概念汽车座椅的设计毕业论.doc

机械工程学院毕业设计（论文）题 目： 新概念汽车座椅的设计专 业： 车辆工程 班 级： 车辆113 姓 名： 刘双双 学 号： 1608110313 指导教师： 董福龙日 期： 2015-5-3目录新概念汽车座椅的设计引言：近年来，汽车行业发展十分迅速，汽车在全球范围内的普及率持续增高。尤其是在我国，汽车销售量呈每年递增的趋势。汽车座椅是汽车的重要组成部分，同时也是人和汽车接触最多的零部件，它不仅影响驾驶员驾驶的舒适性，而且也影响着车辆内饰的风格、等级和豪华程度。因此，我国的汽车座椅行业作为汽车工业的重要配套行业，面临着巨大的机遇和挑战。从目前情况上看，我国汽车座椅存在着很多的问题，首先是有透气性差，不能够及时将座椅上的潮气散发。夏天的时候，汽车暴露在阳光下时，车内温度很高，空调调节需要好久才能达到制冷的效果，这就使乘员感到不舒适，消费者只能被动的接受，十分难受。其次就是不能升降，同样高度的座椅，不同的人坐着的舒适度不同，这就意味着这样的座椅与部分人不协调。对于上述问题，我提出的新概念汽车座椅的设计主要是在汽车座椅的内部添加制冷和制热双向调节装置和升降装置1。这种装置可以把人机工程学与汽车座椅融汇到一起，为消费者提供更加舒适的乘坐环境。关键词：汽车座椅；调温器；升降机构；人机工程学；引言：Foreword:近年来，汽车行业发展十分迅速，汽车在全球范围内的普及率持续增高。尤其是在我国，汽车销售量呈每年递增的趋势。汽车座椅是汽车的重要组成部分，同时也是人和汽车接触最多的零部件，它不仅影响驾驶员驾驶的舒适性，而且也影响着车辆内饰的风格、等级和豪华程度。因此，我国的汽车座椅行业作为汽车工业的重要配套行业，面临着巨大的机遇和挑战。In recent years, the automotive industry is developing very rapidly, the popularity of cars worldwide rate continued to increase. Especially in Chinas auto sales, a trend of increasing every year. Car seat is an important part of the car, also is the people and cars in contact with most of the parts. It not only affects the comfort of the driver, but also affect the style of the interior of the vehicle, grades, and the degree of luxury. Therefore, the car seat industry in China as an important supporting industry of the automobile industry, are faced with great opportunities and challenges.From the point of view of the current situation, Chinas automobile seat exist a lot of problems, first of all is with poor air permeability, can not be timely to distribute moisture on the seat. Summer, auto exposure in the sun, the temperature inside the car is very high, the air conditioning requires a long time to achieve the cooling effect, which makes passengers feel uncomfortable, consumers can only passive acceptance, very afflictive. Second is not lifting, the same seat height, different people sitting comfort. This means that this seat and uncoordinated. For these problems, I put forward the new concept car seat design is mainly in the interior of the car seat add refrigeration and heating two-way adjustment device and a lifting device 1. This device can make the man-machine engineering together with car seats together, providing a more comfortable riding environment for consumers.Keywords: automobile seat; thermostat; lifting mechanism; ergonomics;第 1 章 概况及现状分析1.1 汽车座椅的概况 从目前来看，我国在汽车配件行业比其他国家起步较晚，存在着很多不足，例如：市场大、技术不足等现状。虽然我国也存在着很多知名的汽车生产商，比如长城、比亚迪、奇瑞等，但是就汽车座椅配件生产商来看，知名的较少，在自主知识产权方面仍有欠缺，具有很大的研究空间2,3。特别是人与座椅相互协调方面，由于我国汽车发展较晚，很多重要的技术、生产数据、工艺流程都是依据外国的座椅尺寸进行研制的。由于东方人群与西方欧美人群在人体尺寸上存在着差异，如果只仅仅依靠外国的座椅尺寸来设计我国汽车座椅的尺寸，不善于把人机工程学应用于汽车座椅的设计，这就导致了目前许多国内消费者抱怨国外汽车的座椅不够舒适。 因此，设计人员需要把人机工程学应用于汽车座椅的设计过程中，使座椅尺寸与东方人群的尺寸相互协调，设计出符合东方人群的座椅，从而提高消费者的使用舒适度。 1.2 汽车座椅发展现状 国内发展现状：自从改革开放以来，政府对汽车行业的投资力度整体有了明显的提高，从国家“六五”期间的投资15.9亿元，到“九五”期间的260到300亿元之间。这就使我国在汽车行业发展十分迅速，同时也促进了我国的汽车零部件工业的发展。特别是近几年，我国的汽车零部件行业通过多种渠道努力使自己快速发展，比如：引入并利用外资，多渠道筹集资金，加大了投资力度和生产集中度。这就是使汽车零部件行业成为了我们新的朝阳行业。在引入外资的同时，零部件厂商积吸收和消化外国的先进技术，掌握生产要领，调整了产品结构，加快了产品更新的步伐，使汽车零部件的质量有了显著的提高，并开始具有自己的知识产权。到目前为止，我国在某些主要制造工艺和检测水平已经接近国际先进水平。 虽然我们取得了很大的进步，但是仍有很长的路要走。在我国，就座椅企业而言，虽然有不少的生产汽车座椅的公司，但是大部分为合资企业，重要的核心技术还是由外商掌握，自我的设计能力和研发能力还是比较弱的。国家对于汽车座椅的相关政策还需要调整。就调温座椅而言，中国并没有专门的企业从事这样的研究，虽然在这方面也有一些相关专利，但是都还需要经过实践的检验。 国外发展现状 ：在国外，汽车发展比较早，汽车的各个方面发展都比较完善，因此，就汽车座椅而言，我国与外国相差很远，世界上最早的汽车座椅是由德国人戴姆勒发明的，主要是用木板材质，设计理念是人去适应产品，随着科学技术的发展，社会的进步，旧有的设计理念逐渐被淘汰，逐步走向以人为核心的设计理念，全面的对座椅进行设计和分析。欧美等发达的国家对于汽车座椅研究十分重视，他们大部分都拥有自己的设计中心和实验中心，广泛采用计算机辅助设计和制造，并且同时对消费者进行市场调研。到目前为止，欧美等发达的国家在汽车座椅各个方面都很完善，汽车座椅价格占整个车价的5%到10%,而我国的座椅价格只占整车3%4%。 美国在汽车调温座椅方面发展很成熟，美国GENTHERM公司其汽车座椅调温装置已被应用到许多中高档车型当中，如凯迪拉克STS SAE100。而在国内，可任意调节汽车座椅的温度;同时其内部的温度传感器还会监控座椅的实时温度和乘客的体温的双向调温的汽车调温座椅还是一个空白。 第 2 章 新概念汽车座椅的方案分析2.1 汽车座椅概述 汽车座椅是人与汽车接触最多的部件，也是为乘客提供驾驶舒适性的重要组成部分。汽车为高速运动体，乘员是处在复杂的环境中，当长时间乘坐汽车时，由于不能自由活动，因而汽车座椅极大的影响着乘客的乘坐舒适性。舒适性良好的汽车座椅可以增加乘客驾驶舒适性，降低事故率，提高安全性能。 一般的汽车座椅应当满足以下条件4：（1）良好的静态特性，（2）良好的减震动态特性。（3）良好地造型形态。（4）多种调节功能，来满足不同性别、身材的人来乘坐。2.2 汽车座椅的分类及组成目前汽车座椅有不同的分类方式：按材质分为织物座椅、革质座椅、真皮座椅。按乘坐人数分类，有单人座椅、双人座椅和多人座椅;按照功能分可分为普通座椅、电动座椅、悬挂座椅、记忆座椅、轻量型座椅和安全座椅。5随着社会的发展，人们对座椅的要求越来高，各大汽车公司以及零配件公司都在大力推进汽车座椅的研发，近年来，舒适度、轻量化、功能多样性及美观性成为了汽车座椅的发展方向。 一般座椅主要由座椅蒙皮、缓冲垫、弹性单元、靠背角度调节机构、调整机构、座椅骨架六部分组成，（如图2-1）。1-座椅蒙皮 2-缓冲垫3-座椅弹性单元4-靠背角度调节机构5-调整机构6-座椅骨架5,7 图2-1 汽车座椅结构图 图2-2 座椅弹性单元图座椅蒙皮主要是指座椅的表皮，是包在坐垫和靠背总成外表面的一层材料，座椅的表皮材料根据需求和档次的不同，大多使用：织物、人造革、皮革、塑料和粘纤等（如图2-1中的编号1）。 在座椅弹簧和表皮之间或者座椅垫和表皮之间，以及整体座椅上的柔软物体称为垫体。通常使用一到三层聚氨酯泡沫或棕榈等（如图 2-1 中的编号 2）。使用目的就是保持座椅的形状、隔断在弹簧式座椅上乘坐的成员直接接触弹簧的异物感，并起缓冲和减震的作用8 弹性单元是指放在座椅内部能够起到减震作用的弹性机构（如图 2-2），多有1.24mm 的弹簧以及塑料或粘纤材料构成，在座椅内所占的位置如图 2-1 中的编号3。现代座椅通过匹配弹性单元的刚度和减震器阻尼，达到减震和避免共振的目的。 座椅的调节机构很多，可以前后、高度、角度等等调节。 前后与上下调节机构与车身底盘相连接，可以通过手动或电动等动力进行操作。座椅的前后调节机构大多数为滑轨机构，滑轨如果在车身坐标内水平布置，则只起到前后调节作用;如果采用前高后低的布置方式，则在座椅向后移动时，也能起到座椅高低的调节。 汽车座椅的靠背角度调节机构一般装在坐垫骨架和靠背骨架之间，在起到靠背倾角调节作用的同时也起到坐垫骨架和靠背骨架的联接作用。靠背角度调节机构的调节方式有无级调节和微调，可以调节的范围很大。高度调节主要作用是调节座椅的上下、水平位置，在结构上，可分油缸式、螺旋弹簧式、丝杠式、和四连杆式。在调节方式上，可分滑轨是单独升降机构和座椅上下平行升降机构6,8,9。骨架固定在车身地板上，用以支撑整个座椅和人体质量。骨架可分为座椅骨架和靠背骨架两个部分，用法各不相同，一般分类状况，分为管状结构、钣金结构、树脂结构、钢丝结构四类。座椅框架通常所以的材料的外径为2025。2.3汽车座椅人机工程学分析坐姿是人体使用的较多并且较为自然的姿势。坐姿与站姿有所不同，坐姿是以臀部支撑全身的方式，而站姿是指以双脚支撑全身的方式。相比较站姿而言，坐姿更有利于双脚作用的发挥，特别是对于汽车的座椅来说，采用坐姿能够使乘坐者利用靠背做支撑点来增大脚的蹬力进而更有利于驾驶。 驾车过程中，需要长时间维持坐姿基本不变，乘员由于重力作用于肌肉组织，长时间姿势不变会使血液循环不通畅，各种代谢物质积聚，引起不舒适感，因此汽车座椅的设计非常关键的一点应当尽量避免重力集中导致的局部受力过大23。因此设计师要了解人究竟以怎样的坐姿才能获得舒适和不易疲劳的生理反应，只有了解这一点，才能够设计出舒适、安全的座椅。那么了解人体脊柱的组织结构、腰曲变形及舒适坐态生理要求就十分必要了。 舒适的坐姿与人体躯干骨的组织结构密切相关。人体躯干骨是由脊椎、肋骨和胸骨组成。人采用坐姿时，身体主要由脊柱、盆骨、腿和脚支撑，脊柱位于人体的背部中央，是人体的主要支柱。 脊柱的 S 形弯曲状态，是保证人体脊椎骨间肌肉静态负荷水平，以及椎间盘之间具有最佳压力的前提。因此，在正常的状态下脊柱的腰椎部分前凸，至骶骨时后凹。当处于非自然姿势时，椎间盘内压力就会处于不正常状态，进而致腰部酸痛、疲劳等不适应感。当坐姿能够保持腰曲弧线正常时，脊柱椎间盘所受的压力均匀而轻微，韧带几乎无推力作用，韧带不拉伸无不舒适感（见图 2-3 左）。但是，当人体坐姿处于向前弯曲时，椎骨之间的间距发生改变，相邻两脊椎前段间隙缩小，后端间隙增大（见图 2-3右）。椎间盘前端在这期间不断地受到推挤和摩擦，迫使它向韧带作用以推力，从而引起腰部不舒适感，长期积累作用，可造成椎间盘病变。因此座椅设计从坐姿生理学角度，应该保证腰曲弧线正常；从坐姿生物力学角度，应保证肢体免受异常力作用7，8。图 2-3 不同坐姿时椎间盘受力分析因此，在座椅设计过程中，应注意以下两点25,26： 1、座面柔软程度应以能够保持坐骨处承受人体的 60%左右的重量为宜，过软或过硬都会给乘坐人员带来不舒适感，过软的座椅会让臀部与大腿的肌肉接触受压面积增大，增加乘坐的不稳定性，同时改变坐姿时的阻力变大，容易产生疲劳。2、坐骨下面坐面高度要合理，并且要与地面平行，结构坚实平坦保证压力合理分布，不同坐姿会影响乘坐人员的体压分布。坐骨结节下面的坐面呈近似水平时，可使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，人体感到舒适，斗形座面会使股骨趋于向上转动而受力，从而引起不舒适感。所以驾驶员座面应该避免斗形座面。 2.4汽车座椅的主要参数选取 汽车座椅设计的主要参数有：座垫深度、座垫宽度、座垫高度、座垫角度、座垫与靠背的夹角、靠背宽度、靠背高度。汽车座椅静态参数的选取原则：正常姿势下人体尺寸是座椅几何尺寸确定的基准，以下是汽车座椅主要参数的选取方法： 1、椅面高度：椅面高度应使乘员大腿接近水平、小腿自然放置，即保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压，又保证不因椅面过低而增加背部肌肉负荷，根据经验取高度为350mm。 2、座宽：座宽指的是通过R点且与座椅中心平面垂直的垂面上坐垫的最大宽度。座宽必须能容纳身材粗壮的人。参考尺寸为臀宽，以女性群体尺寸上限为设计依据;为使乘员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽。座宽亦不能太大，否则肘部必须向两侧伸展以寻取支承，这样会引起肩部疲劳。一般汽车座椅宽度取480-520mm3、座深：指在座椅中心平面上，坐垫前缘的垂直切线至坐垫最后端线的距离。该尺寸不能太大。正确的座深应使靠背方便地支持腰椎部位。如座深大于身材矮小者的大腿长，座面前缘将压迫膝窝处压力敏感部位，这样若要得到靠背的支持，则必须改变腰部正常曲线;否则坐者必须向前缘处移动以避免压迫膝窝，却得不到靠背的支持，这两种坐姿都是不舒适的。为适应绝大多数驾驶员，座深应当按照较小百分位的群体设计，这样身材矮小者坐着舒适，身材高大的人只要小腿能得到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳一般汽车座椅深度取400-420mm。 4、座面倾角：指座面与水平面所夹角度。座面后倾的作用有两点:一是由于重力，驱干后移，使背部抵靠靠背，获得支持，可以降低背肌静压;二是防止乘坐者从坐缘滑出座面，这对于经常处于震动颠簸环境中的驾驶员座椅非常重要。但是如果座面过分后倾，进行驾驶操作时，脊椎因身体前屈而会被拉直，破坏正常的腰椎曲线，形成一种费力的姿势，同时还会压迫腹部，长期驾驶会造成生理上的伤害。因此倾角不能太大，一般为515，综合以往经验取倾角为10。 5、坐垫：坐垫设计首选需确定坐垫深度和坐垫倾角。坐垫深度的设计原则在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。人体在坐姿状态下，坐骨与小腿足部构成稳定的支撑。坐垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳；坐垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适：因此，坐垫的深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400480mm。坐垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为210，此处取5。 6、靠背：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，使驾乘人员保持稳定的坐姿，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，满足驾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。根据经验和标杆车数据确定倾角为80110。 7、头枕：头枕主要对乘员的颈椎起依托作用，缓解乘员的疲劳，同时，在紧急制动时，其吸能性对乘员起保护作用，防止紧急制动造成乘员受伤。设计时，根据人机布置确定头枕的设计高度及调节范围。头枕型面应符合舒适性要求。 头枕安装在至少与耳朵上缘平齐的地方，后脑与头枕之间的距离20cm。垂直方向拔出力250N，头枕杆解锁力20N，头枕杆滑动力35N，头枕杆插入力70N,且升降调节灵活，锁止可靠，应符合GB 11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法中的规定。8、座椅骨架：座椅骨架主要包括靠背骨架和坐垫骨架两部分，通常采用直径为20-25mm，壁厚为1-2mm的电焊钢管或无缝钢管弯曲成型方法制造；也可采用1-3mm厚的钢板冲压或滚扎成型的方法制造。 9、调角器：调角器安装在坐垫骨架和靠背骨架之间，不仅起靠背翻转作用，而且还是靠背与坐垫的连接件，所以它也是影响乘车安全的功能件。常见的形式为调角器采用向心齿板调节机构限位，用平面涡卷弹簧自动回位式。根据前面的要求和GB 15083-1994的强度要求，确定靠背设计角为20，齿距为2，前调角度为30，后调角度为90，操作形式为手柄式。第 3 章 新概念汽车座椅的总体设计3.1 调温器的概述在我国，生产调温座椅的厂商多是代工厂商，没有自己的自主知识产权，因此在中国市场没有座椅调温器的类似产品，但各地的研发人员对于座椅调温器有一些研究。 放在座椅内的调温装置主要分为两大类（如图 3-1）。单向座椅调温装置主要是指，只可以单向加热或者制冷的调温座椅，不可以实现加热或者制冷之间的切换，由于单向座椅调温装置具有一定的局限性，双向座椅调温装置主要是指，可以实现制冷制热之间的自由切换的调温座椅。 单向座椅调温装外置双向座椅调温装座椅调温装置双向座椅调温装置内置双向座椅调温装图 3-1座椅调温装置的分类 由上图可知：双向调温座椅按其实现方式又可分为内置座椅调温装置和外置座椅调温装置。内置座椅调温装置是指在座椅内部安装的调温装置，同时在座椅内部完成气体的温度调节和将气体送入座椅的全过程。外置座椅调温装置是指，在座椅外部完成气体的温度调节并且通过输入管道将气体推入座椅内部的装置。 座椅调温装置的工作原理：风扇将气体导入调温装置气流通过风道温度调节装置将气流进行加热/制冷气流流调温装置，并吹入座椅内部的管子图 3-2调温器原理 由以上分析可得，座椅调温装置原理如图 3-2 为：当驾驶人员打开调温器，风扇将外界气体倒入调温装置，再通过风道将导入调温器内部的风分散均匀，使其均匀的通过温度调节装置将气体进行加热或者制冷，最后将加热或制冷后的气体吹入座椅内部分布的导管中，通过椅面传达给驾驶人员。驾驶员可以在制冷、制热中随意调节，并可调节制冷制热的等级。座椅调温装置主要的零部件：座椅调温装置中有两个必不可少的电器元件：风扇和温度调节装置调温装置。1.风扇风扇主要包括：散热风扇、轴流风扇、离心风扇、混流风扇、贯流式风扇。风扇的主要作用是将外界气体倒入调温装置，再通过风道将导入调温器内部的风分散均匀使其均匀的通过温度调节装置将气体进行加热或者制冷。2.温度调节装置 座椅调温装置包括两个部分的内容，分别为半导体制冷/制热片以及散热片两个部分，半导体制冷/制热片又称珀尔贴，是一种热泵，是利用半导体的珀尔贴效应，通电后半导体制冷/制热片一面制冷与其对应的一面制热，半导体制冷/制热片的一面为需要面另一面为废弃面。它没有滑动部件、应用部首空间限制、可靠性高、安全无污染等优点。 (1)半导体制冷/制热片原理21,22 珀尔贴的具体原理如下：图 3-3为是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有 N 型和 P 型的半导体材料（碲化铋），半导体元件用串联形式在电路上连结组成当一块 N 型半导体材料和一块 P 型半导体材料联结成电偶对。电路接通直流电流后，随即产生能量的转移，电流由 N 型元件流向 P 型元件的接头吸收热量，成为冷端由 P 型元件流向 N 型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料 N、P 的元件对数来决定。 NPPN A 陶瓷片半导体导体B陶瓷片图 3-3 珀尔贴原理图 根据前面的分析，汽车调温座椅应当有两部分构成：调温器和座椅，调温器置于座椅靠垫和座椅内部，调温器将空气进行制冷或制热，制冷或制热过的空气通过管道送入座椅内部。该调温装置如图3-4包括有：301入口、302-上层散热片、303-气流出口、305-废气出口、310-风道、311-风扇、312-隔热片、313 导风片。 图 3-4调温器设计方案 1 俯视图 3.2座椅调节机构的设计（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降机构图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。 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 4.2 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。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60045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。 4.3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小结 汽车座椅是汽车重要的部件，它严重影响乘员的安全性。通过本次设计，座椅的的对结构有了更进一步的认识。此次设计在传统座椅设计的基础上，有以下几点改进。（1）选材方面抛弃了传统座椅中使用的钢板和钢管等钢质材料，运用了新型镁铝合金材料，大大减轻了座椅的质量，这也是今后座椅轻量化的一个研究方向。（2）通过研究发现，滑道、调节连接板应力比较大，进行适当的加厚。（3）上框、下框和座盆对整个座椅结构影响较少，合理布置能提供很大的轻量化空间。（4）本次设计在力求座椅结构简单的前提下，使其功能尽可能全面，使其具有前后调节高度调节和后背倾角调节的基本功能。参考文献 1 作者:苏振东,等.国产轿车人性化设计的市场需求J. 汽车工业研究,2002,11. 2 雷滨.中国汽车零部件工业现状及发展趋势J.世界机电经贸信息, 2001,09. 3 调温座椅N.数字通信,2006(10) . 4 史慧丽.轿车驾驶座椅的人机工程学研究与设计D.山东:山东大学.2005. 5 工业设计资料集 5 交通工具,中国建筑工业出版社,张同,北京,2007. 6 丁玉兰.人机工程学M.北京:北京理工大学出版社,2000. 7 毛恩荣,张红,宋正河.车辆人机工程学M,北京:北京理工大学出版社,2007. 8 任金东.汽车人机工程学M.北京:北京大学出版社,2010. 9 Wesley E. woodson.Human Factors Design HandbookM. 2nd ed. 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