受傷害的能力。根據(jù)座椅在碰撞事故發(fā)生時和發(fā)生后對減輕乘員傷害程度的不同作用，可以將座椅的安全性分為主動安全性和被動安全性兩個方面。 1、汽車座椅的主動安全性 座椅的主動安全性是指座椅能夠有效地防止事故發(fā)生的能力。座椅系統(tǒng)的設計與駕駛員視野、駕駛員定位以及其它汽車控制系統(tǒng)功能的更好發(fā)揮息息相關，這些系統(tǒng)之間配合的好壞也不同程度的影響座椅的主動安全性。另外，應當指出的是，座椅的舒適性與主動安全性有關，舒適的座椅可以為駕駛員提供一個良好的工作環(huán)境，使其心情愉快、精力集中，從而有效地防止交通事故的發(fā)生，提高汽車的主動安全性。 2、汽車座椅的被動安全性 座椅的被動安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠對車內乘員進行保護，避免發(fā)生傷害或使傷害降低至最低程度的性能。一個好的汽車座椅要能夠減輕駕駛員及乘員的疲勞來滿足主動安全性要求，更要有足夠高的結構強度和剛度，以便與安全帶和安全氣囊一起對乘員定位的同時緩解碰撞的強度，力圖使乘員的損傷指標達到最小。 在各種事故中，座椅作為減少損傷的安全部件起著重要的保護作用。首先，在事故中它要保證乘員處在自身的生存空間之內，并防止其它車載體（如其它乘員、貨物等）進入到這個空間。其次，要使乘員在事故發(fā)生過程中保持一定的姿態(tài)，以保證其它的約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮其保護效能。 1.4本章小結 本設計力求在駕駛員座椅傳統(tǒng)設計的基礎上，在滿足上述座椅作用和功能的前提下，對座椅材料和結構加以改進，以達到減輕座椅質量，降低座椅生產(chǎn)成本的目標。 第2章 汽車座椅的人機工程設計 2.1座椅的人機工程學要求 1)各部貼合感：要求座椅靠背和坐墊的形狀與人體背部、臀部及大腿底面的形狀相貼合。貼合感強的座椅將有利于改進接觸面積和部位。 2)橫向穩(wěn)定性：汽車轉彎時，人體承受橫向加速度，為了提高乘員的身體保持性，要求座椅的側面稍加高，以便兩跨和大腿部能輕輕支承身體。 3)背部和腰部的合理支承：汽車座椅設計時應提供形狀和位置適宜的兩點支承，第一支承位于人體第5—6胸椎之間的高度上，作為肩靠能減輕頸曲變形；第二支承設置在腰曲部位，作為腰靠，能保證乘坐姿勢下近似于正常的腰曲弧線。 4)各部合適的軟硬感：座椅最重要的作用是支撐乘員的身體，不能只是一把安樂椅，表面硬一些的座椅不易使人疲勞，但與身體不是特別貼合的硬座椅會壓迫身體的某一部分，使疲勞感倍增。 5)振動舒適性：需要設計好座椅的靜態(tài)剛度、共振頻率及衰減特性。 2.2座椅的結構參數(shù) 汽車座椅的舒適性通常包括震動舒適性、坐姿舒適性和操作舒適性。震動舒適性一般不能只靠尺寸參數(shù)來保證，而駕駛席的坐姿舒適性和操作舒適性以及乘員席的坐姿舒適性則通過座椅的結構和尺寸參數(shù)得到相應程度的保證。座椅的尺寸結構參數(shù)可參考駕駛或乘坐姿勢下人體尺寸的測量值加以確定。 2.3人體模板在車輛座椅設計中的應用 利用人體模板考察車輛室內主要人機工程學設計參數(shù)，用以了解和評價汽車的人機工程設計。以人體參數(shù)為基礎建立的人體模型是描述人體形態(tài)特征和力學特征的有效工具，是對人及系統(tǒng)進行考察研究、分析評價、實驗設計不可缺少的重要輔助手段。根據(jù)人體測量數(shù)據(jù)進行處理和選擇而得到的標準人體尺寸來制作的。將人體模板置于1-"l模型或樣車的作業(yè)空間內，或將二維人體模型置于設計圖紙的相關位置，可用于校核設計的可行性和合理性。結合精確的人體模板中各種主要的人體參數(shù)。按照一定的經(jīng)驗理論，考察汽車室內主要人機工程學設計參數(shù)。根據(jù)人體模板的標準參數(shù)，包括人體靜態(tài)尺寸(主要是坐寸)、功能尺寸(坐姿活動范圍尺寸)、作業(yè)尺寸(主要是手部、腳部的力學參數(shù))等，確定相應的汽車車廂空間、座椅位置、轉向盤、操控臺、扶手等的設計參數(shù)。具體分類上主要是人體的舒適性設計參數(shù)(座椅、室內空間等)，操作性設計參數(shù)(方向盤、控制臺、扶手、腳踏板等)以及安全性設計參數(shù)等。 2.4座椅布置 根據(jù)人體的舒適坐姿和汽車設計對人體的布置要求，對座椅進行布置并確定座椅與操縱裝置的相對位置；按舒適坐姿選擇座椅的座面高度、座寬、座深、座面傾角、靠背的高、靠背與座面夾角；按汽車中利用人體樣板進行人體布置的原則，來確定座椅與操縱裝置的相對位置，確定出座椅與方向盤和加速踏板的相對位置，同時確定座椅的水平調節(jié)量和垂直調節(jié)量。 2.5人體壓力在座椅上的分布 人體與座椅之間的壓力分布稱為坐姿的體壓分布，坐姿的體壓分布是影響乘坐舒適性的重要因素。人就坐時，身體重量的大部分(約80％)經(jīng)過臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉壓在座椅面上。座椅各部位的受力分布如圖2.1。 圖2.1人體壓力分布圖 2.6座椅的靜態(tài)舒適性設計 座椅的靜態(tài)舒適性設計須考慮的因素很多，可以概括為以下基本原則： 座椅的尺度必須參照人體測量學數(shù)據(jù)確定； 座椅可適當調節(jié)，以滿足坐姿變換； 座椅所使用的材料應適應人體的舒適性； 座椅的位置要與其作業(yè)空間相協(xié)調，便于人員作業(yè)。 由坐姿生物力學分析，最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使上體略向上后傾斜，保持上體和大腿間角在90°~115°。同時，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳掌間也應達到一定角度。另外，根據(jù)駕駛室的微氣候環(huán)境，調整座椅表面的溫濕度特性，可以適當調節(jié)人體代謝，達到減輕疲勞的目的。 2.7座椅的動態(tài)舒適性設計 駕駛員座椅動態(tài)舒適性主要與震動特性有關。對于有懸架的座椅系統(tǒng)，影響其動態(tài)特性因素有：座墊的剛度和阻尼系數(shù)，懸掛系統(tǒng)的質量、剛度和阻尼系數(shù)以及座椅系統(tǒng)連接件的摩擦；對于非懸架座椅系統(tǒng)主要考慮座墊的剛度、阻尼以及座椅鋼架結構的動態(tài)性能。剛度決定座椅的共振頻率，二阻尼系數(shù)決定座椅的振動衰減特性。雖然座椅系統(tǒng)的質量和結構連接件的摩擦會影響整個座椅系統(tǒng)的動態(tài)性能，但由于質量和摩擦受其他因素限制而不會變化太大，所以剛度參數(shù)和阻尼系數(shù)就成了影響整個座椅系統(tǒng)動態(tài)性能的主要因素。影響駕駛疲勞的震動主要是行駛中因道路凹凸不平而引起車輛書記振動和車輛本身的機械振動。駕駛員受到縱向、橫向及垂直方向的直線振動，以及繞著3個方向的角振動。其中垂直振動和繞縱、橫坐標軸的角振動對人體的影響較大。振動通過座椅傳遞到人體的臀部、后背部而引起全身性振動。因此，在設計汽車座椅時應盡量隔離人體敏感的振動。在座椅設計中可采取如下措施：減小座椅共振頻率，降低對人體最有影響的高頻區(qū)；降低共振時的振動傳遞率；降低乘員10 Hz附近的振動傳遞率，以減輕彈簧以下的共振的影響和減少來自座椅靠背的高頻振動；把路面一輪胎、懸架、座椅一人三者看作一個整體大動力學系統(tǒng)，尋求在各種路面隨機輸入情況下使乘員不易疲勞的最優(yōu)結構。另外，對于座椅的動態(tài)特性按照傳入人體的能量最小、使人體在感頻率區(qū)域動態(tài)響應最小、傳給人體的加速度均方根值最小等目標進行優(yōu)化，與汽車的其他減振系統(tǒng)相匹配，使人體處于更合適的振動環(huán)境，這些都是減輕駕駛疲勞的重要措施。 2.8本章小結 人機工程學應用于汽車座椅設計，能使座椅符合人體需求，從而保證乘坐和駕駛的舒適性和行車安全性。能提高人車接口的設計水平。隨著數(shù)字化設計應用的不斷深入，人機工程應用在汽車設計中的方法也更加精確，人機工程學將更注重人的信息處理能力，更注重人一機環(huán)境的完整研究，并運用系統(tǒng)論、信息論等新興科學來研究這個新的系統(tǒng)，以創(chuàng)造出更適合于人類使用的汽車，使人機系統(tǒng)的綜合效能達到最佳水平。 第3章 駕駛員座椅的結構設計 3.1 汽車座椅的結構和分類 汽車座椅一般由座墊、調節(jié)裝置、靠背、頭枕和座椅連接件組成，設計原則的依據(jù)是：座墊、靠背的造形和曲線應與人體放松狀態(tài)下的背部曲線和臀部曲線相吻合，能支撐到腰椎部位，不會因血液循環(huán)不良而引起肢體麻木，長時間乘坐不易感到疲勞；骨架及各機構應能滿足強度(安全)要求和使用要求，通過對座椅的前后上下、靠背的傾斜角度、頭枕前后上下等位置的有限調節(jié)，使大部分人處于舒適狀態(tài)。 如下圖3.1所示。 圖3.1 汽車座椅結構示意圖 汽車座椅骨架是汽車座椅的基礎結構，可分為靠背骨架和座墊骨架兩部分。座椅骨架常用軋制型材（鋼管、型鋼）制成或用鋼板沖壓焊接而成，并用螺釘直接固定或通過座椅調節(jié)機構固定在車身上。座椅行程調節(jié)裝置、靠背角度調節(jié)裝置、限位裝置等是與座椅相關的一些機械裝置。其中座椅行程調節(jié)裝置是安裝在座墊骨架和地板之間，調節(jié)座椅與地板的前后和上下位置的機械裝置?？勘辰嵌日{節(jié)裝置安裝在座墊骨架和靠背骨架之間，是用來調節(jié)座椅靠背角度的機械裝置。 座椅的分類方法很多，按功用可分為：駕駛員座椅、乘員座椅、兒童安全座椅；按性能可分為：固定式、可拆式、調節(jié)式；按形狀可分為：分離式、半分離式、長凳式；按乘坐人數(shù)可分為：單人、雙人、多人等。 近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，許多具有特殊功能的座椅陸續(xù)面市，如冷熱可調式座椅、防下滑式座椅、帶按摩功能的座椅、帶電子記憶調節(jié)裝置的座椅、空氣懸掛式座椅等等，極大提高了駕乘舒適性和安全性。 3.2 汽車座椅的主要部件設計 座椅部件主要包括座墊、靠背、頭枕、骨架、蒙皮、減振機構、調整機構等。設計原則的依據(jù)是：座墊、靠背的造形和曲線應與人體放松狀態(tài)下的背部曲線和臀部曲線相吻合，能支撐到腰椎部位，不會因血液循環(huán)不良而引起肢體麻木，長時間乘坐不易感到疲勞；骨架及各機構應能滿足強度(安全)要求和使用要求，通過對座椅的前后上下、靠背的傾斜角度、頭枕前后上下等位置的有限調節(jié)，使大部分人處于舒適狀態(tài)。 3.2.1 靠背與座墊設計 靠背的設計主要指強度設計和造型設計，設計時應使靠背的高度、形狀符合人體曲線，使背部肌肉處于放松狀態(tài)，并能給背部、肩部有效可靠的支撐，使駕駛員保持穩(wěn)定的坐姿，還要有足夠的側背支撐，從而避免高速轉彎時的橫向滑動。設計時，靠背的高度和寬度一般分別為600 mm 和480 mm。不同的靠背傾角會導致不同的椎間盤內壓力及背部肌肉負荷。當靠背傾角超過110°時，椎間盤壓力顯著減小，所以設計時應考慮合理的靠背傾角。為了提高舒適性，滿足司乘人員在休息時的需求，靠背傾角應為可調式，并且調整范圍盡可能大。一般載重汽車為100°～115°，大客車為95°～135°，轎車為80°～170°。本設計靠背高度為600 mm,寬度為480 mm,靠背調節(jié)角度為80°～160°。 座墊設計主要是座墊深度和坐墊傾角的確定。座墊深度的設計原則是在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理支撐。人體在坐姿狀態(tài)下，坐骨與小腿足部構成穩(wěn)定的人體支撐。座墊深度過大時，造成人體軀干相對前移，腰部得不到良好的支撐，引起疲勞；座墊深度過小時，會因大腿得不到良好的支撐而感到不舒適：因此，座墊的深度應按臀部至大腿表面全長的3/4 設計，一般取400～480 mm 。座墊的傾角應兼顧安全性和舒適性，一般為2°～10°。本設計中座墊深度取450 mm,座墊傾角取5°。 3.2.2 頭枕設計 頭枕是為提高汽車乘坐舒適性和安全性而設置的一種輔助裝置。頭枕的主要作用是保障安全，一旦汽車發(fā)生追尾碰撞，頸椎會承受到很大的加速度而容易傷害。有了頭枕的承托，可以減少頭部自由移動的空間，降低對頸椎的沖擊力，起到避免或減輕乘員頸部受傷的作用。按照國家標準，汽車座椅頭枕屬汽車整車強制認證檢測項目之一，汽車前排座椅應裝有頭枕。本設計中頭枕的結構如圖3.2 1.頭枕靠面總成 2.豎梁 3.導向套 4.卡簧 5.橫梁 圖3.2 頭枕結構簡圖 具體尺寸如表3.3 表3.3 座椅頭枕基本尺寸 名稱 參數(shù)值 頭枕豎梁直徑D1/mm 12 頭枕豎梁上半部分長度L1/mm 155 頭枕豎梁上、下部分的夾角α/(?。) 134 頭枕靠面的寬度W1/mm 180 頭枕橫梁直徑D2/mm 7 頭枕橫梁下半部長度L2/mm 118 頭枕靠面厚度Th/mm 1.5 3.2.3 座椅調節(jié)機構設計 調節(jié)機構主要包括座椅高度調整機構、前后位移調整機構(即座椅滑道)、靠背仰角調整機構(即調角器)等。 （1）高度調整機構 高度調整機構是調整座椅在車廂內垂直位置上下移動的機構，有機械調整機構、可控空氣彈簧調整機構、氣動調整機構和電動調整機構等。高度調整的范圍應根據(jù)人機工程學原理，以能滿足大部分人群的使用要求為目標進行確定，一般調整范圍為0～100 mm 。 高度調節(jié)機構主要由一套鉸接桿件和調整螺桿組成，當高度調節(jié)機構下端和上端分別固定在底座側板與軌道上時，鉸接的桿件便與底座側板、軌道呵調整螺桿組成了上下兩個等腰梯形，具有穩(wěn)定的整體性，防止其自由變形。如圖3.4 圖3.4高度調節(jié)示意圖 其中，鉸接桿件 2 與調整螺桿連接部分為光滑通孔，與調整螺桿無螺 紋一端相接合，在調整螺桿有螺紋部分與連接桿件 2 的接觸處，焊有有固定螺母，將鉸接桿件 2 固定在調整螺桿有螺紋處和無螺紋處的中間，限制其沿調整螺桿軸向的自由度。鉸接桿件 1 與調整螺桿連接部分為內螺紋結構，與調整螺桿的外螺紋相連接，當調整螺桿轉動時，鉸接 桿件1會沿調整螺桿軸向移動，改變鉸接桿件上下桿與調整螺桿的角度，從而使底座得到垂直方向的的位移改變。如圖3.5 調整過程中高度調節(jié)機構主調整一側的垂直方向位移改變會通過座椅左右 兩側鉸接桿件間的前后桿，帶動另一側的鉸接機構產(chǎn)生垂直位移，達到底座在垂直方向位移整體改變的目的。高度調節(jié)機構鉸接桿件部分材料為 45 鋼。 圖3.5連接圖 （2）滑道 滑道是調整座椅在車廂縱向水平位置前后位移的機構，有單鎖止滑道和雙鎖止滑道之分，滑道的選用一般根據(jù)鎖止強度確定。例如：當安全帶固定點不在座椅上時，一般選用單鎖止滑道；當安全帶固定點在座椅上時，選用雙鎖止滑道或加強雙鎖止滑道?；牢灰频某叽缂醋吻昂笳{整的距離需根據(jù)相應人體尺寸和人機工程學原理確定，一般前后調整距離為0～± 100 mm 。本設計中采用的的是雙鎖止滑道，調整距離為0～± 100 mm。 （3）調角器 調角器是對靠背、座墊夾角進行調整和鎖止的機構。鎖止強度必須能滿足GB 15083-1994《汽車座椅系統(tǒng)強度要求及實驗方法》的規(guī)定。調角器分為機械調角器和電動調角器，機械調角器又包括機械板式調角器、機械桿式調角器、雙聯(lián)動調角器等。機械板式調角器一般是采用棘輪棘爪或齒條齒板工作原理及板簧式復位結構，最大能夠實現(xiàn)180°范圍有級調節(jié)及折疊，適用于各類汽車駕駛員座椅。機械桿式調角器由可控氣彈簧和連接件組成，適用于大客車乘客座椅。雙聯(lián)動調角器是指左右兩套調整鎖止機構在一套調整機構控制下同時動作，同時鎖止，具有鎖止強度高等優(yōu)點，適用于各類載重汽車駕駛員座椅。電動調角器一般采用齒差行星齒輪傳動原理或齒差雙聯(lián)擺線針輪行星齒輪傳動原理，具有傳動平穩(wěn)、強度高、調解范圍大等優(yōu)點，適用于高檔汽車駕駛員座椅。本設計中采用的調角器為機械板式調角器，其結構如下圖3.3所示。 圖3.3 調角器結構簡圖 座椅滑軌 座椅滑軌是座椅總成中最為重要的一個零部件．具有非常高的技術含量和專利保護，其不僅僅是一個重要的功能件，也屬于汽車安全件之一。座椅滑軌配合手動鎖裝置可實現(xiàn)座椅在水平位置的手動調節(jié)．配合電機和驅動機構可實現(xiàn)座椅在水平位置的自動調節(jié)．市場應用非常廣闊。在座椅安全性能指標中．座椅滑軌需要承受24kN以上的靜拉力．而且要保證滑軌在受到正壓及側拉等各個方向的力時要受力均衡．不能產(chǎn)生功能失效。這就對滑軌截面形狀的設計和滑軌原材料本身提出了非常高的要求．需要科學合理的設計滑軌截面．特別是滑軌原材科本身需要抗拉強度達到600MPa以上．而國內企業(yè)的鋼材還不能滿足原材料如此高的抗拉強度。 座椅滑軌的另外一個技術難點在于滑軌制造技術．其要求生產(chǎn)企業(yè)具備非常高的大型精密模具和沖床。而國內在這方面的研究也相對落后于國外技術．不能滿足產(chǎn)品的設計要求。 在國外，座椅滑軌的主要市場被博澤和佛吉亞等企業(yè)所控制．是許多整車廠的指定供應商．其產(chǎn)品技術具有結構緊湊和抗拉強度高等優(yōu)點。未來座椅滑軌將朝著質量輕、強度高、集成化和平臺化的方向發(fā)展。 國內生產(chǎn)座椅滑軌廠家主要有上海明芳汽車部件有限公司、湖北中航精機科技股份有限公司等．面對的市場是低端汽車，且其技術都不能滿足中高端汽車所需的安全和性能等規(guī)范。寧波雙林汽車部件股份有限公司正在研發(fā)通用型座椅滑軌．并實現(xiàn)了手、電動滑軌平臺的統(tǒng)一．已經(jīng)申請了專利。其設計與國外座椅滑軌廠家如博澤和佛吉亞等相比較，正在縮短差距。 3.3 本章小結 本章針對駕駛員座椅的結構和分類進行分析，并對座椅的主要部件靠背、座墊、頭枕、調節(jié)機構（高度調整機構、滑軌、調角器）進行設計和選則，分析了各機構的優(yōu)缺點。 第4章 座椅部件設計 4.1 板簧的設計 板簧是控制座椅靠背自動回位的重要部件。座椅調角器板簧，由板條繞制而成，板條的橫截面呈圓弧形，如圖5.1。65Mn彈簧鋼，錳提高淬透性，φ12mm的鋼材油中可以淬透，表面脫碳傾向比硅鋼小，經(jīng)熱處理后的綜合力學性能優(yōu)于碳鋼，但有過熱敏感性和回火脆性。用作小尺寸各種扁、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發(fā)條，也可制作彈簧環(huán)、氣門簧、離合器簧片、剎車彈簧及冷拔鋼絲冷卷螺旋彈簧。65mn 強度.硬度.彈性和淬透性均比65號鋼高，具有過熱敏感性和回火脆性傾向，水淬有形成裂紋傾向。退火態(tài)可切削性尚可，冷變形塑性低，焊接性差。 受中等載荷的板彈簧，直徑達7-20mm的螺旋彈簧及彈簧墊圈.彈簧環(huán)。因此，板簧的材料選用65Mn彈簧鋼。 抗拉強度 σb (MPa)：≥980(100) 　　 屈服強度 σs (MPa)：≥784(80) 　　 伸長率 δ10 (％)：≥8 　　 斷面收縮率 ψ (％)：≥30 硬度 ：熱軋,≤302HB;冷拉+熱處理,≤321HB 圖4.1 板簧 4.2高度調節(jié)支撐桿的工藝過程設計 高度調節(jié)支撐桿（圖 4.2）是高度調節(jié)鉸接桿件中的一部分，其通孔部分要分別與銷和底座前桿或后桿進行轉動配合。 圖4.2高度調節(jié)支撐桿 4.3 銷的工藝過程設計 銷（圖 4.3）是座椅骨架整體裝配中的一個零件，其與高度調節(jié)支撐桿進行轉動配合，并通過與螺母扣合將高度調節(jié)支撐桿固定在座椅骨架導軌上，只能讓高度調節(jié)支撐桿繞其做旋轉運動，而限制其他自由度。 圖4.3 銷 4.4 齒板與調角器手柄的設計 齒板是連接手柄、板簧、平衡彈簧的重要部件如圖4.4。齒板的材料選用45號鋼。 圖4.4 齒板 手柄是調節(jié)調角器的重要零件如圖4.5。手柄材料選用45號鋼。 圖4.5 手柄 熱處理:推薦熱處理溫度：正火850，淬火840，回火600 45號鋼為優(yōu)質碳素結構用鋼 ,硬度不高易切削加工,模具中常用來做 模板,梢子,導柱等,但須熱處理。45號鋼不要采用滲碳淬火的熱處理工藝。 　　調質處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨?？捎谜{質＋表面淬火提高零件表面硬度。 4.5 滑軌的設計 滑軌的材料選擇ST12， ST12是普通冷軋剛，ST13沖壓級冷作剛，ST14是深拉伸級的。 滑軌分為上滑軌和下滑軌兩部分，如圖4.6為上滑軌，圖4.7為下滑軌。 ST12：表示為最普通的鋼號，與q195、SPCC、DC01牌號材質基本相同 ST12力學性能：屈服強度a MPa≤280;抗拉強度 MPa≤270～410;斷后伸長率（L0=80mm，b=20mm）％≥28 圖4.6 上滑軌示意圖 　　冷軋鋼是我們最常見和最常用的冷軋產(chǎn)品。其牌號一般可分為：ST12，ST13，ST14，ST25，ST16等；機械性能：其是最普通的，最基礎的鋼號，原則上（鋼廠規(guī)定）只能折彎，成形，不允許沖壓。 　　冷軋板帶用途很廣，如汽車制造、電氣產(chǎn)品、機車車輛、航空、精密儀表、食品罐頭等。 　　ST12成分：碳(C)≤0.10,錳(Mn)≤0.50,磷(P)≤0.035,硫(S)≤0.035,Alt a≥0.020 圖4.7 下滑軌示意圖 4.6本章小結 針對座椅的主要部件調角器手柄、齒板、板簧和上下滑軌進行設計和選擇。確定其選材及特點。 第5章 座椅骨架的強度校核 5.1 有限元算法在汽車座椅安全性研究中的應用 座椅安全性設計的研究手段有很多。初期人們在試驗室中利用座椅靜態(tài)特性試驗、臺車碰撞試驗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、耗時較長以至于每一次修改設計的周期都很長。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，有限元算法逐漸運用到了汽車座椅安全性的研究中。 汽車座椅骨架屬于空間桿系結構。對于駕駛員座椅，由于裝有各種調節(jié)結構，其結構是非對稱的；同時，汽車在行駛過程中，座椅上承受著復雜的載荷，結構的各個桿件既受彎曲又受扭轉。對于這種復雜的結構，運用有限元法進行力學分析具有明顯的優(yōu)越性。早期的汽車座椅骨架大都采用簡單的鋼管結構，因此，設計人員最早采用空間梁單元進行強度分析。受硬件設備與軟件水平的限制，當時的座椅有限元模型都比較簡單，單元和節(jié)點數(shù)目較少。隨著座椅結構形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結構，于是，設計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、實體單元等。 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度問題越來越受到人們的重視。碰撞試驗是進行座椅安全性研究最早采用的方法，但是碰撞試驗費用的昂貴和耗費時間，使每一次修改設計的周期變得很長。于是，人們轉向另外一條研究座椅安全性的途徑——模擬計算方法，隨著計算機模擬計算的應用和發(fā)展，它的優(yōu)點逐漸展現(xiàn)出來。例如在方案設計階段就可以對座椅的沖擊強度特性有一個基本的認識，避免低劣的方案投入設計和開發(fā)；計算所得的詳細數(shù)據(jù)，可以反映出每一細微部分的變形過程，為設計人員提供更詳細的資料，這是碰撞試驗無法做到的。 5.2 轎車座椅的強度要求 汽車座椅的強度特性是影響座椅安全性的主要因素。汽車座椅強度直接關系到座椅的安全性，是座椅安全性設計的首要內容。汽車行駛中，座椅要承受復雜的載荷，汽車座椅必須有足夠的強度，以確保座椅上的人所受的傷害最小;座椅的壽命應該足夠長，不至于過早變形或損壞;受沖擊載荷作用時，座椅不應發(fā)生斷裂、嚴重變形等損壞現(xiàn)象。從座椅所受載荷的形式上分，汽車座椅的強度可分為座椅的靜強度，沖擊強度和疲勞強度。座椅靜強度特性直接影響座椅的安全性和乘坐舒適性，是座椅設計中的重要問題。在靜態(tài)載荷作用下，座椅軟墊對強度特性的影響很小，因此座椅的靜強度特性主要是針對座椅骨架而言的 5.2.1 座椅的靜強度 為了確保汽車的安全，世界各國都制定了相應的安全標準和技術法規(guī)。 ⑴座椅總成靜強度法規(guī)： 美國 FMVSS-207 對座椅總成靜強度規(guī)定，在座椅總成質心處水平向前、水平向后，施加 20 倍座椅總成質量的載荷，座椅應能承受以上載荷。在歐洲 ECE-R17中對座椅總成靜強度的規(guī)定與之類似。我國 GB15083-1994 汽車座椅系統(tǒng)強度要求及實驗方法》中對座椅總成靜強度也作了類似規(guī)定，要求在座椅總成質心處水平向前、水平向后對其施加 20倍座椅總成質量的載荷，座椅及固定點應能承受以上載荷，座椅不得與車體分離。對于可調式座椅，調節(jié)裝置應能使座椅保持原調節(jié)位置，在試驗后允許失去調節(jié)功能。 ⑵座椅靠背靜強度法規(guī)： 在 FMVSS-207 法規(guī)中對靠背靜強度規(guī)定，對座椅靠背施加相對于座椅參考點 R 點，大小為 372N·m 的載荷時，座椅應能承受以上載荷。其它法規(guī)規(guī)定雖然與之有所差別，但中心思想是一致的；在 ECE-R17 中對靠背靜強度的規(guī)定是對座椅靠背施加相對于座 椅參考點 R 點，大小為 530N·m 的載荷，座椅應能承受以上載荷，試驗后及試驗中，座椅骨架、座椅固定點及位移系統(tǒng)、調節(jié)系統(tǒng)或鎖止系統(tǒng)不得失效，我國也根據(jù)本國實際情況，制定了座椅靠背靜強度法規(guī)，在 GB15083-1994 中作了如下規(guī)定，對座椅靠背施加相對于座椅參考點 R 點，大小為 373N·m 的載荷時，座椅應能承受以上載荷。座椅及座椅固定點應能承受以上載荷；鎖止機構不得打開；位移及角調節(jié)機構不得松脫。 5.2.2 座椅的沖擊強度 座椅的沖擊強度是隨著安全性研究的開展而逐漸受到人們重視的，它的主要內容是通過實驗和仿真分析相結合的方法，研究座椅在沖擊載荷作用下的強度特性，使其在碰撞事故中為乘員提供良好的保護作用。汽車座椅安全性研究始于上世紀五十年代，美國南加州大學最早使用志愿者進行了低速追尾碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)當時的低靠背座椅在碰撞事故中不能提供良好的支持，容易導致乘員的頸部損傷。研究人員還發(fā)現(xiàn)，座椅靠背向后的屈服變形有助于保持頭、頸和軀干的對齊，可以降低乘員受傷害的程度，在中等或者高強度的追尾碰撞事故中，柔性靠背不足以為乘員提供有效的保護，可能會導致靠背破壞，因此需要提高座椅靠背的強度。在近些年的研究中，汽車座椅的安全性研究主要集中在汽車尾部碰撞的乘員保護上，并逐漸形成了座椅設計中的柔性設計和剛性設計兩種概念。按照上述兩種方法設計的各種座椅結構形式，在可控的試驗條件下都得到了肯定性的結論。但這兩種強度設計概念是針對不同強度的碰撞條件形成的，如何做到各種在條件下保護作用都能夠兼顧仍然是座椅強度設計中的重要課題。 5.2.3 座椅的疲勞強度 座椅的疲勞強度分為座墊的疲勞壽命和骨架的疲勞強度兩個部分。座椅的疲勞強度關乎座椅的安全性舒適性。 PatrickGlance 于 1986 年提出了座椅軟墊的簡化模型，把座墊分成許多個高度與座墊等厚的柱體單元，柱體在承受壓力是不產(chǎn)生橫向變形，柱體之間靠剪應力相互 作用。這個模型不但可以用于座墊的強度分析，還可以應用于體壓力分布計算。此外，在工程實踐中，人們也嘗試著通過疲勞試驗的方法研究座墊材料的性能，骨架的疲勞強度問題則涉及到可靠性設計、金屬材料的累積損傷理論等方面的內容，一般采取以試驗為主的方法進行研究。 5.3 確定需要分析的部件 由上節(jié)可知，座椅骨架的靜強度法規(guī)主要包括座椅總成靜強度法規(guī)和座椅靠背靜強度法規(guī)等。受于能力和時間的限制，本畢業(yè)設計中，只對座椅靠背靜強度法規(guī)的相關內容進行靜強度分析。并且，分析的前提是假設除了靠背部分的座椅骨架部件都為滿足法規(guī)要求的理想情況，進而對靠背骨架的兩側側板和上橫梁進行有限元建模與靜強度分析。 1加載靠背骨架的材料 靠背骨架兩側板和上橫梁的材料均為Q215A，其彈性模量E=2.1e5Mpa；泊松系數(shù) V=0.3；如圖5.1 圖5.1材料特性加載對話框 2進行網(wǎng)格劃分 對座椅靠背骨架進行網(wǎng)格劃分，初選網(wǎng)格密度為6.如圖5.2 圖5.2網(wǎng)格密度設置對話框 3在靠背骨架上定義約束 在座椅靠背骨架兩側板的下端邊緣圓孔處對座椅靠背骨架施加全約束，使其上所有節(jié)點的位置固定不變。如圖5.3 圖5.3加載約束對話框 4在靠背骨架上施加載荷 我國在GB15083-1994中規(guī)定，對座椅靠背施加相對于座椅參考點大小為373N.m的載荷，為了滿足GB15083-1994的規(guī)定在座椅靠背中部橫版處施加1318N的力，以產(chǎn)生373N.m的力矩。如圖5.4 圖5.4輸入載荷大小對話框 5計算求解 完成前期數(shù)據(jù)輸入后進行ansys求解計算，得到綜合位移圖5.5和等效應力圖5.6。 綜合位移圖5.5位移顯示代表變形情況，用顏色代表位移值。由圖可知最大位移處出現(xiàn)在中部橫板處為0.7mm。 圖5.5綜合位移圖 等效應力圖5.6用于顯示應力分布情況，用不同顏色代表不同應力值。由圖可知座椅靠背骨架的最大應力出現(xiàn)在側板中下部，最大應力值約為66MPa.沒有達到Q215A的屈服極限215MPa。因此滿足相關要求。 圖5.6等效應力圖 5.3.1 結果分析 通過對轎車座椅有限元模型的靜力分析，在以下方面對其結果進行分析： ⑴靠背結構形式上，在除靠背外其他座椅骨架部件均滿足相關標準法規(guī)的理 想前提下，采用兩側板上橫梁的沖壓殼體結構，其中側板沖壓殼體厚度為 0.7mm， 上橫梁沖壓殼體厚度為 1.4mm，基本可以滿足國際和國內法規(guī)對靠背強度的要求。 ⑵材料選擇上，對于靠背骨架，選定的 Q215A 沖壓鋼板在靜力分析中，材料 屬性基本滿足相關法規(guī)標準對座椅骨架強度的要求。座椅靠背骨架所受最大的應力 約為70MPa左右，滿足材料Q215A的強度要求。 ⑶對靠背骨架施加規(guī)定載荷時，靠背骨架的最大位移量出現(xiàn)在靠背骨架上橫 梁處，其位移量約為 0.7mm，靠背骨架沒有出現(xiàn)嚴重變形，不會影響其強度和使 用性能。 由座椅靠背骨架結構靜態(tài)特性有限元仿真分析的結果來看，其整體結構及材 料選擇均基本滿足法規(guī)和標準對其強度的要求 結 論 汽車座椅是汽車重要的部件，它嚴重影響乘員的安全性。通過本次設計，座椅的的對結構有了更進一步的認識。此次設計在傳統(tǒng)座椅設計的基礎上，有以下幾點改進。 （1）選材方面拋棄了傳統(tǒng)座椅中使用的鋼板和鋼管等鋼質材料，運用了新型鎂鋁合金材料，大大減輕了座椅的質量，這也是今后座椅輕量化的一個研究方向。 （2）通過研究發(fā)現(xiàn)，滑道、調節(jié)連接板應力比較大，進行適當?shù)募雍瘛? （3）上框、下框和座盆對整個座椅結構影響較少，合理布置能提供很大的輕量化空間。 （4）本次設計在力求座椅結構簡單的前提下，使其功能盡可能全面，使其具有前后調節(jié)高度調節(jié)和后背傾角調節(jié)的基本功能。 參考文獻 [1] 谷正氣.轎車車身[M].湖南：人民交通出版社.2002. 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