(毕业设计)轿车座椅强度设计说明书

1、摘 要汽车座椅结构设计对汽车驾乘者的舒适感有着很大影响,要求座椅的设计者要在设计产品的时候能充分将人的因素、产品使用的环境因素科学地运用在一起。同时，汽车座椅系统也是保障车辆安全性能的一部分，其结构设计、材料应用的合理性及其质量直接影响到乘员的安全性。由于轿车座椅的特殊性，因此对其舒适性和安全性要求都较高。随着科学技术的发展和生产力的提高，人们对工作、生活、休息质量的要求不断提高，以前的那种从产品到人的产品设计模式己不能满足日益丰富的工业产品的生产以及广大消费者对工业品的期望。这就要求产品设计者在设计产品的时候能充分将人的因素、产品使用的环境因素甚至整个社会的文明文化合理地、科学地运用其中。在

2、设计中必须始终将人的因素贯穿在整个设计的得始终。本毕业设计分析了人与座椅的人机关系，并结合我国国民对汽车座椅的使用要求，以人机工程学、汽车设计等学科的理论为依据，以国家和国际标准为准则，对驾驶座椅进行了综合研究。 关键词：座椅系统；结构设计；人机工程学；静力分析AbstractThe design of vehicle seat frame has great effect on the comfort of the people in vehicle, it requires the designer to combine human factors and the products wor

3、king environment, and use them scientifically and adequately. Meanwhile, the vehicle seat system is also a part of vehicle security elements, the rationality and quality of its frame and material directly affect the security of the people in vehicle. Because of the particularity of car, it is more i

4、mportant for its seat to be comfortable and safe.With development and improvement of productivity of science and technology, peoples request of quality of working, living, and relaxation raise constantly, former product design mode that from products to people that already cant satisfied the manufac

5、ture of abundant industry production and the masses of consumer of industrial products day by day expectation. This requires products designer can take the human a factor when design the products, environmental factor that the products being used, the civilization culture of the even whole society i

6、nto account rationally, scientifically. Must is it design human factor entirely to run through all the time in design.This design analyzed the ergonomics relationship between human and vehicle seat, combined the countrys demand on vehicle seat, and made a general research on vehicle seat based on er

7、gonomics in vehicle engineering, vehicle design.etc, and the national & international standard.Key words：seat system; frame design; ergonomics; static analysis目 录第1章 绪 论11.1 本毕业设计的研究意义和内容11.2 轿车座椅的功能和设计要求21.2.1 轿车座椅的作用21.2.2 轿车座椅的设计要求21.3 轿车座椅的结构21.4 CATIA软件31.4.1 CATIA软件的介绍31.4.2 CATIA软件在本毕业设计的应用3第

8、2章 轿车座椅的设计基础42.1 人机工程学在轿车座椅设计中的应用42.1.1 坐姿与座椅42.1.2 舒适坐姿的生理特征42.1.3 体压分布与坐姿疲劳62.2 座椅主要部件的功能及结构要求7第3章 轿车座椅外形尺寸参数的确定103.1 人体尺寸的研究103.1.1 人体静态尺寸103.1.2 人体H点的确定103.2 工作座椅的设计要求113.3 轿车座椅主要外形参数及R点的确定123.3.1 轿车座椅外型尺寸主要参数123.3.2 轿车座椅R点的确定133.3.3 轿车驾驶员座椅外观尺寸图13第4章 轿车驾驶员座椅骨架结构设计154.1 轿车驾驶员座椅骨架主要结构尺寸154.2 轿车驾驶

9、员座椅调节机构的结构设计和计算164.2.1 前后调节机构的工作原理和相关计算164.2.2 高度调节机构的工作原理和相关计算174.2.3 角度调节机构的工作原理184.3 轿车驾驶员骨架整体结构19第5章 座椅骨架静强度分析205.1 有限元算法在汽车座椅安全性研究中的应用205.2 轿车座椅的强度要求205.2.1 座椅的静强度215.2.2 座椅的冲击强度225.2.3 座椅的疲劳强度225.3 确定需要分析的部件225.4 对座椅靠背骨架进行静强度分析235.4.1 建立靠背骨架模型并指定材料235.4.2 进入CATIA工程分析模块并划分网格245.4.3 在靠背骨架上定义约束24

10、5.4.4 在靠背骨架上施加载荷255.4.5 计算求解255.4.6 结果分析27第6章 制造工艺分析286.1 高度调节支撑杆的工艺过程设计286.2 角度调节内板的工艺过程设计296.3 销的工艺过程设计30第7章 结论327.1 设计成果327.2 设计不足32参考文献33致 谢35附 录I 程序分析36附 录II 外文翻译及原文43第1章 绪 论1.1 本毕业设计的研究意义和内容1.本课题研究的意义从人的安全、健康的角度，现代人越来越多地的时间在汽车中度过，座椅的安全与舒适直接影响到人们的健康与安全。尤其是对人们脊椎的伤害。 从社会的角度，汽车走进千家万户，人们对汽车的情感也有所转变

11、，从以前的遥远、到现在的占有，将来必将转变为挑剔。因此汽车座椅的发展也要跟上时代的步伐。座椅是汽车与人接触的界面，人们在选择汽车时，往往首先接触到的是座椅。 从经济和技术的角度，汽车制造业正在迅速地向全面数字化设计、制造和测试这种新方式转化。传统的实物模型被数字模型所取代，这使得汽车产品可以直接从设计阶段进入生产阶段，缩短了产品设计开发周期。从这个角度来看，在技术上能够脱离那种反复的设计实验周期。 2.本课题研究的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

12、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

13、进行分析；全文总结。1.2 轿车座椅的功能和设计要求1.2.1 轿车座椅的作用轿车座椅是汽车中将乘员及驾驶员与轿车车身联系在一起的重要部件，主要作用是：为驾乘者提供良好的支撑。座椅通过对人体提供合理的体压分布，在重要的人体结构点上支撑人体，可以有效的保证人体在车辆行驶过程中的平衡与平稳。驾乘人员的定位系统。通过座椅对驾乘者的定位，可以使驾乘者获得良好的视野，并实现对汽车操纵系统的控制。提供驾乘者舒适性，为驾乘者提供一定的舒适性，重点在于长时间驾乘。轿车空间狭小密闭，座椅就在长途驾驶的舒适性上起到尤为重要的作用。在汽车受到撞击时最大限度的保护驾乘者的安全。轿车速度较其他车辆快，发生事故时，合理的

14、配置头枕和靠背的软垫，可以最大程度上减少或减轻驾乘者在碰撞时受到意外伤害。简而言之，其功能为：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。可见，座椅的安全性及舒适性是其最重要的功能，也是汽车座椅的设计、研发中必须作着重解决的问题。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

15、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 轿车座椅的结构汽车座椅伴随着汽车的诞生而出现，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，而是关系到汽车的乘坐舒适性和安全性，集人机工程学、汽车设计等为一体的系统工程产品。汽车座椅（图1.1）一般由座垫及其骨架、靠背及其骨架、头枕及其骨架

16、，以及相应的导向、调节机构等基本部分组成。图1.1 驾驶员座椅结构简图轿车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，用螺钉直接固定或通过座椅调节机构固定在车身上。座椅前后调节装置、靠背角度调节装置、高度调节装置等是与座椅相关的一些装置。座椅前后调节装置就是座椅底座滑轨，用于调节座椅与地板的前后位置。靠背角度调节装置安装在座垫骨架和靠背骨架之间，用于调节座椅靠背角度。高度调节装置是安装在底座滑轨和座垫骨架之间的装置，用于调节座椅与地板间上下位置。1.4 CATIA软件1.4.1 CATIA软件的介绍CATIA是法国达索公司的产品，已在很多里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车

17、、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子和通用机械制造等。CATIA覆盖了产品开发的整个过程、提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。1.4.2 CATIA软件在本毕业设

18、计的应用本毕业设计使用了CATIA机械设计模块组中的：零件设计、装配设计、草图设计、工程绘图、钣金设计和线架与曲面设计等模块进行轿车座椅的结构设计。此外，还使用分析与仿真模块组中的Generative Structural Analysis模块对轿车座椅靠背骨架进行静强度分析。第2章 轿车座椅的设计基础2.1 人机工程学在轿车座椅设计中的应用2.1.1 坐姿与座椅坐姿是人体较自然的姿势，也是进行各种操作经常采用的姿势。座椅与人们的生活息息相关，无论是工作、学习、出门旅行、在家休息都离不开座椅。人的坐姿是个相当复杂的问题，虽然座椅伴随人类的生活己经有几千年的历史了，但是关于座椅的设计问题至今仍然

19、是值得研究的课题。在生物学中，当坐立时，人的身体由脊椎、胯骨、腿和脚支撑。主要用来支撑人体重量的关节为胯骨和腰椎，腰椎的第三、第四腰椎为整个脊椎骨中受力最大的部位。所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。坐姿时，尾椎将受到压力而往前弯，有缓冲震荡的作用。坐骨构成了胯骨最下方的部位，其后下方的坐骨结节为L字母形状，当人们坐着的时候，此处往下顶住来支撑身体的重量。长期的姿势不良、受伤或者疾病，伤害就会发生在脊椎弯曲的地方，如胸弯过分弯曲就会造成圆肩或驼背;腰部脊椎过分弯曲，会造成脊椎的侧弯或是脊椎的前凸症、后凸症。当人们在椅子上时，若坐姿不良，骨盆很容易下陷，仔细摸骨盆两侧，发现整个骨盆往后倾，整个

20、人会感到胸廓与腰杆交界处造成腰酸背疼、驼背。长期使用电脑的上班族而言，坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的凶手。人们的脊椎在坐姿情况下就像是一根杠杆，如果头部向前倾，为了支撑前倾的头部，骨头的韧带就会产生一个拉力，当力量超过韧带所能负荷的范围，这个力量就会转移到背后的肌肉上，于是肌肉便持续暴露在张力之下。久而久之，就会出现颈部、背部、腰部肌肉酸痛的症状。2.1.2 舒适坐姿的生理特征坐姿状态下，支撑身体的是脊柱、骨盆、腿和脚。脊柱是人体的主要支柱，由24节椎骨以及5块骸骨(已连成一体)和4块尾骨(己连成一体)连结组成，如图2.1所示，其中椎骨自上而下又分为颈椎(共7节)、胸椎(共12节)、腰椎

21、(共5节)三部分，每两节椎骨之间由软骨组织和韧带相联系，使人体得以进行屈伸、侧曲和扭转动作等有限度的活动。颈椎支撑头部，肋椎与肋骨构成胸腔，腰椎、骸骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷。图2.1 人体脊椎构造图 图2.2 人体在不同状态下腰椎弯曲形状由于腰椎几乎承受着人的上体的全部重量，并且要实现弯腰、侧曲、扭转等人体运动，所以最容易损伤或腰曲变形。从侧面观察脊柱，可看到脊柱呈现颈、胸、腰、骸四个弯曲部位，其中颈曲和腰曲凸向前，胸曲和骸曲凸向后。脊柱的自然弯曲弧形应如图2.1所示，椎骨的支承表面相互位置正常，椎间盘没有错位的趋势。一旦人体改变这种自然弯曲状态，会引起惟间盘压力改变，使腰部疼痛。图2

22、.2所示为人体在各种不同姿势下的腰椎弯曲形状。曲线C是最接近人体脊柱自然弯曲状态的坐姿，椎间盘上的压力可较正常分布。因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态，躯干与大腿之间须有大约135的夹角，且座椅应使坐者的腰部有适当支撑，以便腰曲弧形自然弯曲，腰背肌肉处于放松状态。人坐着时，大腿和上身的重量必须由座椅来支承。人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节，如图2.3所示。这两块小面积能够支持大部分上身的重量。座面上的臀部压力分布是在坐骨结节处最大，由此向外压力逐渐减小，直至与座而前缘接触的大腿下部，压力为最小。座垫的柔软程度要适当，坐骨部分的座垫应当是支承性的，它要承受加在座位上的大约6

23、0%的重量，而其余部分则应当比它更柔软些，以便能够把重量分布在更大约面积上。座椅靠背上的压力分布，应当是肩脚骨和腰椎骨两个部位最高，此即靠背设计中所谓的“两点支承”准则。靠背的两点支承中，上支承点为肩脚骨提供凭靠，称为肩靠，其位置相当于第56节胸椎之间的高度；下支承点为腰曲部分提供凭靠，称为腰靠，其位置相当于第45节腰椎之间的高度。不同用途的座椅，两点支承的作用不一样，休息用的座椅，体、腿夹角较大(舒适角度约为115)，坐着时身体向后倾斜，只要肩部分支承稳靠，没有腰靠也能得到舒适的坐姿，因此是以肩靠起主要作用；而一般操作用座椅，由于操作的要求，身体需要略向前倾，肩胖骨部分几乎接触不到靠背，因此

24、只有腰靠起支撑作用，一般无需设置肩靠。腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的主要措施，否则，将图2.3 股骨正常位置只靠肌肉来维持腰曲弧形，势必引起腰部肌肉疲劳和损伤。考虑到人的身材高矮不同，对某些座椅应当具有能调节腰靠位置的装置。 腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面，在这个部位上，任何持续的压力都会给人造成极端的不好适和肿胀感觉需要借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施来防止发生这种情况。同时，还要使座面离地板的高度足够低，以便使脚能踩着地板，让人的这个重要部位感觉不到有任何压力。坐骨下面的座面应当近似是水平的。图2.3表示带有股骨的骨盆部位的前视图，股骨在股节中从连

25、接骨盆的球孔向外伸去。用平的座位，股骨的这一部分在坐骨平面之上，因此不承受过分的压迫。座椅的设计必须有可能让人经常地改变自己的姿势和位置，以便减轻压力和活动伸展各部分肌肉。2.1.3 体压分布与坐姿疲劳人在坐姿状态下，体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐态体压分布，它与坐姿及座椅的结构密切相关，图2.4为人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布，对于体压的研究是目前人们对座椅进行研究的主要方法和参数。体压分布的测量一般采用等高线的形式反映压力分布状况。就座者的骨盆可以比喻为倒立的锥体，与椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的坐骨。由坐骨向外，压力逐渐减少。为了减少臀部下部的压力，座面一般应设计成软垫

26、，其柔软程度以使坐骨出支承人体的60%左右的重量为宜，采用软性坐垫，增大臀部与座面的接触面积，就改善了这种压力集中的现象，使整个臀a靠背 b座垫图2.4 人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布部均承担体重的压力，减缓坐骨下支点处的疲劳，可以延长就座时间。但不论什么座面，不论哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。 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图2.5座椅各部位的受力分布压在坐椅面上。图2.5为座椅各部位的受力

27、分布示意图。2.2 座椅主要部件的功能及结构要求靠背靠背的设计主要指强度设计和造型设计，靠背造型设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，给背部、肩部有效可靠的支撑和足够的侧背支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，避免横向滑动。图2.6 靠背骨架 靠背骨架（图2.6），是一个关键的结构件，在前撞、侧撞尤其是后撞情况下，靠背骨架在撞击能量处理方面起关键的保护作用。 根据普遍轿车座椅靠背机构分析，本设计靠背选用左、右侧板，上、下横梁结构形式。座垫轿车座垫设计主要是座垫深度和座垫倾角。座垫深度过大时，躯干相对前移，腰部得不到良好支撑；过小时，大腿得不到良好支撑。因此，深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一

28、般取400480mm。座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为210。座垫骨架通过调角器与靠背连接，靠背受到的载荷通过调角器传至座垫再到地板。此外，座垫骨架还承受乘客的静载荷、乘客下潜载荷(轿车高速制动时乘客向前的载荷)、乘客在座垫上运动产生的疲劳载荷。根据调节方向分，轿车座垫骨架大致有2向(前、后)、4向(前、后、上、下)和6向(前、后、上、下、前后倾斜或前、后、前部上下、后部上下)等形式，座垫骨架上装有座盆，有整体式和局部式两种。局部式座盆需安装弹簧钢丝以支撑发泡，整体式则不需要。为保证轿车日常使用需求及产经济性，本设计采用4向调节、整体式座盆的座垫骨架。头枕头枕（图2.7）是为提高汽车乘坐

29、安全性和舒适性而设置的一种辅助装置。图2.7 头枕结构首先，头枕主要作用是保障安全。日常生活中，轿车经常发生追尾碰撞，颈椎承受到很大的加速度，头枕可以减少头部自由移动，避免或减轻乘员颈部受伤。按国家标准GB11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法，头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，轿车前排座椅应装有头枕。其次，正常行驶下，当脊椎与垂直面夹角超过30时，使用头枕可以避免头颈疲劳。轿车座椅中，头枕一般为一个单体，用单柱或双柱插杆，通过导套插入靠背的插座中。头枕调节机构可以对头枕进行上下和前后的调节。为同时保证轿车日常使用的安全性、舒适性和经济性，选用双柱式上下可调头枕。调节机构座椅调节

30、方向主要有高度调整（图2.8-a）、前后调整(图2.8-b)、靠背仰角调整(图2.8-c)。a 上下调节 b 前后调节 c 靠背角度调节图2.8 座椅调节方向高度调整机构，用于调整座椅垂直位置，分机械调整、可控空气弹簧调整和电动调整等。调整范围按人机工程学原理，以满足大部分人使用要求确定。根据大多数乘员对轿车的使用需求，同时为了保证生产成本，选定机械调整机构，高度调整范围为0100mm。滑道是纵向水平位置的调整机构，分单锁止滑道和双锁止滑道，一般根据锁止强度确定。安全带固定点不在座椅上时，一般选用单锁止滑道；安全带固定点在座椅上时，选用双锁止滑道。滑道位移尺寸根据相应人体尺寸和人机工程学原理确

31、定。根据轿车使用强度以及轿车常用的安全带安装形式，结合轿车实际使用空间，选用双锁止滑道，前后调整距离为0100 mm。调角器主要有常啮合式和棘轮棘爪式两种类型,用于对靠背角度进行调整和锁止，必须满足GB15083-1994汽车座椅系统强度要求及实验方法规定。常啮合式调角器始终保持啮合状态，有手动和电动两种。手动常啮合调角器要连续转动旋钮座椅靠背才能调整到理想位置。电动常啮合调角器通过电机驱动齿轮进行调节，有传动平稳、强度高、调解范围大等优点，适于高档汽车座椅。棘轮棘爪式通过操作手柄进行解锁，没有电动形式。采用棘轮棘爪工作原理及板簧式复位结构，容易调整到理想位置，最大能够实现180范围有级调节，

32、适于各类汽车座椅。为了满足轿车驾驶员日常操作的操作便利性的要求，同时控制产品成本，选用棘轮棘爪式调角器，调节范围为80170。第3章 轿车座椅外形尺寸参数的确定3.1 人体尺寸的研究各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸，也就是人体静态尺寸和人体动态尺寸。而针对于座椅设计的人体尺寸相关的主要有人体坐姿尺寸等。3.1.1 人体静态尺寸人体静态尺寸，着眼于人体天然结构，比如身高、体重、腿臂长度等，是建立人体尺寸模型的基础。国家标准GB10000-88中国成年人人体尺寸按照人机

33、工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。根据有关统计数据，结合本毕业设计的需要，列举如下我国人体基本尺寸男（18-60岁）第95百分位以及女（18-55岁）第5百分位相关数值，见表3.1。尺寸名称尺寸数值(mm)尺寸名称尺寸数值(mm)男女男女坐高958809最大肩宽469363坐姿颈椎点高641518坐姿臀宽355310坐深494401小腿加足高448342表3.1我国人体基本尺寸3.1.2 人体H点的确定H点指人体身躯与大腿的铰接点，即胯点。图3.1三维H点测量装置根据相关的法规规定，首先利用GB11559-1989汽车室内尺寸测量用三维H

34、点装置所规定的三维H点测量装置，即H点三维人体模型(图3.1)，再按照GB11563-1995汽车H点确定程序中规定的H点确定程序确定三维人体模型的H点。H点三维人体模型由背板、座板、大腿杆及头部空间探测杆等构件组成。座板模仿人体臀部及大腿，是二者的合一。背板模仿人体的背部。H点三维人体模型的各构件尺寸、质量及质心位置均以人体测量数据为依据。图3.1三维H点测量装置模型的背板与座板在相当于人体胯关节处通过转动副相铰接。转动副的转动中心点即H点。3.2 工作座椅的设计要求工作座椅的座位空间及座椅的尺寸应保证适应人体舒适坐姿的生理特征，提供实现舒适坐态的支承条件。GB14774-1993工作座椅一

35、般人类工效学要求给出了工作座椅的基本结构和主要参数，是工作座椅设计的基本依据。工作座椅主要参数的取值范围列于表3.3，其中坐高、腰靠厚、腰靠高、座面倾角、腰靠倾角等参数为操作者坐在座椅上之后形成的尺寸、角度，测量时应使用规定参数的重物代替坐姿状态的人。表中所列参数，已经考虑了操作穿鞋着（女性：鞋跟高20mm；男性：鞋跟高25-30mm）和着冬装的因素。表3.3 工作座椅的的主要参数参数数值测量要点座高(mm)360-480在座面上压以60kg，直径350mm的半球状重物时测量座宽(mm)370-420在座椅转动轴与座面的交点处或座面深度方向二分之一处测量座深(mm)360-390在腰靠g=21

36、0mm处测量，测量时为非受力状态腰靠长(mm)320-340腰靠宽(mm)200-300腰靠厚(mm)30-50腰靠上通过直径400mm的半球状物施以250N的力时测量腰靠高(mm)165-210腰靠圆弧半径(mm)400-700座面倾角()0-5腰靠倾角()95-1153.3 轿车座椅主要外形参数及R点的确定3.3.1 轿车座椅外型尺寸主要参数椅面高度:椅面高度定义为椅面前缘至驾驶员踵点的垂直距离。根据表3.1相关尺寸，人体小腿加足高为342448mm。根据表3.3工程座椅设计的尺寸推荐值，座高为360480mm。根据轿车车内空间和驾乘人员的调节需求，选定轿车驾驶员座椅椅面高度可调节范围为2

37、80380mm。椅面宽度: 座椅座垫两侧宽度。根据表3.1相关尺寸，坐姿臀宽310365mm。根据表3.3工程座椅设计的尺寸推荐值，座宽为370420mm。结合轿车座椅座面需要对驾乘者进行横向支撑，以防止驾乘者在出现离心力时臀部产生横向滑动，要在座椅椅面两边附加额外防滑凸起设计，所以椅面总宽度选定500mm。椅面深度:指椅面前缘至靠背前面水平距离。深度过大时，躯干相对前移，腰部得不到良好支撑，引起疲劳；过小时，大腿得不到良好支撑。根据表3.1相关尺寸，坐深401494mm。根据表3.3工程座椅设计的尺寸推荐值，座深为360390mm。考虑到轿车座椅与一般工程用座椅不同，小腿向前倾斜角度大，所以

38、为了保障驾乘者的臀部和大腿部被充分支撑和包裹，椅面深度选定550mm。靠背高度: 靠背最下端到最顶端的距离。根据表3.1相关尺寸，坐姿颈椎点高579701mm。根据表3.3工程座椅设计的尺寸推荐值，腰靠长为320340mm。考虑到轿车座椅须为驾乘者腰背部提供完全的支撑和定位，与一般工程座椅不同，同时为保证座椅靠背在具有角度倾斜时同样可以保证对驾乘者的支撑，所以靠背高度选定750mm。靠背宽度：靠背两侧最宽的距离。根据表3.1相关尺寸，最大肩宽368469mm。根据表3.3工程座椅设计的尺寸推荐值，腰靠宽320340mm。与椅面宽度的选定原因相同，为避免和减少驾乘者腰背部在座椅上产生横向滑移，靠

39、背宽度选定500mm。靠背倾角:靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角。根据表3.3工程座椅设计的尺寸推荐值，腰靠倾角为95115根据轿车驾乘者的实际使用需求，同时满足驾驶舒适、安全性以及休息时的便利性，靠背倾角调节范围为80170。椅面倾角:指椅面与水平之间的夹角。根据表3.3工程座椅设计的尺寸推荐值，座面倾角为05。轿车座椅的椅面的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为210。头枕尺寸根据GB11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法，头枕的外形宽度以座椅中心面为对称面，左右各应宽85mm以上。确定头枕高度为208mm、宽度为240mm、厚度为100mm、头枕可调节范围为0100mm，见图

40、3.2。轿车座椅中，头枕一般为一个单体，用单柱或双柱插杆，通过导套插入靠背的插座中。头枕调节机构可以对头枕进行上下和前后的调节。图3.2 头枕尺寸 为同时保证轿车日常使用的安全性、舒适性和经济性，选用双柱式上下可调头枕。3.3.2 轿车座椅R点的确定R点”即“乘坐基准点”指制造厂规定的设计H点，该点:确定了由制造厂规定的座椅每个设计乘座位置的最后面的正常驾驶和乘座位置，它考虑了所有的座椅可能调节状态(水平、垂直及倾斜)。具有相对于所设计的车辆的结构建立的座标。模拟人体躯干和大腿铰接中心位置。做为安放二维人体样板的参考点。根据轿车座椅R点确定的经验和推荐值，轿车驾驶员座椅R点为距离靠背基准面13

41、5mm、距离作为基准面97mm的一点。3.3.3 轿车驾驶员座椅外观尺寸图根据轿车座椅主要外形参数及R点的确定，绘制轿车驾驶员座椅外观尺寸图（图3.3）。图3.3 轿车驾驶员座椅外观尺寸第4章 轿车驾驶员座椅骨架结构设计座椅骨架不但要承受人体质量，同时还要经受汽车启动、停止等重复动作和冲撞事故的冲击。骨架的结构主要分为钢质冲压骨架、管式骨架和合金铸造骨架三种。管式骨架成本最低，但难增加更多的功能。钢质冲压骨架功能配置灵活，很多功能能够被直接加在骨架上。合金铸造骨架特点是质量轻、强度高，但造价较高。根据汽车的设备能力、生产成本等情况，本设计选用钢质冲压骨架。4.1 轿车驾驶员座椅骨架主要结构尺寸

42、1.靠背骨架结构设计和尺寸确定靠背骨架的设计主要指强度设计和造型设计，靠背造型设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，给背部、肩部有效可靠的支撑和足够的侧背支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，避免横向滑动。靠背骨架是一个关键的结构件，在前撞、侧撞尤其是后撞时，在撞击能量处理方面起关键的保护作用。 图4.1 靠背骨架主要尺寸和结构形式参考3.3.1中关于座椅靠背部分的外形参数，除去座椅蒙皮后的座椅靠背骨架参数和结构如图4.1所示。靠背两侧板、上下横梁均为Q215-A冲压薄板。2.座椅底座侧板结构和尺寸确定图4.2 底座侧板结构座椅底座侧板结构（图4.2）通过调角器与靠背连接，一般左右两侧底座的前部和后

43、部均由钢管或钢杆相互连接，以保证底座两侧板的整体性和连动性。座椅底座两侧板均为Q275钢板。底座侧板结构中，前杆和后杆隶属于座椅的高低调节总成（详见高度调节机构部分）。底后管两端焊接于两侧板后端，用于保证其整体刚性连接。参考3.3.1中关于座椅座垫部分的外形参数，除去座椅蒙皮后的座椅底座侧板参数和结构如图4.3所示。图4.3 底座侧板主要尺寸和结构形式4.2 轿车驾驶员座椅调节机构的结构设计和计算4.2.1 前后调节机构的工作原理和相关计算结构形式及工作原理前后调节机构（图4.4）即座椅滑道，是纵向水平位置的调整机构，在本毕业设计中左右两侧均选用内外导轨式结构，两侧用前后调节操纵杆连接和控制，

44、其中内导轨中间安有内外导轨锁止机构，当用前后调节操纵杆调整到合适位置是，松开操作杆，锁止机构借助复位弹簧将内外导轨连接并锁止，达到调节并锁止的目的。前后调节机构调内外导轨材料均为Q275钢板。图4.4 前后调节机构调节范围的计算图4.5 外导轨等距孔如图4.5，在与锁止机构相连接的外导轨下端，开有8mm等距分布的小孔，用于与所及机构相扣合。每个等距分布17个均为77mm的小方孔，锁止机构每次均占用3个小方孔， 则最大调节距离为（17-3）（8+7）=210mm。因此，前后调节机构调节范围为0-210mm，即0105mm。4.2.2 高度调节机构的工作原理和相关计算结构形式及工作原理图4.6 高

45、度调节机构高度调节机构（图4.6）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。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

46、垂直方向的的位移改变。图4.7 高度调节左右连动杆调整过程中，如图4.7，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。调节范围的计算在本毕业设计中，铰接杆件1在调整螺杆轴向位移范围为43mm，如图4.8，当铰接杆件1被调整到如图最左端时，图4.8 高度调节简图 则，座椅在垂直方向上工共调节251=102mm，因此，高度调节机构调节范围为0102mm。4.2.3 角度调节机构的工作原理本毕业设计中，角度调节机构为棘轮棘爪结构形式,是对靠背、座垫夹角进行调

47、整和锁止的机构。图4.9 度调节机构角度调节机构(图4.9)，主要由外侧上板、外侧下板、内板、板簧、锁止机构、角度调节操纵杆和连动杆等部件组成。其中，外侧上板焊接于靠背侧板下端，内板用螺栓螺母固定于底座侧板后端。其工作原理为，当角度调节操纵杆进行转动时，连动杆同时随着转动，连接在连动杆上的板簧2会逐渐卷缩，而带动锁止机构下移，从而解除内板和外侧上板间的锁止，此时当操作者对靠背施以向后的力或者依靠板簧1的恢复力，就可以对靠背的角度进行调节，当调整到合适角度位置时，松开角度调节操纵杆，在板簧2的恢复力作用下，角度调节操纵杆会回到初始位置，而所以机构也会重新弹回外侧上板的齿牙内，对内板和外侧上板进行

48、锁定。在整个调整过程中，通过连动杆的连接，座椅两侧的角度调节机构会同步对靠背角度进行调节。图4.10 角度调节机构内板角度调节机构角度调节范围有内板上的弧形开槽确定，位于外侧上板的突出销，只能在圆弧开槽范围内活动，即80170，如图4.10。角度调节机构外侧上、下板及内板均为08F钢板。4.3 轿车驾驶员骨架整体结构根据本章所确定的主要座椅骨架结构，用CAITIA机械装配模块，装配轿车驾驶员座椅骨架总成如图4.11。图4.11 轿车驾驶员座椅骨架总成第5章 座椅骨架静强度分析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

49、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

50、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

51、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，因此座椅的静强度特性主要是针对座椅骨架而言的

52、。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。图5.1 座椅总成静强度加载我国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

53、去调节功能。法规规定加载示意如图5.1所示。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。其加载示意图如5.2所示。图5.2 ECE-R17靠背静强度加载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

54、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

55、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。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