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6 结语 本文在建立了基于 ANSYS 的某巨胎液压硫化机的参数化 有限元模型及分析计算的基础上 确定了其轻量化设计的数学模 型 采用一阶方法进行分步优化 获得较好的优化结果 使结构总 重量下降了 12 5 将调整尺寸后的结构重新进行有限元分析 结果表明 优化后的硫化机结构满足强度 刚度等要求 达到了结 构轻量化优化的目的 从而获得了轻量化设计方案 本文将有限 元分析技术与结构优化方法相结合并应用于工程实际 不仅改善 了构件的应力分布需要 而且更加节省材料 在很大程度上减少 了设计成本和周期 为结构设计提供了必要的设计依据和新的研 究方法 也为企业的生产起到一定的指导作用 参考文献 1 陈树勋 李威龙 双模轮胎硫化机结构的优化设计 J 机械设计与制造 2002 10 5 66 68 2 龚曙光 谢桂兰 邱爱红 ANSYS优化技术在零部件设计中的应用 C ANSYS 中国用户年会论文集 2002 1013 1017 3 CEN Da bing WANG Rong Finite Element Analysis of Giant Tire Hydraulic Vulcanization Machine C PROCEEDINGS OF THE THIRD INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHANICAL ENGINEERING ANDMECHANICS 录用 2005 4 余伟炜 高炳军 陈洪军等 ANSYS 在机械与化工装备中的应用 M 北 京 中国水利水电出版社 2007 5 博弈创作室 ANSYS7 0 基础教程与实例详解 M 北京 中国水利水电出 版社 2004 6 刘齐茂 汽车车架的结构优化设计 J 机械设计与制造 2005 4 1 3 7 卞钢 船体结构强度有限元分析与优化 D 硕士学位论文 大连 大连 理工大学 2005 8 陈衡治 徐爱敏 叶昌勇等 杭州湾大桥北航道桥结构优化研究 J 中国 铁道科学 2004 3 76 79 9 李黎明 ANSYS 有限元分析实用教程 M 北京 清华大学出版社 2005 10 蔡有成 李剑敏 俞亚新等 基于 APDL 的平板硫化机整体参数化建模 与分析 J 浙江理工大学学报 2009 26 2 251 254 11 王学文 杨兆建 段雷 ANSYS 优化设计若干问题探讨 J 塑性工程学 报 2007 14 6 181 184 12 赵韩 钱德猛 基于 ANSYS 的汽车结构轻量化设计 J 农业机械学报 2005 36 6 12 15 汽车座椅调角器智能化设计分析与试验验证 赵 波范平清赵礼辉 上海工程技术大学 汽车工程学院 上海 201600 Intelligent design analysis and experimental verification of automobile seat angle adjuster ZHAO Bo FAN Ping qing ZHAO Li hui College of Automobile Engineering Shanghai University of Engineering Science Shanghai 201600 China 文章编号 1001 3997 2010 12 0062 03 摘要 实现汽车座椅调角器的智能化设计 运用相关参数化设计理论及 WAVE 来控制调角器 的控制参数 对调角器进行运动学分析和有限元分析 将理论分析与试验的物理模型进行对比 获得较 为完善的调角器智能设计模型 关键词 调角器 智能 试验验证 Abstract To achieve Intelligent Design of Automobile seat angle adjuster the parameters are con trolled based on associative parametric design method and WAVE Intelligent Design model of seat angle adjuster are gained when Motion simulation and Finite element analysis are finished theoretical analysis and physical model are compared Key words Seat angle adjuster Intelligence Experimental verification 中图分类号 TH13文献标识码 A 来稿日期 2010 02 26 基金项目 上海高校知识创新工程 085 工程 建设项目 JZ0901 1 引言 汽车座椅的安全性被国际汽车业列为汽车整体性能中最主 要的指标之一 汽车座椅既是乘坐装置又是保护装置 它由骨架 调角器 滑轨等组成基本框架 外部填充海绵 并覆盖皮革或织物 等材料而构成 汽车座椅调角器是用于连接座椅椅座和椅背的装 置 可调节 锁定椅背的倾斜角度 当汽车发生事故时可吸收部分 能量 对乘员提供安全保护 同时为乘客提供间隙小 无噪音 无 晃动等舒适性功能 由于汽车座椅安全性 舒适性 耐用性很大程 度上取决于座椅调角器的质量和技术水平 因此调角器有着较一 般零部件更为严格的安全性 可靠性指标 从我国现行国标来看 在汽车座椅调角器的安全性方面主要执行 GB15083 1994 汽 车座椅强度要求及试验办法 调角器的强度要求应明显大于座 椅的强度要求 应有一定的后备系数 如果调角器质量差或强度 要求太低 就会直接对座椅安全性构成影响 通过设计生产单位的调研及大量专利技术的研究 结合用户的 实际要求 主要用于客车中后排座椅的椅背调节 决定使用双联动调 MachineryDesign Manufacture 机械设计与制造 第 12 期 2010 年 12 月 62 角器 双联动调角器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 适用于各类客车乘客座 椅 该调角器通过旋钮操纵使锁止齿板与内齿板脱开 靠背在乘坐者 外力作用下向前或向后旋转 调整至需要的靠背角度 然后松开旋钮 在回位弹簧的作用下 内齿板与锁止板啮合使靠背锁止 利用 UG NX 软件完成汽车座椅调角器的智能化设计及运 动分析 运用相关参数化设计理论及 WAVE 来控制调角器的控 制参数 对调角器的四个机构 锁止机构 驱动机构 调节机构及 复位机构进行设计分析 使用 Altair 公司的 HyperWorks 工程软 件进行有限元分析 将理论分析与试验的物理模型进行对比 通 过试验修改分析方案 再用分析结果指导试验 从而获得较为完 善的调角器智能设计模型 用户比较满意 2 汽车座椅调角器智能化设计 将该调角器分为四个机构 锁止机构 驱动机构 调节机构 及复位机构 锁止机构由锁止齿板 内齿板和固定座组成 锁止齿 板在固定座的滑槽中滑动 与内齿板相啮合完成锁止 驱动机构 由凸轮和锁止齿板组成 凸轮推动锁止齿板运动使调角器顺利完 成解锁行程和锁止行程两个状态的运动 同时又满足在锁止点 处 调角器安全锁止 调节机构由手柄或旋钮 轴和凸轮组成 将 手柄或旋钮的调节力矩转化为驱动机构推动锁止机构的动力源 复位机构主要指弹簧机构 使用涡卷弹簧 确保解锁完成后 凸 轮逆时针旋转 使锁止机构锁止 2 1 调角器控制参数的确定 该调角器的锁止机构用渐开线花键锁止 渐开线花键受载 时齿受径向力 能起自动定心作用 使各齿受力均匀 强度高 寿 命长 经过对不同模数和压力角渐开线花键齿形的评估 决定使 用模数 m 0 5 标准压力角为 30 的渐开线花键 确定的调角器控制参数为调角精度 单位为度 内齿板的 最大直径 单位为 mm 和锁止齿板的齿数 调角精度是用户要求 的重要指标之一 与汽车座椅的舒适性密切相关 内齿板的最大 直径决定了调角器的设计空间 由座椅的布置设计和调角精度共 同决定 两者皆需满足 锁止齿板的齿数必须满足调角器的强度 设计要求 如果用户对调角精度的要求为 1 875 2 5 确定调角 精度 则内齿板齿数 z 360 Precision 根据表 1 进一步确定调角 器的控制参数 内齿板的最大直径即外经及锁止齿板的齿数 如 表 1 所示 可以看到 当用户对调角精度的要求不同时 可完成九 种调角器的自动化设计 表 1 调角器的控制参数 序号调角精度 内齿板的最大直径 mm 锁止齿板齿数 11 87510427 21 93510125 329825 42 0699523 52 1439223 62 2228921 72 3088621 82 48319 92 58019 2 2 调角器智能设计方法的实现 Y N 调角精度 强度满足否 锁止板齿数 内齿板最大直径和齿数 固定座的最大直径 回位弹簧主要尺寸 回位弹簧的总长 轴 旋钮及花键设计 轴的最小直径 凸轮及锁止齿板的 解锁和锁止行程设计 锁止机 构设计 驱动机 构设计 调节机 构设计 复位机 构设计 轴的最大 扭矩破坏 固定座决 定回位弹 簧的大径 凸轮决定 回位弹簧 的小径 图 1 调角器智能设计流程图 在充分了解汽车座椅总体控制参数的基础上 进行汽车座 椅调角器的布置设计 运用相关参数化设计理论及 WAVE 来控 制调角器的控制参数 对调角器的四个机构 锁止机构 驱动机 构 调节机构及复位机构进行设计分析 利用调角器各个部件之 间的连接配合关系 建立起各部件的尺寸参数之间的相关关系 通过设计参数的传递 根据用户要求的调角精度确定内齿板的最 大直径和锁止齿板的齿数 使得调角器能随控制参数的改变而生 成对应尺寸下的调角器 完成锁止机构 驱动机构 调节机构 复 位机构的设计及计算 自动更新调角器总成及各个零部件三维模 型 自动完成相应调角器的设计计算 以 UG 软件为设计研究平 台 实现调角器的自动化设计并更新调角器总成及各个零部件三 维模型 如图 1 所示 为调角器智能设计流程图 如图 2 所示 为 调角器零部件爆炸图 弹性挡圈 回位弹簧轴锁止齿板 内齿板 回定座 抱箍 凸轮 图 2 调角器零部件爆炸图 3 调角器分析与试验验证 汽车座椅调角器设计时既要满足向前和向后调整一定角度 的要求 舒适性要求 又要满足强度要求 安全性要求 因此需 要使用运动学和有限元分析两种方法 为了确保理论分析的正确 性还需要用试验验证 通过试验修改分析方案 再用分析结果指 导试验 从而获得较为完善的调角器智能设计模型 3 1 运动学分析 汽车座椅调角器设计时有向前和向后调整一定角度的要 第 12 期赵 波等 汽车座椅调角器智能化设计分析与试验验证 63 求 并且应具有良好的自锁性能 该调角器的驱动机构为平底直 动从动件凸轮机构 是具有曲线轮廓或凹槽的构件 当它运动时 通过其上的曲线轮廓或凹槽与从动件的高副接触 使从动件获得 预期的运动 凸轮机构由凸轮 从动件 机架三部分构成的 锁止 齿板为直动从动件 固定座就是机架 驱动机构的工作由解锁 回程 和锁止 推程 两部分组成 解锁 回程 由一段凸轮曲线完成 锁止 推程 由两段凸轮曲线 完成 本文使用 UG 软件进行运动学分析 将固定座定义为固定 副 凸轮定义为驱动副 锁止齿板定义为从动副 凸轮和锁止齿 板之间为线 线接触 使用关节驱动方法对调角器的解锁行程 顺时针方向 和锁止行程 逆时针方向 进行分析 解锁时凸轮 顺时针旋转 空行程旋转一定角度后推动锁止齿板向下移动 使 锁止齿板和内齿板脱离啮合 完成解锁 完成解锁后即可对汽 车座椅靠背进行角度调整 调整完成后松开手柄或旋钮 凸轮即 会在回位弹簧的带动下逆时针旋转推动锁止齿板向上移动 锁 止 推程 由两段凸轮曲线完成 第一段凸轮曲线推动锁止齿板 上移一定距离后 使锁止齿板和内齿板趋于接触 然后由第二段 凸轮曲线推动锁止齿板迅速上移 完成锁止 如图 3 所示 为凸 轮的锁止状态 78 0000degrees 10 20 30 40 50 60 70 YC 图 3 凸轮锁止状态 3 2 有限元分析 该座椅调角器静强度试验的要求是 在座椅靠背顶端中间 部位逐渐加载 拉力 到要求值时 调角器能够满足强度要求不损 坏 使用 Altair 公司的 HyperWorks 工程软件进行分析 建立调角 器核心部件的有限元模型 调角器中主要部件如锁止齿板 内齿 板 固定座之间的连接采用接触算法 网格类型采用三维网格 采 用六面体单元和少量的五面体 三棱柱 单元 和二维网格 接触 面 网格大小主要是 0 1 锁止齿板与内齿板啮合齿接触面 和 1 无小特征部位及不敏感部位 在分析调角器静强度过程中 将 调角器的固定座固定 约束 X Y Z 方向的平动自由度和 X Z 方 向的转动自由度 给内齿板加载 y 方向的转矩 由于采用的是双 联动调角器 因此只需要加载要求值的一半 分析结果如下 锁止 齿板和内齿板啮合的齿处应力比较大 三个锁止齿板及与之相啮 合的内齿板应力分布情况相似 锁止齿板两侧的齿应力较大 如 图 4 所示 中间部位齿的应力较小 原因是锁止齿板受到固定座 凸台的阻挡 使其位移受到限制 因而受力时首先是两侧的齿变 形 最后才是中间的齿变形 固定座的最大应力在固定座凸台部 位 与锁止齿板连接处 如图 5 所示 分析结果均满足材料的强 度极限要求 6 146E 02 5 463E 02 4 780E 02 4 098E 02 3 415E 02 2 732E 02 2 049E 02 1 367E 01 6 837E 01 9 637E 02 No result E temp 4 13 origin 3 gear board 3weild circle h3d Result E temp 4 13 orgin 3 gear board 3weild circles h3d ubcase 1 subcase Static Analysis Frame 4 XY Z 图 4 锁止齿板的应力云图 2 641E 02 2 350E 02 2 059E 02 1 768E 02 1 476E 02 1 185E 02 8 939E 02 6 027E 01 3 115E 00 2 029E 00 No result Max 2 641E 02 Min 2 029E 00 X Y Z 1 Result E temp 6 3 result 6 3 finished h3d Subcase 1 subcase Static Analysis Frame1 图 5 固定座的应力云图 3 3 试验验证 从有限元分析结果可以看出 由于最大应力处的空间体积 及面积都非常小 并且试验时锁止齿板和内齿板处于锁止状态 无法贴应变片 因此调角器静强度试验的结果不能通过测量获 得 只能将理论分析与试验的物理模型直接进行对比 由于焊接 及零部件制造误差等因素的影响 试验结果与分析结果有一定差 异 因此设计时保留一定的安全系数 通过试验修改分析方案 再 用分析结果指导试验 从而获得较为完善的调角器智能设计模