车辆工程毕业设计（论文）-威驰轿车驾驶员座椅设计【全套图纸】 .doc

i 目 录 摘要i absarstii 第 1 章 绪论1 1.1 概述.1 1.2 汽车座椅的研究内容和设计要求1 1.2.1 研究内容.1 1.2.2 轿车座椅的设计要求1 1.3 汽车座椅的作用和功用.2 1.3.1 汽车座椅的作用.2 1.3.2 汽车座椅的舒适性.2 1.3.3 汽车座椅的安全性.3 1.4 本章小结4 第 2 章 汽车座椅的人机工程设计5 2.1 座椅的人机工程学要求.5 2.2 座椅的结构参数5 2.3 人体模板在车辆座椅设计中的应用5 2.4 座椅布置6 2.5 人体压力在座椅上的分布.6 2.6 座椅的静态舒适性设计6 2.7 座椅的动态舒适性设计7 2.8 本章小结7 第 3 章 驾驶员座椅的结构设计.8 3.1 汽车座椅的结构和分类8 3.2 汽车座椅的主要部件设计9 3.2.1 靠背与座垫设计.9 3.2.2 头枕设计9 3.2.3 座椅调节机构设计10 3.3 本章小结.13 第 4 章 座椅部件设计.14 ii 4.1 板簧的设计14 4.2 高度调节支撑杆的工艺过程设计14 4.3 销的工艺过程设计15 4.4 齿板与调角器手柄的设计15 4.5 滑轨的设计16 4.6 本章小结18 第 5 章 座椅骨架的强度校核19 5.1 有限元算法在汽车座椅安全性研究中的应用.19 5.2 轿车座椅的强度要求.19 5.2.1 座椅的静强度20 5.2.2 座椅的冲击强度.20 5.2.3 座椅的疲劳强度.21 5.3 确定需要分析的部件.21 5.3.1 结果分析.25 结 论27 参考文献28 致 谢30 附 录31 i 摘 要 随着汽车保有量的增加，汽车的舒适性和安全性越来越受到人们的重视。然而 座椅作为直接与人体接触的部件，其重要性自然不言而喻。关于座椅的安全性分析， 其理论和方法都得到了广泛的认可。与此同时，在满足安全性的前提下，如何提高汽 车座椅的舒适性并尽可能的减轻质量，也越来越引起业界的关注。 本设计主要针威驰轿车驾驶员座椅在设计中存在的一些不足进行了优化。同时 参照威驰轿车驾驶员座椅实际尺寸进行改装设计，加装了座椅的升降装置以满足舒适 性的要求。运用 ansys 软件分析座椅骨架的静态特性。 最后通过强度校核以及实际生产中该座椅存在的一些问题，对靠背和座垫骨架 进行了改进，使其工艺更为简单。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 关键词：轿车；驾驶员座椅；静态特性；舒适性；安全性 ii 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 iii 23 第 1 章 绪 论 1.1 概述 汽车座椅属于汽车的基本装置，是汽车的重要安全部件。在汽车中，它将人体和 车身联系在一起，直接关系到乘员的驾乘舒适性和安全性。1886 年德国人戴姆勒制 成了最早的汽车座椅，其座垫是以棉花等软填料作为芯子，靠背是用木板和木条围成。 一百多年来，随着汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅已不是单纯满足乘坐 和美观需要的车身部件，而是关系到汽车的驾乘舒适性和安全性，集人机工程学、机 械振动、控制工程等为一体的系统工程产品。 1.2 汽车座椅的研究内容和设计要求 1.2.1 研究内容 本课题的主要任务是根据驾驶员的安全性、舒适性与座椅的静态特性分析，对轿 车的驾驶员座椅进行结构设计，运用绘图软件绘制出驾驶员座椅的三维实体造型。通 过查阅相关资料，对汽车座椅相关知识有了较深入的理解，并掌握了汽车座椅的设计 思路；了解并掌握了驾驶员座椅的靠背骨架总成结构与座垫骨架总成结构，根据人机 工程学原理，结合驾驶员的安全性与舒适性，确定了汽车座椅的结构尺寸；学习三维 制图软件，并绘制所设计座椅的三维实体造型；应用有限元分析软件，结合国内和国 际标准，对所设计的轿车座椅靠背部分进行静强度受力分析。 本课题的内容可以归纳为以下几个方面： 在阅读大量文献的基础上，要求对汽车座椅材料有全面的了解； 结合国家相关设计标准，对座椅各方面的性能、参数进行研究与分析； 对轿车座椅骨架总成进行设计； 绘制汽车座椅骨架的三维实体模型； 参考我国和国际对座椅系统强度的法规要求，座椅骨架靠背部分结构的 静态强度进行分析； 全文总结。 1.2.2 轿车座椅的设计要求 作为人和汽车之间联接部件，对其性能要求越来越高，轿车座椅设计应满足 以下各点： 安全座椅是支撑和保护人体的构件，必须十分安全可靠，应具有充分 23 的强度、刚度与耐久性。对可调的座椅，要有可靠的锁止机构，以保证安全。设 计的座椅应满足国家标准和法规（形状、尺寸、强度等）的要求。 操纵方便设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手 可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中，便于驾乘者对座椅的前后上下、靠 背的倾斜角度、头枕的前后上下等进行调节。 乘坐舒适按人机工程学的要求，座椅必须具有良好的静态与动态舒适性。外形 必须符合人机生理功能，而且在不影响舒适性的前提下，力求美观大方。 结构成本座椅设计应采用最经济的结构，尽可能地减少质量。 1.3 汽车座椅的作用和功用 1.3.1 汽车座椅的作用 汽车座椅的类型：根据结构、用途及驾乘人员的不同，汽车座椅分为固定座椅和 旋转座椅、可调节座椅和不可调节座椅、可翻转座椅和不可翻转座椅、带减振的悬架 座椅和不带减振的汽车座椅以及专用汽车座椅等。其中，悬架座椅又可分机械悬架座 椅和空气悬架座椅，可调节座犄又分为机械调节座椅、气动调节座椅和电动调节座椅 等。 在现代汽车中，座椅的主要作用是： （1）为人体提供良好的支撑。座椅通过对人体提供合理的体压分布，可以有效的保 证人体在车辆行驶过程中的平衡与平稳。 （2）驾驶员的定位系统。通过座椅对驾驶员的定位，可以使驾驶员获得良好的视野， 并实现驾驶员对汽车操纵系统的控制。 （3）为乘员提供舒适的驾乘环境。座椅中各种人性化的附属设备以及豪华配置，能 为乘员提供优越的驾乘环境。 （4）在汽车受到撞击时最大限度的保护乘员的安全。合理的配置头枕和靠背的软垫， 防止驾驶员或乘员的颈部以及头部在汽车发生碰撞时受到意外伤害。 简而言之，汽车座椅的功能为：在规定的条件下，能够为驾驶员和乘员提供舒适的位 置并保证乘员的安全。 1.3.2 汽车座椅的舒适性 座椅设计的基本原则，汽车座椅设计是一项复杂的系统工程，它涉及机械、化工、 纺织、喷涂、热处理、美学、力学、人体工程学等多门学科，设计时应依据人体工程 学原理综合考虑座椅的舒适性、减振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，还要考 虑人体生理特征及尺寸，进行量身定做，以提高座椅的乘坐舒适性。 汽车乘坐的舒适性包括静态舒适性，动态舒适性（又称作振动舒适性）以及操作舒适 23 性三方面内容。座椅的静态舒适性是指座椅在静止状态下提供给人体的舒适特性，主 要与座椅尺寸参数、表面质量、调节特性等有关；动态舒适性是指汽车在运动状态下 通过座椅骨架以及软垫将振动传递到人体的舒适特性；操作舒适性是驾驶员和乘员在 车内正常活动（如操纵方向盘）的舒适程度，主要与座椅和车内其他部件的布置有关。 1、汽车座椅的静态舒适性 设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰 撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。 座椅静态舒适性是人体工程学在座椅设计中的具体应用，它通过人体舒适坐姿、合理 的体压分布、人体测量的基本数据和视觉美学等使座椅的设计满足人的生理和心理要 求，为乘员提供舒适、安全的驾驶和乘车条件。 2、汽车座椅的动态舒适性 设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理的体压 分布并使其肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常；并具有腰椎依 托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。能有效隔离或衰减路面不平产生的振动，满足大 多数驾乘者坐姿舒适性的要求。 汽车座椅的动态舒适性与座椅以及人体的振动特性密切相关。来自路面的振动（或激 励）通过轮胎、汽车悬架和座椅三个减振环节传递到人体，每一部分的传递特性都影 响到乘员的舒适程度。研究表明：座椅动态参数的改变对汽车其它使用性能没有影响， 而且制造方便易行，周期短、见效快。因此，研究和改善座椅动态性能，对提高驾乘 舒适性有着十分重要的意义。 3、汽车座椅的操作舒适性 设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置， 并符合常人的习惯且操纵力量适中。座椅的操作舒适性主要包括以下两方面：一方面， 就座椅的各种调节装置而言，应该是使操作更容易实现，并且更容易达到；另一方面， 在保证静态舒适性的前提下，为驾驶员提供更为广阔的操作空间，也将成为座椅操作 舒适性研究的主要方向。 1.3.3 汽车座椅的安全性 汽车座椅的安全性是指座椅能有效的防止事故的发生，并在事故发生时有效的减 轻驾驶员及乘员所受伤害的能力。根据座椅在碰撞事故发生时和发生后对减轻乘员伤 害程度的不同作用，可以将座椅的安全性分为主动安全性和被动安全性两个方面。 1、汽车座椅的主动安全性 23 座椅的主动安全性是指座椅能够有效地防止事故发生的能力。座椅系统的设计与 驾驶员视野、驾驶员定位以及其它汽车控制系统功能的更好发挥息息相关，这些系统 之间配合的好坏也不同程度的影响座椅的主动安全性。另外，应当指出的是，座椅的 舒适性与主动安全性有关，舒适的座椅可以为驾驶员提供一个良好的工作环境，使其 心情愉快、精力集中，从而有效地防止交通事故的发生，提高汽车的主动安全性。 2、汽车座椅的被动安全性 座椅的被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员进行保 护，避免发生伤害或使伤害降低至最低程度的性能。一个好的汽车座椅要能够减轻驾 驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求，更要有足够高的结构强度和刚度，以便与 安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓解碰撞的强度，力图使乘员的损伤指标达 到最小。 在各种事故中，座椅作为减少损伤的安全部件起着重要的保护作用。首先，在事 故中它要保证乘员处在自身的生存空间之内，并防止其它车载体（如其它乘员、货物 等）进入到这个空间。其次，要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，以保证其 它的约束系统能充分发挥其保护效能。 1.4 本章小结 本设计力求在驾驶员座椅传统设计的基础上，在满足上述座椅作用和功能的前提 下，对座椅材料和结构加以改进，以达到减轻座椅质量，降低座椅生产成本的目标。 23 第 2 章 汽车座椅的人机工程设计 2.1 座椅的人机工程学要求 1)各部贴合感：要求座椅靠背和坐垫的形状与人体背部、臀部及大腿底面的形状 相贴合。贴合感强的座椅将有利于改进接触面积和部位。 2)横向稳定性：汽车转弯时，人体承受横向加速度，为了提高乘员的身体保持性， 要求座椅的侧面稍加高，以便两跨和大腿部能轻轻支承身体。 3)背部和腰部的合理支承：汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支承， 第一支承位于人体第 56 胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支承 设置在腰曲部位，作为腰靠，能保证乘坐姿势下近似于正常的腰曲弧线。 4)各部合适的软硬感：座椅最重要的作用是支撑乘员的身体，不能只是一把安乐 椅，表面硬一些的座椅不易使人疲劳，但与身体不是特别贴合的硬座椅会压迫身体的 某一部分，使疲劳感倍增。 5)振动舒适性：需要设计好座椅的静态刚度、共振频率及衰减特性。 2.2 座椅的结构参数 汽车座椅的舒适性通常包括震动舒适性、坐姿舒适性和操作舒适性。震动舒适性 一般不能只靠尺寸参数来保证，而驾驶席的坐姿舒适性和操作舒适性以及乘员席的坐 姿舒适性则通过座椅的结构和尺寸参数得到相应程度的保证。座椅的尺寸结构参数可 参考驾驶或乘坐姿势下人体尺寸的测量值加以确定。 2.3 人体模板在车辆座椅设计中的应用 利用人体模板考察车辆室内主要人机工程学设计参数，用以了解和评价汽车的人 机工程设计。以人体参数为基础建立的人体模型是描述人体形态特征和力学特征的有 效工具，是对人及系统进行考察研究、分析评价、实验设计不可缺少的重要辅助手段。 根据人体测量数据进行处理和选择而得到的标准人体尺寸来制作的。将人体模板置于 1-“l 模型或样车的作业空间内，或将二维人体模型置于设计图纸的相关位置，可用 于校核设计的可行性和合理性。结合精确的人体模板中各种主要的人体参数。按照一 定的经验理论，考察汽车室内主要人机工程学设计参数。根据人体模板的标准参数， 包括人体静态尺寸(主要是坐寸)、功能尺寸(坐姿活动范围尺寸)、作业尺寸(主要是 23 手部、脚部的力学参数)等，确定相应的汽车车厢空间、座椅位置、转向盘、操控台、 扶手等的设计参数。具体分类上主要是人体的舒适性设计参数(座椅、室内空间等)， 操作性设计参数(方向盘、控制台、扶手、脚踏板等)以及安全性设计参数等。 2.4 座椅布置 根据人体的舒适坐姿和汽车设计对人体的布置要求，对座椅进行布置并确定座椅 与操纵装置的相对位置；按舒适坐姿选择座椅的座面高度、座宽、座深、座面倾角、 靠背的高、靠背与座面夹角；按汽车中利用人体样板进行人体布置的原则，来确定座 椅与操纵装置的相对位置，确定出座椅与方向盘和加速踏板的相对位置，同时确定座 椅的水平调节量和垂直调节量。 2.5 人体压力在座椅上的分布 人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐舒 适性的重要因素。人就坐时，身体重量的大部分(约 80)经过臀部、背部隆起部分 及其附着的肌肉压在座椅面上。座椅各部位的受力分布如图 2.1。 图 2.1 人体压力分布图 2.6 座椅的静态舒适性设计 座椅的静态舒适性设计须考虑的因素很多，可以概括为以下基本原则： 座椅的尺度必须参照人体测量学数据确定； 座椅可适当调节，以满足坐姿变换； 23 座椅所使用的材料应适应人体的舒适性； 座椅的位置要与其作业空间相协调，便于人员作业。 由坐姿生物力学分析，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜， 保持上体和大腿间角在 90115。同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌 间也应达到一定角度。另外，根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的温湿度特性， 可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。 2.7 座椅的动态舒适性设计 驾驶员座椅动态舒适性主要与震动特性有关。对于有悬架的座椅系统，影响其动 态特性因素有：座垫的刚度和阻尼系数，悬挂系统的质量、刚度和阻尼系数以及座椅 系统连接件的摩擦；对于非悬架座椅系统主要考虑座垫的刚度、阻尼以及座椅钢架结 构的动态性能。刚度决定座椅的共振频率，二阻尼系数决定座椅的振动衰减特性。虽 然座椅系统的质量和结构连接件的摩擦会影响整个座椅系统的动态性能，但由于质量 和摩擦受其他因素限制而不会变化太大，所以刚度参数和阻尼系数就成了影响整个座 椅系统动态性能的主要因素。影响驾驶疲劳的震动主要是行驶中因道路凹凸不平而引 起车辆书记振动和车辆本身的机械振动。驾驶员受到纵向、横向及垂直方向的直线振 动，以及绕着 3 个方向的角振动。其中垂直振动和绕纵、横坐标轴的角振动对人体的 影响较大。振动通过座椅传递到人体的臀部、后背部而引起全身性振动。因此，在设 计汽车座椅时应尽量隔离人体敏感的振动。在座椅设计中可采取如下措施：减小座椅 共振频率，降低对人体最有影响的高频区；降低共振时的振动传递率；降低乘员 10 hz 附近的振动传递率，以减轻弹簧以下的共振的影响和减少来自座椅靠背的高频振 动；把路面一轮胎、悬架、座椅一人三者看作一个整体大动力学系统，寻求在各种路 面随机输入情况下使乘员不易疲劳的最优结构。另外，对于座椅的动态特性按照传入 人体的能量最小、使人体在感频率区域动态响应最小、传给人体的加速度均方根值最 小等目标进行优化，与汽车的其他减振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境， 这些都是减轻驾驶疲劳的重要措施。 2.8 本章小结 人机工程学应用于汽车座椅设计，能使座椅符合人体需求，从而保证乘坐和驾驶 的舒适性和行车安全性。能提高人车接口的设计水平。随着数字化设计应用的不断深 入，人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确，人机工程学将更注重人的信息处 理能力，更注重人一机环境的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这 个新的系统，以创造出更适合于人类使用的汽车，使人机系统的综合效能达到最佳水 23 平。 第 3 章 驾驶员座椅的结构设计 3.1 汽车座椅的结构和分类 汽车座椅一般由座垫、调节装置、靠背、头枕和座椅连接件组成，设计原则的依 据是：座垫、靠背的造形和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲线相吻合， 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； 骨架及各机构应能满足强度(安全)要求和使用要求，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，使大部分人处于舒适状态。 如下图 3.1 所示。 图 3.1 汽车座椅结构示意图 汽车座椅骨架是汽车座椅的基础结构，可分为靠背骨架和座垫骨架两部分。座椅 骨架常用轧制型材（钢管、型钢）制成或用钢板冲压焊接而成，并用螺钉直接固定或 通过座椅调节机构固定在车身上。座椅行程调节装置、靠背角度调节装置、限位装置 等是与座椅相关的一些机械装置。其中座椅行程调节装置是安装在座垫骨架和地板之 间，调节座椅与地板的前后和上下位置的机械装置。靠背角度调节装置安装在座垫骨 架和靠背骨架之间，是用来调节座椅靠背角度的机械装置。 座椅的分类方法很多，按功用可分为：驾驶员座椅、乘员座椅、儿童安全座椅； 23 按性能可分为：固定式、可拆式、调节式；按形状可分为：分离式、半分离式、长凳 式；按乘坐人数可分为：单人、双人、多人等。 近年来，随着汽车工业的发展，许多具有特殊功能的座椅陆续面市，如冷热可调 式座椅、防下滑式座椅、带按摩功能的座椅、带电子记忆调节装置的座椅、空气悬挂 式座椅等等，极大提高了驾乘舒适性和安全性。 3.2 汽车座椅的主要部件设计 座椅部件主要包括座垫、靠背、头枕、骨架、蒙皮、减振机构、调整机构等。设 计原则的依据是：座垫、靠背的造形和曲线应与人体放松状态下的背部曲线和臀部曲 线相吻合，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；骨架及各机构应能满足强度(安全)要求和使用要求，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，使大部分人处于舒适状态。 3.2.1 靠背与座垫设计 靠背的设计主要指强度设计和造型设计，设计时应使靠背的高度、形状符合人体 曲线，使背部肌肉处于放松状态，并能给背部、肩部有效可靠的支撑，使驾驶员保持 稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。设计时，靠 背的高度和宽度一般分别为 600 mm 和 480 mm。不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘 内压力及背部肌肉负荷。当靠背倾角超过 110时，椎间盘压力显著减小，所以设计 时应考虑合理的靠背倾角。为了提高舒适性，满足司乘人员在休息时的需求，靠背倾 角应为可调式，并且调整范围尽可能大。一般载重汽车为 100115，大客车为 95135，轿车为 80170。本设计靠背高度为 600 mm,宽度为 480 mm,靠背 调节角度为 80160。 座垫设计主要是座垫深度和坐垫倾角的确定。座垫深度的设计原则是在充分利用 靠背的情况下，使臀部得到合理支撑。人体在坐姿状态下，坐骨与小腿足部构成稳定 的人体支撑。座垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引 起疲劳；座垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适：因此，座垫的 深度应按臀部至大腿表面全长的 3/4 设计，一般取 400480 mm 。座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为 210。本设计中座垫深度取 450 mm,座垫倾角取 5。 3.2.2 头枕设计 头枕是为提高汽车乘坐舒适性和安全性而设置的一种辅助装置。头枕的主要作用 是保障安全，一旦汽车发生追尾碰撞，颈椎会承受到很大的加速度而容易伤害。有了 23 头枕的承托，可以减少头部自由移动的空间，降低对颈椎的冲击力，起到避免或减轻 乘员颈部受伤的作用。按照国家标准，汽车座椅头枕属汽车整车强制认证检测项目之 一，汽车前排座椅应装有头枕。本设计中头枕的结构如图 3.2 1.头枕靠面总成 2.竖梁 3.导向套 4.卡簧 5.横梁 图 3.2 头枕结构简图 具体尺寸如表 3.3 表 3.3 座椅头枕基本尺寸 名称参数值 头枕竖梁直径 d1/mm 12 头枕竖梁上半部分长度 l1/mm 155 头枕竖梁上、下部分的夹角 /( 。) 134 头枕靠面的宽度 w1/mm 180 头枕横梁直径 d2/mm 7 头枕横梁下半部长度 l2/mm 118 头枕靠面厚度 th/mm 1.5 3.2.3 座椅调节机构设计 调节机构主要包括座椅高度调整机构、前后位移调整机构(即座椅滑道)、靠背仰 角调整机构(即调角器)等。 （1）高度调整机构 高度调整机构是调整座椅在车厢内垂直位置上下移动的机构，有机械调整机构、 可控空气弹簧调整机构、气动调整机构和电动调整机构等。高度调整的范围应根据人 23 机工程学原理，以能满足大部分人群的使用要求为目标进行确定，一般调整范围为 0100 mm 。 高度调节机构主要由一套铰接杆件和调整螺杆组成，当高度调节机构下端和上端 分别固定在底座侧板与轨道上时，铰接的杆件便与底座侧板、轨道呵调整螺杆组成了 上下两个等腰梯形，具有稳定的整体性，防止其自由变形。如图 3.4 图 3.4 高度调节示意图 其中，铰接杆件 2 与调整螺杆连接部分为光滑通孔，与调整螺杆无螺 纹一端相接合，在调整螺杆有螺纹部分与连接杆件 2 的接触处，焊有有固定螺母， 将铰接杆件 2 固定在调整螺杆有螺纹处和无螺纹处的中间，限制其沿调整螺杆轴向 的自由度。铰接杆件 1 与调整螺杆连接部分为内螺纹结构，与调整螺杆的外螺纹相 连接，当调整螺杆转动时，铰接 杆件 1 会沿调整螺杆轴向移动，改变铰接杆件上下 杆与调整螺杆的角度，从而使底座得到垂直方向的的位移改变。如图 3.5 调整过程中高度调节机构主调整一侧的垂直方向位移改变会通过座椅左右 两侧铰接杆件间的前后杆，带动另一侧的铰接机构产生垂直位移，达到底座在垂直方 向位移整体改变的目的。高度调节机构铰接杆件部分材料为 45 钢。 图 3.5 连接图 （2）滑道 23 滑道是调整座椅在车厢纵向水平位置前后位移的机构，有单锁止滑道和双锁止滑 道之分，滑道的选用一般根据锁止强度确定。例如：当安全带固定点不在座椅上时， 一般选用单锁止滑道；当安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道或加强双锁止滑 道。滑道位移的尺寸即座椅前后调整的距离需根据相应人体尺寸和人机工程学原理确 定，一般前后调整距离为 0 100 mm 。本设计中采用的的是双锁止滑道，调整距 离为 0 100 mm。 （3）调角器 调角器是对靠背、座垫夹角进行调整和锁止的机构。锁止强度必须能满足 gb 15083-1994汽车座椅系统强度要求及实验方法的规定。调角器分为机械调角器和 电动调角器，机械调角器又包括机械板式调角器、机械杆式调角器、双联动调角器等。 机械板式调角器一般是采用棘轮棘爪或齿条齿板工作原理及板簧式复位结构，最大能 够实现 180范围有级调节及折叠，适用于各类汽车驾驶员座椅。机械杆式调角器由 可控气弹簧和连接件组成，适用于大客车乘客座椅。双联动调角器是指左右两套调整 锁止机构在一套调整机构控制下同时动作，同时锁止，具有锁止强度高等优点，适用 于各类载重汽车驾驶员座椅。电动调角器一般采用齿差行星齿轮传动原理或齿差双联 摆线针轮行星齿轮传动原理，具有传动平稳、强度高、调解范围大等优点，适用于高 档汽车驾驶员座椅。本设计中采用的调角器为机械板式调角器，其结构如下图 3.3 所 示。 图 3.3 调角器结构简图 座椅滑轨 23 座椅滑轨是座椅总成中最为重要的一个零部件具有非常高的技术含量和专利保 护，其不仅仅是一个重要的功能件，也属于汽车安全件之一。座椅滑轨配合手动锁装 置可实现座椅在水平位置的手动调节配合电机和驱动机构可实现座椅在水平位置的 自动调节市场应用非常广阔。在座椅安全性能指标中座椅滑轨需要承受 24kn 以 上的静拉力而且要保证滑轨在受到正压及侧拉等各个方向的力时要受力均衡不能 产生功能失效。这就对滑轨截面形状的设计和滑轨原材料本身提出了非常高的要 求需要科学合理的设计滑轨截面特别是滑轨原材科本身需要抗拉强度达到 600mpa 以上而国内企业的钢材还不能满足原材料如此高的抗拉强度。 座椅滑轨的另外一个技术难点在于滑轨制造技术其要求生产企业具备非常高的大型 精密模具和冲床。而国内在这方面的研究也相对落后于国外技术不能满足产品的设 计要求。 在国外，座椅滑轨的主要市场被博泽和佛吉亚等企业所控制是许多整车厂的指 定供应商其产品技术具有结构紧凑和抗拉强度高等优点。未来座椅滑轨将朝着质量 轻、强度高、集成化和平台化的方向发展。 国内生产座椅滑轨厂家主要有上海明芳汽车部件有限公司、湖北中航精机科技股 份有限公司等面对的市场是低端汽车，且其技术都不能满足中高端汽车所需的安全 和性能等规范。宁波双林汽车部件股份有限公司正在研发通用型座椅滑轨并实现了 手、电动滑轨平台的统一已经申请了专利。其设计与国外座椅滑轨厂家如博泽和佛 吉亚等相比较，正在缩短差距。 3.3 本章小结 本章针对驾驶员座椅的结构和分类进行分析，并对座椅的主要部件靠背、座垫、 头枕、调节机构（高度调整机构、滑轨、调角器）进行设计和选则，分析了各机构的 优缺点。 23 第 4 章 座椅部件设计 4.1 板簧的设计 板簧是控制座椅靠背自动回位的重要部件。座椅调角器板簧，由板条绕制而成， 板条的横截面呈圆弧形，如图 5.1。65mn 弹簧钢，锰提高淬透性，12mm 的钢材油 中可以淬透，表面脱碳倾向比硅钢小，经热处理后的综合力学性能优于碳钢，但有过 热敏感性和回火脆性。用作小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制作 弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧及冷拔钢丝冷卷螺旋弹簧。65mn 强度.硬度.弹 性和淬透性均比 65 号钢高，具有过热敏感性和回火脆性倾向，水淬有形成裂纹倾向。 退火态可切削性尚可，冷变形塑性低，焊接性差。 受中等载荷的板弹簧，直径达 7- 20mm 的螺旋弹簧及弹簧垫圈.弹簧环。因此，板簧的材料选用 65mn 弹簧钢。 抗拉强度 b (mpa)：980(100) 屈服强度 s (mpa)：784(80) 伸长率 10 ()：8 断面收缩率 ()：30 硬度 ：热轧,302hb;冷拉+热处理,321hb 图 4.1 板簧 4.2 高度调节支撑杆的工艺过程设计 高度调节支撑杆（图 4.2）是高度调节铰接杆件中的一部分，其通孔部分要分别与销 23 和底座前杆或后杆进行转动配合。 图 4.2 高度调节支撑杆 4.3 销的工艺过程设计 销（图 4.3）是座椅骨架整体装配中的一个零件，其与高度调节支撑杆进行转动 配合，并通过与螺母扣合将高度调节支撑杆固定在座椅骨架导轨上，只能让高度调节 支撑杆绕其做旋转运动，而限制其他自由度。 图 4.3 销 4.4 齿板与调角器手柄的设计 齿板是连接手柄、板簧、平衡弹簧的重要部件如图 4.4。齿板的材料选用 45 号钢。 23 图 4.4 齿板 手柄是调节调角器的重要零件如图 4.5。手柄材料选用 45 号钢。 图 4.5 手柄 热处理:推荐热处理温度：正火 850，淬火 840，回火 600 45 号钢为优质碳素结构用钢 ,硬度不高易切削加工,模具中常用来做 模板,梢子,导 柱等,但须热处理。45 号钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。 调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特 别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。 可用调质表面淬火提高零件表面硬度。 4.5 滑轨的设计 滑轨的材料选择 st12， st12 是普通冷轧刚，st13 冲压级冷作刚，st14 是深拉 23 伸级的。 滑轨分为上滑轨和下滑轨两部分，如图 4.6 为上滑轨，图 4.7 为下滑轨。 st12：表示为最普通的钢号，与 q195、spcc、dc01 牌号材质基本相同 st12 力学 性能：屈服强度 a mpa280;抗拉强度 mpa270410;断后伸长率 （l0=80mm，b=20mm）28 图 4.6 上滑轨示意图 冷轧钢是我们最常见和最常用的冷轧产品。其牌号一般可分为： st12，st13，st14，st25，st16 等；机械性能：其是最普通的，最基础的钢号，原 则上（钢厂规定）只能折弯，成形，不允许冲压。 冷轧板带用途很广，如汽车制造、电气产品、机车车辆、航空、精密仪表、食品 罐头等。 st12 成分：碳(c)0.10,锰(mn)0.50,磷(p)0.035,硫(s)0.035,alt a0.020 图 4.7 下滑轨示意图 23 4.6 本章小结 针对座椅的主要部件调角器手柄、齿板、板簧和上下滑轨进行设计和选择。确定 其选材及特点。 23 第 5 章 座椅骨架的强度校核 5.1 有限元算法在汽车座椅安全性研究中的应用 座椅安全性设计的研究手段有很多。初期人们在试验室中利用座椅静态特性试验、 台车碰撞试验等方法模拟各种工况，虽然取得了巨大的成功，但是耗资巨大、耗时较 长以至于每一次修改设计的周期都很长。随着计算机技术的不断发展，有限元算法逐 渐运用到了汽车座椅安全性的研究中。 汽车座椅骨架属于空间杆系结构。对于驾驶员座椅，由于装有各种调节结构，其 结构是非对称的；同时，汽车在行驶过程中，座椅上承受着复杂的载荷，结构的各个 杆件既受弯曲又受扭转。对于这种复杂的结构，运用有限元法进行力学分析具有明显 的优越性。早期的汽车座椅骨架大都采用简单的钢管结构，因此，设计人员最早采用 空间梁单元进行强度分析。受硬件设备与软件水平的限制，当时的座椅有限元模型都 比较简单，单元和节点数目较少。随着座椅结构形式的不断变化，单纯用梁单元已不 足以精确地描述座椅骨架的结构，于是，设计人员越来越多地使用了其他的单元形式 建模，如空间板壳单元、实体单元等。 随着人们对安全性要求的不断提高，冲击载荷作用下座椅的强度问题越来越受到 人们的重视。碰撞试验是进行座椅安全性研究最早采用的方法，但是碰撞试验费用的 昂贵和耗费时间，使每一次修改设计的周期变得很长。于是，人们转向另外一条研究 座椅安全性的途径模拟计算方法，随着计算机模拟计算的应用和发展，它的优点 逐渐展现出来。例如在方案设计阶段就可以对座椅的冲击强度特性有一个基本的认识， 避免低劣的方案投入设计和开发；计算所得的详细数据，可以反映出每一细微部分的 变形过程，为设计人员提供更详细的资料，这是碰撞试验无法做到的。 5.2 轿车座椅的强度要求 汽车座椅的强度特性是影响座椅安全性的主要因素。汽车座椅强度直接关系到座 椅的安全性，是座椅安全性设计的首要内容。汽车行驶中，座椅要承受复杂的载荷， 汽车座椅必须有足够的强度，以确保座椅上的人所受的伤害最小;座椅的寿命应该足 够长，不至于过早变形或损坏;受冲击载荷作用时，座椅不应发生断裂、严重变形等 损坏现象。从座椅所受载荷的形式上分，汽车座椅的强度可分为座椅的静强度，冲击 强度和疲劳强度。座椅静强度特性直接影响座椅的安全性和乘坐舒适性，是座椅设计 中的重要问题。在静态载荷作用下，座椅软垫对强度特性的影响很小，因此座椅的静 23 强度特性主要是针对座椅骨架而言的 5.2.1 座椅的静强度 为了确保汽车的安全，世界各国都制定了相应的安全标准和技术法规。 座椅总成静强度法规： 美国 fmvss-207 对座椅总成静强度规定，在座椅总成质心处水平向前、水平向 后，施加 20 倍座椅总成质量的载荷，座椅应能承受以上载荷。在欧洲 ece-r17 中 对座椅总成静强度的规定与之类似。我国 gb15083-1994 汽车座椅系统强度要求及 实验方法中对座椅总成静强度也作了类似规定，要求在座椅总成质心处水平向前、 水平向后对其施加 20 倍座椅总成质量的载荷，座椅及固定点应能承受以上载荷，座 椅不得与车体分离。对于可调式座椅，调节装置应能使座椅保持原调节位置，在试验 后允许失去调节功能。 座椅靠背静强度法规： 在 fmvss-207 法规中对靠背静强度规定，对座椅靠背施加相对于座椅参考点 r 点，大小为 372nm 的载荷时，座椅应能承受以上载荷。其它法规规定虽然与之有 所差别，但中心思想是一致的；在 ece-r17 中对靠背静强度的规定是对座椅靠背施 加相对于座 椅参考点 r 点，大小为 530nm 的载荷，座椅应能承受以上载荷，试验后及试 验中，座椅骨架、座椅固定点及位移系统、调节系统或锁止系统不得失效，我国也根 据本国实际情况，制定了座椅靠背静强度法规，在 gb15083-1994 中作了如下规定， 对座椅靠背施加相对于座椅参考点 r 点，大小为 373nm 的载荷时，座椅应能承受 以上载荷。座椅及座椅固定点应能承受以上载荷；锁止机构不得打开；位移及角调节 机构不得松脱。 5.2.2 座椅的冲击强度 座椅的冲击强度是随着安全性研究的开展而逐渐受到人们重视的，它的主要内容 是通过实验和仿真分析相结合的方法，研究座椅在冲击载荷作用下的强度特性，使其 在碰撞事故中为乘员提供良好的保护作用。汽车座椅安全性研究始于上世纪五十年代， 美国南加州大学最早使用志愿者进行了低速追尾碰撞试验，发现当时的低靠背座椅在 碰撞事故中不能提供良好的支持，容易导致乘员的颈部损伤。研究人员还发现，座椅 靠背向后的屈服变形有助于保持头、颈和躯干的对齐，可以降低乘员受伤害的程度， 在中等或者高强度的追尾碰撞事故中，柔性靠背不足以为乘员提供有效的保护，可能 会导致靠背破坏，因此需要提高座椅靠背的强度。在近些年的研究中，汽车座椅的安 全性研究主要集中在汽车尾部碰撞的乘员保护上，并逐渐形成了座椅设计中的柔性设 23 计和刚性设计两种概念。按照上述两种方法设计的各种座椅结构形式，在可控的试验 条件下都得到了肯定性的结论。但这两种强度设计概念是针对不同强度的碰撞条件形 成的，如何做到各种在条件下保护作用都能够兼顾仍然是座椅强度设计中的重要课题。 5.2.3 座椅的疲劳强度 座椅的疲劳强度分为座垫的疲劳寿命和骨架的疲劳强度两个部分。座椅的疲劳强 度关乎座椅的安全性舒适性。 patrickglance 于 1986 年提出了座椅软垫的简化模型，把座垫分成许多个高度 与座垫等厚的柱体单元，柱体在承受压力是不产生横向变形，柱体之间靠剪应力相互 作用。这个模型不但可以用于座垫的强度分析，还可以应用于体压力分布计算。此外， 在工程实践中，人们也尝试着通过疲劳试验的方法研究座垫材料的性能，骨架的疲劳 强度问题则涉及到可靠性设计、金属材料的累积损伤理论等方面的内容，一般采取以 试验为主的方法进行研究。 5.3 确定需要分析的部件 由上节可知，座椅骨架的静强度法规主要包括座椅总成静强度法规和座椅靠背静 强度法规等。受于能力和时间的限制，本毕业设计中，只对座椅靠背静强度法规的相 关内容进行静强度分析。并且，分析的前提是假设除了靠背部分的座椅骨架部件都为 满足法规要求的理想情况，进而对靠背骨架的两侧侧板和上横梁进行有限元建模与静 强度分析。 1 加载靠背骨架的材料 靠背骨架两侧板和上横梁的材料均为 q215a，其弹性模量 e=2.1e5mpa；泊松系数 v=0.3；如图 5.1 23 图 5.1 材料特性加载对话框 2 进行网格划分 对座椅靠背骨架进行网格划分，初选网格密度为 6.如图 5.2 图 5.2 网格密度设置对话框 3 在靠背骨架上定义约束 在座椅靠背骨架两侧板的下端边缘圆孔处对座椅靠背骨架施加全约束，使其上所有节 点的位置固定不变。如图 5.3 图 5.3 加载约束对话框 23 4 在靠背骨架上施加载荷 我国在 gb15083-1994 中规定，对座椅靠背施加相对于座椅参考点大小为 373n.m 的载 荷，为了满足 gb15083-1994 的规定在座椅靠背中部横版处施加 1318n 的力，以产生 373n.m 的力矩。如图 5.4 图 5.4 输入载荷大小对话框 5 计算求解 完成前期数据输入后进行 ansys 求解计算，得到综合位移图 5.5 和等效应力图 5.6。 综合位移图 5.5 位移显示代表变形情况，用颜色代表位移值。由图可知最大位移处出 现在中部横板处为 0.7mm。 23 图 5.5 综合位移图 等效应力图 5.6 用于显示应力分布情况，用不同颜色代表不同应力值。由图可知座椅 靠背骨架的最大应力出现在侧板中下部，最大应力值约为 66mpa.没有达到 q215a 的 屈服极限 215mpa。因此满足相关要求。 图 5.6 等效应力图 5.3.1 结果分析 通过对轿车座椅有限元模型的静力分析，在以下方面对其结果进行分析： 靠背结构形式上，在除靠背外其他座椅骨架部件均满足相关标准法规的理 想前提下，采用两侧板上横梁的冲压壳体结构，其中侧板冲压壳体厚度为 0.7mm， 上横梁冲压壳体厚度为 1.4mm，基本可以满足国际和国内法规对靠背强度的要求。 材料选择上，对于靠背骨架，选定的 q215a 冲压钢板在静力分析中，材料 属性基本满足相关法规标准对座椅骨架强度的要求。座椅靠背骨架所受最大的应力 约为 70mpa 左右，满足材料 q215a 的强度要求。 对靠背骨架施加规定载荷时，靠背骨架的最大位移量出现在靠背骨架上横 梁处，其位移量约为 0.7mm，靠背骨架没有出现严重变形，不会影响其强度和使 用性能。 由座椅靠背骨架结构静态特性有限元仿真分析的结果来看，其整体结构及 材 料选择均基本满足法规和标准对其强度的要求 23 结 论 汽车座椅是汽车重要的部件，它严重影响乘员的安全性