汽车座椅调角器结构强度分析及改进

【摘 要】针对某型汽车座椅调角器在实验过程中发生失效的现象，建立了该型调角器的有限元仿真模型。在实际的实验载荷工况下，对调角器进行结构强度分析。有限元分析的结果锁齿板和内齿圈啮合部位最外侧齿根部位应力较大，超过了材料的屈服极限；固定座根部圆角部位应力也较大。通过仿真分析和实验结果进行比较，验证了调角器有限元仿真分析模型的有效性。根据分析结果对调角器的结构进行改进设计，并重新对其进行有限元强度分析。结果表明改进的结构解决了调角器的失效问题，具有一定的工程实用价值。

【关键词】座椅调角器；有限元；强度分析；结构改进

1.序言

汽车座椅调角是座椅靠背和底座之间的主要承力部件，人体作用在靠背的力完全是有调角器地锁止机构承担的。为保证成员的安全，尤其是在汽车碰撞时座椅不至于拉脱，需要对调角器进行严格的实验。某型汽车座椅调角器在极端试验工况下发生拉脱现象，不符合安全标准。由于调角器的整体尺寸较小，尤其是锁齿板和内齿轮圈齿的尺寸太小锁齿板宽度仅为20mm，齿高为0.7mm，无法通过试验方法测得各个部位应力情况。因此，分析调角器失效的原因，有限元方法便成为行之有效的唯一途径。

2.调角器的结构

当需要调整角度时，转动凸轮轴带动凸轮转动，使锁齿板同内齿轮圈脱离啮合，调整靠背角度。调整完成后凸轮轴在弹性垫圈的作用力下转动并带动凸轮，使锁齿板同内齿轮圈啮合。从调角器的工作原理可以看出，座椅靠背同底座之间的作用力主要是在锁齿板、内齿轮圈和固定座之间传递的。实验过程中的破坏也是发生在锁齿板和内齿轮圈的齿，以及固定座凸台的端部。抱箍主要是起导向作用，保证内齿轮圈和固定座可以发生相对转动。

3.调角器有限元模型

在调角器实验过程中，发生破坏的部位为：锁齿板、齿轮圈啮合齿，固定座的凸台端部。而抱箍、凸轮轴、凸轮、弹性垫圈没有发生损坏。因此该座椅调角器分析的有限元模型只包括锁齿板、固定座和内齿轮圈三个零件。

为保证有限元计算结果的精度，选用六面体单元辅以少量五面体单元。啮合齿的齿高为0.7mm，为保证齿形的连续性在啮合部位单元的尺寸选取0.1mm。为减少有限元模型的规模同时保证计算精度，锁齿板和内齿圈其他部位的单元尺寸选取0.5mm。固定座单元尺寸选取1.5mm。锁齿板和内齿圈、固定座之间定义接触，计算齿接触和弯曲应力。固定座、内齿圈和锁齿板的材料均为钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3.但固定座选用的是45钢，屈服强度为335MPa；内齿圈和锁齿板为合金钢，屈服强度为820MPa。最终完成的座椅调角器有限元分析模型。

4.有限元分析结果

对建立的座椅调角器有限元模型进行求解计算。得到三个锁齿板的最大应力。

从座椅调角器经过有限元分析结果得出：

（1）齿板和内齿轮圈啮合的齿处应力比较大，三个齿板及与之相啮合内齿轮圈部应力分布情况相似。虽然应力都小于材料的屈服强度，但比较接近屈服强度。在齿板和内齿圈啮合部位，齿板两侧的齿应力较大，中间部位齿的应力较小。这是由于在啮合时，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。但是，由于原结构中齿板同固定座凸台的高度不同，从而使齿板在啮合时产生一定的倾覆，造成了齿板上下两个面的受力不均。

（2）固定座的最大应力位于齿板导轨端部，为265MPa；三个圆台根部的应力在200MPa左右；都是小于材料的屈服强度的。但是分析结果是在无制造或装配误差的情况下，三个齿板均匀承担作用力的请款。如果装配时不均匀会造成某一个齿板导轨的圆台部位受力较大从而发生塑性变形。这一结论是同实验结果相符合的，为了提高调角器的质量，需要对调角器进行改进。

5.结构改进

由上文分析结论可以看出，造成调角器实验时发生破坏的原因主要有三个：①零件制造误差；②装配误差；③锁齿板同固定座凸台存在高度差。前两个问题可以通过改进工艺解决，第三个问题可以通过改变零件结构实现，因此，对座椅调角器结构的改进主要是增加锁齿板的厚度，使其同固定座凸台等高。通过减少锁齿板的翻转，使锁齿板的受力更加均匀，从而避免局部应力过大的现象。并重新对结构改进后的座椅调角器进行有限元分析。

如果制造是锁齿板和固定座凸台的高度相同，则可以明显的改善锁齿板的倾覆现象，使应力分布更加均匀、对称。并且齿板的最大应力由614.6MPa降为455.2MPa，减少了25.9%。

6.结论

针对某型汽车座椅调角器在实验中发生拉脱现象，利用有限元方法对该调角器进行分析。通过对有限元计算结果的分析，判断出局部应力过大的部位。同实验失效的结果比较证实，座椅调角器有限元模型的正确性。根据应力分布情况，推断出该型汽车座椅调角器局部应力过大的原因是由于锁齿板法师偏转造成。针对这一结论，提出了座椅调角器的改进意见：减小锁齿板和固定座凸台之间的高度差，减小锁齿板的偏转。重新对改进的结构进行有限元分析，结果表明：改进后锁齿板受力跟家均匀、对称，并且使锁齿板的最大应力由614.6MPa减小为455.2MPa，减小了25.9%。这一结果得到了调角器生产厂家的认可，解决了生产中的实际问题，具有一定的指导意义。