汽车多向调节电动座椅设计【毕业论文】【汽车专业】

I 摘要 座椅是与人接触最密切的部件，人们对轿车平顺性的评价多是通过座椅的感受作出的。现代轿车的驾驶者座椅和前部乘员座椅多是电动可调的，又称电动座椅。因此，电动座椅是直接影响轿车质量的关键部件之一。 轿车电动座椅以驾驶者的座椅为主。从服务对象出发，电动座椅必须要满足便利性和舒适性两大要求。也就是说驾驶者通过键钮操纵，既可以将座椅调整到最佳的位置上，使驾驶者获得最好视野，得到易于操纵方向盘、踏板、变速杆等操纵件的便利，还可以获得最舒适和最习惯的乘坐角度。为了满足这些要求，世界汽车生产大国的有关厂家都竟相 采用机械和电子技术手段，制造出可调整的电动座椅。 本方案 设计的 电动座椅由双向电动机、传动装置和座椅调节器等组成。通过座椅调节器实现座椅水平前后移动、座椅上下移动、座椅靠背的角度旋转 六个方向的调节。 汽车电动座椅的结构主要有 : 可逆直流微型电动机 ( 驱动装置 ) 、传动装置、连接机构、蜗轮、蜗杆、滚珠丝杠、水平滑动导轨等部件组合而成。座椅由坐垫、靠背、靠枕、骨架、悬挂和调节机构等组成。 关键词 ： 汽车电器；电动座椅 ；蜗轮、蜗杆、螺杆 II Abstract the chair is contacts the closest part with the human, the people many are make to the passenger vehicle smooth appraisal through chairs feeling. The modern passenger vehicles driver chair and the front part crew member chair many are electrically operated adjustable, also calls the electrically operated chair. Therefore, the electrically operated chair is one of immediate influence passenger vehicle quality key components. Passenger vehicle electrically operated chair by drivers chair primarily. Embarks from the target client, the electrically operated chair must satisfy the convenience and the comfortable two big requests. That is driver through keybutton operation, may also adjust the chair in the best position, causes the driver to obtain the best field of vision, obtains easy to operate operation and so on steering wheel, footboard, gearshift lever conveniences, but may also obtain is most comfortable and the most custom rides the angle. In order to satisfy these requests, the world automobile production powers related factory unexpectedly uses the machinery and the electronic technology method, makes electrically operated chair which may adjust. This scheme is a kind of mechanical design and manufacturing, ergonomics and electronic technology combining can adjust the electric chair eight direction. General electric chair system by two-way motor and transmission device and seat regulator, etc. Through the seat regulator seat level movement, realize front seats and seat move after the end of the move, the seat of the direction of rotation Angle of eight. The auto electric chair of the structure are mainly: reversible dc micro motors (drives), transmission device, the connection, Angle transfer worm and worm, ball screw, horizontal sliding guide etc. Electric chair cushion, seat, by magic, skeleton, suspension and adjusting mechanism etc. Keywords: Automotive Electrical； electric chair； turbine, worm, screw III 目 录 摘要 . Abstract . 第一章 绪论 .- 1 - 1.1 综述 . . - 1 - 1.2 电动座椅设计研究的现状 . - 2 - 1.2.1 国外研究现状 . - 2 - 1.2.2 国内研究现状 . - 3 - 1.3 电动座椅设计的背景 . - 3 - 1.4 本文的主要 研究工作 . - 3 - 第二章 研究方案的选取 .- 5 - 2.1 综述 . - 5 - 2.2 座椅坐垫升降部分 . - 5 - 2.3 座椅坐垫前后移动部分 . - 6 - 2.4 座椅靠背倾斜部分 . - 6 - 第三章 选用传动的特点 . - 8 - 3.1 齿轮传动 . - 8 - 3.1.1 齿轮传动特点 . - 8 - 3.1.2 齿轮传动类型 . - 8 - 3.2 螺旋传动 . - 9 - 3.2.1 螺旋传动特点 . - 9 - 3.2.2 螺旋传动类型 . - 9 - a. 滑动螺旋传动 . - 9 - b. 滚动螺旋传动 . - 10 - 3.3 空间连杆机构 . - 10 - 第四章 机构设计 . - 12 - 4.1 电动机选择计算 . - 12 - 4.1.1 选择电动机的转速 . - 12 - 4.1.2 工作机的有效功率 . - 12 - 4.1.3 选择电动机型号 . - 12 - 4.2 传动比分配 . - 13 - IV 4.3 计算各轴转速 . - 13 - 4.4 蜗轮蜗杆设计 . - 13 - 4.4.1 选择蜗杆传动类型 . - 13 - 4.4.2 选择材料 . - 13 - 4.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 . - 14 - 4.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 . - 15 - 4.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度 . - 16 - 4.4.6 验算效率 . - 16 - 4.4.7 精度等级公差和表面粗糙度的确定 . - 17 - 4.5 滚珠丝杠设计 . - 18 - 4.5.1 选择滚珠丝杠型号及其工作条件 . - 18 - 4.5.2 降速比计算 . - 18 - 4.5.3 惯量计算 . - 18 - 4.5.4 电动机力矩计算 . - 19 - 4.5.5 刚度计算 . - 19 - 4.5.6 反向死区 . - 19 - 4.5.7 传动刚度变化引起的定位误差 . - 20 - 4.6 前后调节滚珠丝杠支承轴承验算 . - 20 - 4.7 垂直调节螺杆验算 . - 21 - 4.7.1 螺杆的强度计算 . - 21 - 4.7.2 螺杆稳定性计算 . - 21 - 4.8 垂直调节机构支承轴承验算 . - 22 - 结论 . - 23 - 致 谢 . - 24 - 参考文献 . - 25 - 附录 - 25 - - 1 - 第一章 绪论 1.1 综述 由于座椅是衡量轿车档次的重要依据，因此轿车设计师十分重视电动座椅的设计，从材料到形状，尽量做得完美无缺。在造型方面，充分考虑人体尺 寸、人体重量、乘坐姿势和体压分布等因素，应用人体工程学的研究成果和先进技术，制造出乘坐舒适、久坐不乏的座椅。例如奔驰 E 级轿车的六向可调式电动座椅均按人体轮廓要求设计，能为人体的腰部和臀部提供最佳的横向支持。在材料方面，由于座椅还起到车厢装饰的作用，因此座椅面料的颜色要与车厢的总色调配合一致，除了质地优良，还要有良好的手感，使人们一坐上去就有一种舒适的感觉。 汽车座椅的调节可以通过手动或电动的方式来完成。 最早的手动调节座椅在 1921 年面世。手动调节方式需要成员先通过手柄放松座椅的锁止机构，之后通过改变身体的 座姿和位置来带动座椅移动，最后将锁止机构的手柄放松，将座椅固定在所选择的位置上。 这种调节方式的主动施力方是座椅上的乘客，座椅调节调节起来也不是十分的方便。 在中高档轿车上，生产商都会提供可电动调节的座椅。 电动座椅是由座垫、靠背、靠枕、骨架、悬挂和调节机构等组成。其中调节机构由控制器、可逆性直流电动机和传动部件组成，是电动座椅中最复杂和最关键的部分，可逆性直流电动机必须体积小，负荷能力要大；而机械传动部件在运行时要求有十分良好的平稳性，噪音要低。控制器的控制键钮设置在驾驶者操纵方便的地方，一般在门内侧的扶 手上面或座垫侧面。 可逆性直流电动机一般有三个以上，它们受控制器控制并分别驱动某个调整方向的传动部件。传动部件有蜗杆轴，蜗轮、齿轴和齿条等。调整时，蜗杆过去的轿车以交通为唯一目的，今天的轿车设计思想则倡导人与车的融合，座椅就是这个设计思想中极其重要的环节。现代轿车座椅涉及到电子学、人体工程学、工业设计学等方面的领域，随着汽车技术的发展，轿车座椅巳从一个简单的部件发展到一个比较复杂和精确程度要求比较高的部件。 - 2 - 轴在电动机的驱动下，带动蜗轮转动，从而将齿轴旋入或旋出，即座椅下降或上升。如果蜗轮又与齿条啮合，蜗轮转动将齿条移动，即令座椅前移或后移。 电动调节的座椅在调节时，座椅是施力方，乘客只需扳动控制键就可以令座椅移动，无需主动改变身体的座姿。电动座椅还可以提供更加精准的调节位置。 电动座椅的使用，让驾驶员能够轻松的找到最适合自己的驾驶姿势，提供良好的视野，提高了行车 安全性，并能有效减轻驾驶疲劳。 1.2 电动座椅设计研究的现状 1.2.1 国外研究现状 最早的手动调节座椅在 1921 年在英国投入使用。手动调节方式需要成员先通过手柄放松座椅的锁止机构，之后通过改变身体的座姿和位置来带动座椅移动，最后将锁止机构的手柄放松，将座椅固定在所选择的位置上。 1954 年卡迪拉克汽车 Eldorado 款汽车首先推出 4路电动座椅。 自动汽车座椅实际是人体工程与电子技术相结合的产物，它能自动适应不同体型乘员乘坐舒适性的要求。这种应用微机控制的电动座椅出现于 80 年代，1983 年日本日产（ Nissan）和丰田（ Toyota）公司分别在公爵（ Cedric）牌轿车和皇冠（ Crown）牌轿车上使用。 人因工程是一门新兴的边缘学科 ,起源于欧洲 ,形成于美国。发展至今已经有 60 多年的历史。人因工程研究的是在工作中、家庭生活与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效率的学科。人、机和环境和谐统一是其核心指导思想。 1968 年 ,国际人机工程学学会 (IEA)在瑞士召开了以座椅为主题的第一次国际学术研讨会 ,这次会议之后 ,在全世界掀起了座椅设计的高潮。至今这场运动仍如火如荼。 蜗杆传动广泛应用于汽车座椅的电动调节。 1922 年美国创制成平面直齿蜗杆传动，被誉为威氏蜗杆 (WildhaberWarm)。五十年代，日本人发展了此项技术，这就是他们在世界市场上推销的，有相当竞争能力的平面蜗杆传动 (Plana Worm). 1953 年西德尼曼 (Nieman)教授为蜗杆传动作出了新的贡献，发明了凹圆弧齿圆柱蜗杆传动，这就是当今世界闻名的 “Cavex Worm. 此外，日本于 1972 年以来陆续发表了一些有关新型蜗杆传动的文章，并己 - 3 - 取得了一定的成果。 1.2.2 国内研究现状 丰田普瑞维亚于 1990 年推出，很早就通过各种渠道 进入中国市场，也是打开了中国汽车电动座椅制造发展之门，之后越来越多的汽车厂家开始在中国发售电动座椅的轿车，之后的中国汽车制造力求完美的诠释电动座椅，使之更加完善，功能更加齐全。 1.3 电动座椅设计的背景 座椅是汽车的基本附属器件，随着人们生活水平的提高，对汽车座椅的舒适性需求也越来越高，需求对汽车座椅地调节能够更加简单、方便、快捷。目前，汽车座椅位置的调节多采用基于手动调节方式的机械和电动控制两种方式。 轿车电动座椅以驾驶者的座椅为主。从服务对象出发，电动座椅必须要满足便利性和舒适性两大要求。也就是说驾驶者通过键钮操纵，既可以将座椅调整到最佳的位置上，使驾驶者获得最好视野，得到易于操纵方向盘、踏板、变速杆等操纵件的便利，还可以获得最舒适和最习惯的乘坐角度。为了满足 这些要求，世界汽车生产大国的有关厂家都竟相采用机械和电子技术手段，制造出可调整的电动座椅。 1.4 本文的主要研究工作 方案的思路就是电动座椅是利用电动机的动力来调整座椅前后的位置和靠背的倾斜度 , 自动适应不同体型的驾驶员与乘员的乘坐舒适性要求。电动座椅能满足便利性和舒适性 , 驾驶员通过按键操纵 , 既可以将座椅调整到最佳的位1991 年 9 月 5 日至 9 日 ,中国汽车工程学会汽车电器委员会在杭州召开了1991 年度汽车电器学术报告会议，会议指出发展汽车电器的自动化，汽车电动座椅的设计生产就是我国赶超国外汽车车身电气的一个重要方向。 至今，中国的高级轿车厂商纷纷将电动座椅视为车辆不可缺失的组成部分。随着技术的不断成熟，制造价格普遍降低，该车身电器目前正在向家用车型向转移。 - 4 - 置上 , 以获得最好视野 , 得到易于操纵方向盘、脚踏板、变速杆等操纵件的便利 , 还可以获得舒适和最习惯的乘坐角度。 我的设计就是研究设计一种电动调节式座椅，其汽车座椅位置的调节主要有三个方 向，即坐垫高度调节、坐垫水平位置调节及座椅靠背倾角的调节。 通过前期的仔细对比研究，确定了每个运动机构方案的构成。分别设计可逆电动机为动力源，蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、平面连杆机构，并将它们互相组合，以达到调节座椅位置的目的。 - 5 - 第二章 研究方案的选取 2.1 综述 现根据需要调 整部位的运动拟定方案。 2.2 座椅坐垫升降部分 方案 1：一椅座、一对分别位于该椅座两侧的椅架、一驱动构件及一被动构件。该椅座具有一本体及一对固设于该本体左右两侧的组接部；该对椅架各具有一配合该组接部的第一椅脚 ,该第一椅脚外缘沿其轴向设有一齿条；该驱动构件具有一固定于该椅座本体的马达 ,及一与该马达传动连接的主动传动件；该被动构件具有一枢设于该椅座本体上的第一轴杆 ,该第一轴杆与该主动传动件传动连接 ,于该第一轴杆两相反端分别设有一齿轮 ,该二齿轮分别啮合于该各第一椅脚的齿条。 方案 2：由蜗杆轴，蜗轮，心轴等组成。 调整时，直流电动机产生的力矩带动蜗杆轴，驱动蜗轮传动，使心轴在蜗轮内旋进或旋出，带动座椅上下运动。 方案 3：由蜗杆轴，蜗轮，滚珠丝杠，连杆机构组成。调整时，直流电动机产生的力矩带动蜗杆轴，驱动蜗轮转动并带动滚珠丝杠转动，带动由与滚珠丝 现代轿车的电动座椅是由座垫、座背、座枕、骨架、悬挂和调节机构等组成。其中调节机构由控制器、可逆性直流电动机和传动部件组成，是电动座椅中最复杂和最关键的部分，可逆性直流电动机必须体积小，负荷能力要大；而机械传动部件在运行时要求有十分良好的平稳性，噪音 要低。控制器的控制键钮设置在驾驶者操纵方便的地方，一般在门内侧的扶手上面。 可逆性直流电动机一般有三个以上，它们受控制器控制并分别驱动某个调整方向的传动部件。传动部件有蜗杆轴，蜗轮、齿轴和齿条等。调整时，蜗杆轴在电动机的驱动下，带动蜗轮转动，从而将齿轴旋入或旋出，即座椅下降或上升。如果蜗轮又与齿条啮合，蜗轮转动将齿条移动，即令座椅前移或后移。目前先进的调节机构可以调节座椅的水平移动和垂直移动，座背的角度移动和靠枕的高度移动，即所谓 “ 六向可调式 ” 。乘员可以根据自己的身材将座椅调整到最舒适的位置。 - 6 - 杠配合的螺母前进或后退，螺母上连接了连杆机构，连杆机构运动带动座椅的上升与下降。 由于现在工业技术的成熟，汽车车身配件的完整程度，结合运动部件的可靠性和便于维修等因素。重点考虑汽车坐垫上下运动的重复性对运动机构寿命和安全要求。更结合全部运动机构设计的要求，充分利用资源，尽量采用 相同的材料和类似运动设计方案，所以选择有滚珠丝杠的方案 3。 2.3 座椅坐垫前后移动部分 方案 1：基体 ,其设置在所述车座或垫凳中之一处；可移动体 ,其设置在可移动部处 ,所述可移动体装配到所述基体上 ,从而相对于所述基体延伸或缩回；齿条 ,其固定到所述基体或所述可移动体的顶面或底面中之一上 ,所述齿条形成为板状形状 ,其在所述可移动体的延伸和缩回方向上延伸 ,并且具有齿；小齿轮 ,其容置于所述基体和所述可移动体中的另一个之内并且与所述齿条相啮合；驱动单元 ,用来驱动小齿轮；以及引导机构 ,其设置在所述基体和所述可移动体处以沿着 所述可移动体的延伸和缩回方向引导所述可移动体。 方案 2：由蜗杆，蜗轮，齿条，导轨组成。齿条安装在导轨上，调整时，直流电动机产生力矩经过蜗杆传至两侧的蜗轮上，经齿条带动，使座椅伸缩移动。 方案 3：由蜗杆轴，蜗轮，滚珠丝杠组成。调整时，直流电动机产生的力矩带动蜗杆轴，驱动蜗轮转动并带动滚珠丝杠转动，带动由与滚珠丝杠配合的螺母前进或后退。由于螺母与上轨连接在一起，所以带动座椅前后移动。 由于现在工业技术的成熟，汽车车身配件的完整程度，结合运动部件的可靠性和便于维修等因素。重点考虑汽车坐垫上下运动的重复性对运动机构 寿命和安全要求。更结合全部运动机构设计的要求，充分利用资源，尽量采用相同的材料和类似运动设计方案，所以选择有滚珠丝杠的方案 3。 2.4 座椅靠背倾斜部分 方案 1：由双向控制开关、控制电机、蜗杆、蜗轮、蜗轮轴、蜗轮室盖和座椅靠背调节轴组成。双向控制开关将电源与电机相连 ,控制电机的转动方向。控制电机轴的延伸部分为蜗杆 ,蜗杆与蜗轮啮合 ,蜗轮与蜗轮轴为一体 ,蜗轮轴内有一空心扁槽与座椅靠背调节轴的扁头插入联接。按动双向控制开关 ,使控制电 - 7 - 机轴 ,即蜗杆顺时针或逆时针旋转 ,蜗杆驱动蜗轮转动并将转动方向改变后传递给蜗轮轴 ,蜗 轮轴驱动座椅靠背调节轴 ,使座椅靠背前倾或后仰转动 ,达到调节座椅靠背的目的。 方案 2：靠背调节机构的主要部件是铰链销钉、链轮、内齿轮 ( 30 个齿 ) 、外齿轮 ( 29 个齿 ) 等。铰链销钉有一个偏心凸轮 , 凸轮中间轴 A与安装在座垫侧的外齿轮同轴 ； 铰链销钉的中间轴 B 与安装在座椅靠背侧的链轮同轴 , 并与内齿轮同轴转动。 当靠背与头枕调节开关置于 A 或 B 方向时 , 靠背调节用的电动机运转 ,并带动链轮转动 , 安装在链轮上的铰链销钉也以同样的转向一起转动。由于外齿轮安装在座垫侧 , 因而铰链销钉的中间轴 B 围绕着带偏 心凸轮的中间轴 A 旋转。这样 , 内齿轮就与外齿轮啮合 , 铰链销钉每转一圈 , 所啮合的齿轮转动 12 经过仔细研究和比较，由于方案 2 的实施需要大量的零件配备和专门的生产设计环节，鉴于方案 1 的简单易操作性，又可以利用以前汽车的车身部件，综合前面的设计环节，故选择方案 1. - 8 - 第三章 选用传动的特点 3.1 齿轮传动 3.1.1 齿轮传动特点 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特 点。 齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。 在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递任意两轴之间的运动和动力。 齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达 300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。 3.1.2 齿轮传动类型 a. 圆柱齿轮传动 用于平行轴间的传动，一般传动比单级可到 8,最大 20，两级可到 45,最大60， 三级可到 200，最大 300。传递功率可到 10 万千瓦 ,转速可到 10万转分，圆周速度可到 300 米 /秒。单级效率为 0.96 0.99。直齿轮传动适用于中、低速传动。斜齿轮传动运转平稳，适用于中、高速传动。人字齿轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。圆柱齿轮传动的啮合形式有 3 种 :外啮合齿轮传动，由两个外齿轮相啮合，两轮的转向相反；内啮合齿轮传动，由一个内齿轮和一个小的外齿轮相啮合，两轮的转向相同；齿轮齿条传动，可将齿轮的转动变为齿条的直线移动，或者相反。 普通齿轮传动：载荷和速度的许用范围大；传动比恒定；外廓尺寸 小；工作可靠，效率高。制造和安装精度要求较高。精度低时传动噪音较大，无过载保护。 - 9 - b. 蜗杆传动 交错轴传动的主要形式，轴线交错角一般为 90 。蜗杆传动可获得很大的传动比，通常单级为 8 80,用于传递运动时可达 1500；传递功率可达 4500 千瓦 ；蜗杆的转速可到 3万转分；圆周速度可到 70 米秒。蜗杆传动工作平稳，传动比准确，可以自锁，但自锁时传动效率低于 0.5。蜗杆传动齿面间滑动较大 ,发热量较多，传动效率低，通常为 0.45 0.97。传动平稳无声，结构紧凑，传动比较大，可做成自锁蜗杆。自锁蜗杆传动效 率很低；中高速传动蜗轮齿圈需贵重的减磨材料（如青铜），制造精度要求较高，道具费用昂贵。 蜗杆传动：传动平稳无声，结构紧凑，传动比较大，可做成自锁蜗杆。自锁蜗杆传动效率很低；中高速传动蜗轮齿圈需贵重的减磨材料（如青铜），制造精度要求较高，道具费用昂贵。 螺旋传动：传动平稳无声，降速比大，可将转动变为直线往复移动，滑动螺旋可做成自锁螺旋机构；工作速度一般很低。 3.2 螺旋传动 3.2.1 螺旋传动特点 利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点 ，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。 传力螺旋 :以传递动力为主 ,它用较小的转矩产生较大的轴向推力 ,一般为间歇工作 ,工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。 传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。 调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动 螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。 3.2.2 螺旋传动类型 a. 滑动螺旋传动 - 10 - 通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少 ；对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。 一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力 F 相当大，而转矩 T 则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为 30 40 ，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。 b. 滚动螺旋传动 用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动 .滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在 90以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和 内循环。外循环的导路为一导管 ,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有 2 4个反向器，将螺母中滚珠分别联成 2 4个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧。 在 JB/T3162-1991 中，将滚动螺旋传动称为滚珠丝杆副。该标准规定，滚珠丝杆副分为定位滚珠丝杆副（称 P类）和传动滚珠丝杆副（称 T 类）。前者是通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杆副，后者是与旋转角度无关用于传递 动力的滚珠丝杆副。 3.3 空间连杆机构 由若干刚性构件通过低副（转动副、移动副）联接，而各构件上各点的运动平面相互不平行的机构，又称空间低副机构。在空间连杆机构中，与机架相连的构件常相对固定的轴线转动、移动，或作又转又移的运动，也可绕某定点作复杂转动；其余不与机架相连的连杆则一般作复杂的空间运动。利用空间连杆机构可将一轴的转动转变为任意轴的转动或任意方向的移动，也可将某方向 - 11 - 的移动转变为任意轴的转动，还可实现刚体的某种空间移位或使连杆上某点轨迹近似于某空间曲线。与平面连杆机构相比，空间连杆机构常有结构紧凑、 运动多样、工作灵活可靠等特点，但设计困难，制造较复杂。空间连杆机构常应用于农业机械、轻工机械、纺织机械、交通运输机械、机床、工业机器人、假肢和飞机起落架中。 空间连杆机构常指单自由度空间闭链机构 ,但是随着工业机器人和假肢技术的发展 ,多自由度空间开链机构也有不少用途。单自由度单环平面连杆机构只含 4 个转动副 ,而单自由度单环空间连杆机构所含转动副应为 7 个 ,此即空间七杆机构。空间连杆机构中采用多自由度的运动副如球面副或圆柱副时，所含构件数即可减少而形成简单稳定的空间四杆机构或三杆机构。为了表明空间连杆机构的组成类型 ,常用 R、 P、 C、 S、 H分别表示转动副、移动副、圆柱副、球面副、螺旋副。一般空间连杆机构从与机架相连的运动副开始，依次用其中的一些符号来表示。常用空间四杆机构的组成类型有 RSSR、 RRSS、 RSSP 和 RSCS 机构这些机构因含有两个球面副 ,结构比较简单，但绕两球心连线自由转动的局部自由度影响高速性能。所有转动副轴线汇交一点的球面四杆机构 ,也是一种应用较广的空间连杆机构，如万向联轴节机构。此外，还有某些特殊空间连杆机构，如贝内特机构，其运动副轴线夹角和构件尺度要求满足某些特殊关系。 运动分析和综合 空间连杆机构 的分析综合均较平面连杆机构复杂困难，这在很大程度上影响空间连杆机构的推广应用。研究空间连杆机构的方法有以画法几何为基础的图解法和运用向量、对偶数、矩阵和张量等数学工具的解析法。图解法有一定的局限性，应用较多的是便于电子计算机运算的解析法。空间连杆机构分析中重要而又困难的问题是位移分析。对多于 4 杆的空间连杆机构，由输入求输出位移时因中间运动变量不易避开或消去，一般要用数值迭代法联解多个非线性方程式或求解高次代数方程式。对最难进行位移分析的空间 7R机构，由输入求输出位移的代数方程式高达 32 次。对空间连杆机构进 行运动综合的基本问题是： 当主动件运动规律一定时，要求连架从动件能按若干对应位置或近似按某函数关系运动； 要求连杆能按若干空间位置姿态运动而实现空间刚体的导引； 要求连杆上某点能近似沿给定空间曲线运动。由于这些问题和平面连杆机构的综合问题相仿，所以平面的巴默斯特尔理论可解析地推广于空间刚体的导引问题和其他运动综合问题。此外尚有利用机构封闭性等同条件建立设计方程式和采用优化技术等综合方法。 - 12 - 第四章 机构设计 4.1 电动机选择计算 4.1.1 选择电动机的转速 a. 计算滚珠丝杠的转速 nw = 60V/(d)/P=600.2/(3.140.0325)=159.7 r/min b. 计算电动机的转速 由于选用蜗轮蜗杆传动，丝杠与蜗轮直接连接 而蜗杆传动的单击传动比 8 40 所以电动机转速 nd 为 400 2000 4.1.2 工作机的有效功率 a. 传动装置的总效率 蜗杆传动的效率 1= 0.80 弹性联轴器的效率 2= 0.99 滚动轴承的效率 3=0.99 滚动丝杠效率 4=0.95 齿啮合效率 5=0.97 总效率 =12345 = 0.800.990.990.850.97=0.723 b. 工作机的功率 Pw = FV/1000w = 30000.2/10000.95=6.3W c. 电动机的输出功率 Pd=Pw/=6.3/0.723=8.73W 4.1.3 选择电动机型号 网上查找直流 12V 电动机得到 - 13 - 电动机型号 额定功率 (w) 转速 (r/min) 电压 转矩 转动惯量（不大于） 110SZ10HS 36 500 12 686 0.56 110SZ61 150 1700 12 843 0.56 根据以上两种可行直流电动机对比可见，在其他条件大致相同下，转速 1700 的电机可调及性能高，所以选择 110SZ61 型电动机。 4.2 传动比分配 由于选择的电动机转速为 1700 r/min 而滚珠丝杠初定转速 159.7 r/min 所以总传动比初步定为 i = 10。 电动机与蜗杆轴用联轴器连接，蜗轮与滚珠丝杠键连接。所以蜗轮蜗杆传动比即为总传动比 i = 10 4.3 计算各轴转速 蜗杆轴与电动机转速相同 n1 = 1700 r/min 滚珠丝杠与蜗轮转速相同 n2 = n1/i = 170 r/min 4.4 蜗轮蜗杆设计 4.4.1 选择蜗杆传动类型 根据 GB/T 10085-1988 推荐，采用锥面包络圆柱蜗杆（ ZK 蜗杆），面包络圆柱蜗杆 (ZK 蜗杆 ) 这是一种非线性螺旋曲面蜗杆。它不能在车床上加工，只能在铣床上铣制并在磨床上磨削。加工时，除工件作螺旋运动外，刀具同时绕其自身的轴线作回转运动。这时，铣刀 (或砂轮 )回转曲面的包络面即为蜗杆的螺旋齿面，在 I-I 及 N-N 截面上的齿廓均为曲线。这种蜗杆便于磨削，蜗杆的精度较高，应用日渐广泛 。 4.4.2 选择材料 考虑到蜗杆传动功率不大，速度中等，由于做为汽车车内零部件，工作尺寸不大，还是可以选用 45 钢，因为效率高一些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 45-55HRC，蜗杆用铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，金属模铸造。 - 14 - 4.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计再校核齿根弯曲疲劳强度。由公式传动中心距 a. 确定作用在蜗杆上的转矩 T2 按 Z1=4 估取效率 N=0.8 则 b. 确定载荷系数 K 因工作 载荷稳定 。 估取 Kb=1 选取 Ka=1 Kv=1.05 则 c. 确定弹性影响系数 Ze 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故 d. 确定接触系数 ZP 先假定蜗杆分度圆直径 d，和传动中心距 a 的比值 d/a=0.5 查得 Zp=2.6 e. 确定许用接触应力 H 根据涡轮材料为铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于 45HRC。 查得蜗轮的基本许用运力 H=268MPa 应力循环次数 寿命系数 3 epHK Tlz za 6 222 9 .5 5 1 0 PT n1 1 1 . 0 5 1 . 0 5AVK K K K 12160EaZ M p82 17006 0 6 0 1 1 0 0 0 0 1 . 0 2 1 010hN j n L 78 810 0 . 7 3 2 41 . 0 2 1 0HNK - 15 - 则 f. 计算中心距 取中心距 A=40.2mm ,因 i=10 ,取 m=2 蜗杆分度圆直径 d1=22.4mm . 这时 查得接触系数 Zp=2.57 因为 Zp0.68 P=0.67Fr+1.41Fa 因 Fa/Fr=1500/12000.68 且工作平稳 取 fp=1 得轴承当量动载荷 预期寿命 Ln=5000h 求该对轴承应具有的基本额度动载荷值 选择 7204AC 基本额度动载荷为 14000N 故选择一对 7204AC 轴承进行双端支承 C 合适 m i n m a x11( ) 3 4ko ooFmKK 2 1 ( 0 . 6 7 1 2 0 0 1 . 4 1 1 5 0 0 ) 2 9 1 9PN 32 6660 6 0 1 7 0 5 0 0 02 9 1 9 1 0 3 4 31 0 1 0hnLC P N - 21 - 4.7 垂直调节螺杆验算 4.7.1 螺杆的强度计算 选用 45 钢为制造材料， s=240Mpa S=1.5 =240/1.5=160Mpa 因为 d1=20mm 螺杆满足强度要求 4.7.2 螺杆稳定性计算 Ss=2.5 4.0 取 Ss=3 根据螺杆柔度 入 s 值大小选用不同公式计算 Far（螺杆临界载荷） 取 0.6 l=80 当 入 s 0.68 且工作平稳，取 f = 1 由于选取 6024 深沟球轴承，此轴承基本额定静载荷 6650N，动载荷 12800N 其相对应 e 值 Fa/Co = 0.27 在 0.17 0.28 之间 对应的 Y 值 1.31 1.15 。 用线性插值法求 Y 值 则 X=0.56 Y=1.47 当量动载荷 P = 0.561200+1.471500=2877N 该轴承的寿命 : 轴承符合设计要求。(1 . 3 1 1 . 1 5 ) ( 0 . 2 8 0 . 1 7 )1 . 3 1 1 . 4 70 . 2 8 0 . 1 7Y 66 31 0 1 0 1 2 8 0 0( ) ( ) 2 3 7 2 26 0 6 0 1 7 0 2 8 7 7hCLnP 预 期 寿 命 - 23 - 结论 通过本次设计我了解到电动座椅是一种机械设计制造学、人体工程学与电子技术相结合的综合产物。电动座椅系统一般由双向电动机、传动装置和座椅调节器等组成。通过座椅调节器实现座椅水平前后移动、座椅上下移动、 座椅靠背的角度移动。 汽车电动座椅的结构主要有 : 可逆直流微型电动机 ( 驱动装置 ) 、传动装置、连接机构、调角器、蜗轮、蜗杆、 滚珠丝杠、水平滑动导轨等部件组合而成。电动座椅由坐垫、靠背、靠枕、骨架、悬挂和调节机构等组成。 由于座椅是衡量轿车档次的重要依据 , 因此电动座椅在具体设计时应该需要引起相关设计人员高度重视 ,尤其是座椅的材料和形状。在工艺结构造型方面 , 则需要充分考虑人体尺寸、人体重量、乘坐姿势和体压分布等因素 , 应用人体工程学的研究成果和先进技术 , 力争制造出能够满足乘坐舒适、久坐不乏的座椅。电动座椅靠背最好能够按照人体轮廓要求设计 , 能为人体的腰部和臀部提供最佳的横向支持。在材料选材方面 , 由于座椅还起到车厢装饰的作用 , 因此座椅面料的颜色要与车厢的总色调配合一致 , 质地优良 , 还要有良好的手感 , 使人们一坐上去就有一种舒适的感觉。 电动座椅的目的是可以带给人们更多的乘车舒适与安全。因此电动座椅的设计需要很好的材料学、人体工程学、结构学、电子学、工业设计学来优化 , 使之更好的为汽车驾乘人员服务。最后 , 笔者迫切希望能够通过此文能够对目前国内汽车行业的发展有所帮助。 - 24 - 致 谢 本设计的完成是在我的导师 *老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时 丁老师 不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后 设计的修改的整个过程中，花费了 *老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！ 还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。 - 25 - 参考文献 1 郭世永 ,仪蕾 ,张生 ,等 ,汽车电动座椅水平调节自动控制的仿真研究 .青岛理工大学学报 ,2007,03. 2 任金东 ,葛安林 ,黄金陵 .基 于知识的汽车驾驶员座椅布置系统 .汽车工程 , 2003,03. 3 陈明华 .基于人机工程学汽车驾驶模拟器座椅的设计 .淮阴工学院学报 , 2007,03. 4 金晓萍 ,仇莹 ,毛恩荣等 .车辆人机界面布局优化推理系统研究 .农业机械学报 , 2008,04.利 .现代轿车电动 6 赵玉生 ,王岩峰 ,苏丕座椅的构造与检修 .汽车与配件 , 2002,04. 7 赵玉生 ,王岩峰 .电动座椅的构造与检修 .汽车维修与保养 , 2001,05 8 吴定才 .汽车电动座椅 .汽车运用 , 2001,03 9 汪立亮 .凌志 LS400 电动控制座位系统的维修 .汽车与配件 , 1998,07 10 吴基安 ,董素荣 .汽车电动座椅与安全带的结构与控制 (上 ).汽车电器 , 2001,02. 11 刘云飞 ,卢杉 ,刘卫东等 ,非标准结构蜗杆传动的设计应用 .河南科技 , 2005,10. 12 郭晓宁 .连杆机构的结构运动学特征及参数化实体运动仿真的研究 .西安理工大学 , 2003 . 14 江耕华 ,胡来瑢 ,陈启松 ,机械传动手册 (上 ).上海 :煤炭工业出版社 ,1990,1121. 15 李涵武 ,汽车电器与电子技术 .哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社 ,2003,452. 17 Asada, terative learning control of shape memory alloy actuators with thermoelectric temperature regulation for a multifunctional car seat. H. Harry. 2006 American Control Conference, Jun 14-16 2006, p 935-939. 18 Hendrix, R.； Crowther, Z.； Nam, E.； Lin, F. Reducing whole-body vibration and musculoskeletal injury with a new car seat design . Ergonomics, v 48, n 9, Jul 15, 2005, p 1183-1199. - 26 - 附录 现代轿车已经不是一个单纯的运载工具，它已经是 “ 人、汽车与环境 ” 的组合体。座椅作为汽车使用者的直接支承装置，在车厢部件中具有非同小可的重要性。汽车座椅的主要功能是为驾驶 者提供便于操纵、舒适、安全和不易疲劳的驾驶座位。座椅设计时应同时满足以下五点基本要求： 一、座椅的合理布置； 二、座椅外形要符合人体生理功能； 三、座椅应具有调节机构； 四、座椅有良好的振动特性； 五、座椅必须十分安全可靠； 座椅安装位置的尺寸是很重要的，它直接影响到使用者的便利性和舒适性。座椅布置要体现出人体工程学的要求。驾驶座椅是最关键的座椅。它的基本要求是布置合理，操纵方便，即乘坐时驾驶者对方向盘、操纵杆和踏板的良好可及性。由于欧美和亚洲人身材的差异，一些国家汽车的座位十分宽阔，一些国 家汽车的座位相对狭小。由于同一地区的人群，也有男性和女性的差异，高大和矮小的差异，驾驶座椅必须要有调节机构，以适应大部分人的身材。 “ 大部分人 ” 这个概念，轿车设计师采用一种二维的人体样板，它根据高度将总人群划分为不同的群组： 5%(所有驾驶者中的 5%身材较矮小或等于这尺寸，其余 95%身材较高大）； 95%(所有驾驶者中的 95%身材较矮小或等于这尺寸，其余 5%身材较高大）。 汽车工业中所应用的总范围在 5%和 95%之间，也就是包括了 90%人群。例如设计可调节座椅与踏板之间的距离，适应尽可能多的驾驶者身材 ，在这里一般取 5%的女性及 95%男性人体样板。 驾驶座椅对方向盘、操纵杆和踏板的可及性决定了人体乘坐的姿势，姿势是由座椅的安排位置和形状设计所决定的。驾驶者乘坐姿势不理想就容易疲劳甚至引起劳损。因此，日本及欧美各大车厂设计驾驶座椅位置都有基本姿势、头部、肩部、手臂、腹部、腿部等活动空间的参考数据，不能随心所欲。 轿车座椅由座垫、靠背、侧背支撑、头枕等组成，它们具有一定的表面形状，座面和靠背的外形曲线应与人体放松状态下的背部曲线相吻合，乘员入座后座椅的表面形状与体压分布能使乘员的肌肉处于最放松的状态， 能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不易感到疲劳。通过对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕前后上下等位置的有限调节，可以使 - 27 - 大部分人处于舒适状态。 座椅的弹簧性能是构成座椅振动特性的关键。试验证明，车辆行驶时尽管地板振动大，但由于座椅弹簧的作用，仍有可能在座椅上获得良好的舒适性，如果弹簧性能不好，则汽车的舒适感会比较差。目前多数座垫采用整体泡沫尿烷缓冲垫，它用螺旋弹簧或者 S 形弹簧埋于泡沫尿烷之中而成，具有结构简单，成本低、无噪声的优点。 对于轿车低靠背座椅而言，头枕是座椅上 一个附件。随着车速的增加，它对人身安全日益重要。汽车一旦发生追尾碰撞，汽车受后面冲击力作用瞬间急速向前，由于惯性作用乘员的头部却会突然向后仰，颈椎承受到很大的加速度力而容易伤害。有了头枕承托，减少头部自由移动的空间就可以降低对颈椎的冲击力。 1998 年 Volvo（富豪）轿车装配的 WHIPS(头颈部保护系统 )当追尾发生时可令靠背头枕与驾乘者同时后移，有效避免颈椎伤害。 目前轿车座椅已与安全带、安全气囊一起构成对乘员的安全防护。轿车座椅本身的坚固程度、对车身连接的可靠性、靠背的强度都有行业规定和试验标准，不 是随便做一个安装上去就行的。 随着现代技术发展，轿车的座椅有装配气动装置的，气压由发动机舱的气泵提供，座椅靠背内分别有 4个气压腔，实现对腰椎部的保护。有靠背分成上下两部分，角度可以分别调整以使腰部和肩部同时紧贴靠背，起到安全保护作用。有在靠背内装一个由电脑控制的电子振荡器，还有按摩保健作用。 附录 Modern cars is not a simple means of delivery, it is already people, cars and the environment, the combination. As a car seat directly support the users device, the car has no small importance of the components. The main function of car seats for the driver to provide ease of manipulation, comfortable, safe and easy fatigue of the driver seat. Seat design should also meet the following five basic requirements: the seat of the rational arrangement； Second, the seat shape to meet the bodys physiological function； Third, the seat should have the regulatory agencies； Fourth, the vibration characteristics of a good seat； Five seats to be very safe and reliable； eat size of the installation location is important, it directly affects the users convenience and comfort. Seating layout should reflect the requirements of ergonomics. Drivers seat is the most crucial seats. Its basic requirement is a reasonable layout and simple operation, that is, when the drivers take on the steering wheel, joystick and pedals for good accessibility. Because differences in European, American and Asian body in some countries is very wide car seat, car seat in some countries is relatively small. As the crowd the same area, there are differences between men and women, the tall and the small differences in drivers seat must have regulatory agencies to meet most peoples body. Most people concept, the car body design used a two-dimensional model, which according to the height of its total population is divided into different groups: Seat size of the installation location is important, it directly affects the users convenience and comfort. Seating layout should reflect the requirements of ergonomics. Drivers seat is the most crucial seats. Its basic requirement is a reasonable layout and simple operation, that is, when the drivers take on the steering wheel, joystick and pedals for good accessibility. Because differences in European, American and Asian body in some countries is very wide car seat, car seat in some countries is relatively small. As the crowd the same area, there are differences between men and women, the tall and the small differences in drivers seat must have regulatory agencies to meet most peoples body. Most people concept, the car body design used a two-dimensional model, which according to the height of its total population is divided into different groups: 5% (all 5% of drivers in the short stature than or equal to this size, the remaining 95% taller large)； 95% (all 95% of drivers in the short stature than or equal to the size of the remaining 5% taller large). Applied in the automotive industry in the total range of between 5% and 95%, that is, including the 90% crowd. For example, adjustable seats and pedals designed distance between the drivers as much as possible to adapt body, where women generally take 5% and 95% of male body model. Drivers seat on the steering wheel, joystick and pedals to take the body and determines the position, posture, seating arrangement by the position and shape of the design of the decision. Drivers to take the posture is not ideal or even lead to fatigue and strain. Therefore, Japan and major European and American design of the depot location has the basic drivers seat position, head, shoulders, arms, abdomen, legs and other reference data space, can not be arbitrary Car seats from the seat, back, dorsal support, headrests and other components, they have a surface shape, seat surface and backrest should be with the body shape curve of the back curve of a relaxed