汽车座椅调角器关键零部件优化及可靠性分析.pdf

汽车论坛1392023.6随着汽车的逐渐推广与普及，汽车零部件的质量和可靠性受到广泛关注。座椅调角器是一种较小的零部件，属于汽车制造的重要组成部分。只有重视座椅调角器性能的优化，才能最大限度地保证汽车行驶的安全性。现阶段，汽车座椅调角器的使用量增多，因此，汽车生产企业需要加强对座椅调角器关键零部件的优化，从而能促进汽车行业的可持续发展。1 结构优化与可靠性分析1.1结构优化结构优化方法分为准则优化法和线性规划法。准则优化法是依据力学、物理原则寻优，优势在于计算量小、效率高，但也存在一定的弊端，即一旦约束条件变多，优化效率将随之下降。线性规划法通常是以数学线性规划的方式获得相关数据的。在汽车座椅调角器和锁止齿运动状况的分析中，线性规划法的应用较为常见。通过明确锁止齿板型线和导程板型线，可得出调角器各零部件的结构参数信息1。1.2可靠性分析可靠性指标分为可靠度、累积失效概率、失效率及有效寿命等。对于系统来说，可靠度与不可靠度为互补关系：R（t）+F（t）=1 （1）零部件失效的原因在于产品在生产过程中容易发生零部件应力。一旦零部件承受的交变荷载增加，零部件的强度将随时间的变化而变化。部分机械中的主要零部件严禁出现过大弹性变形问题，一旦变形量超过规定值，零部件将失效。在进行可靠性试验时，首先需要对汽车座椅调角器的基本性能及检测方法有全面的认识。在进行座椅调角器试验前，应先找到试验的场地，合理安排疲劳试验机的位置，对座椅靠背展开调节，制作模拟座椅底座及靠背装置，将疲劳试验机与座椅靠背相连接，确保试验荷载能够被精确传递至座椅调角器内。2 汽车座椅调角器关键零部件优化2.1座椅调角器台架试验根据现有工艺特点，与大扭矩调角器相结合，可实现锁止齿解锁、锁止效果。汽车座椅调角器的关键零部件有内齿圈、锁止齿板、固定壳等，具体参数如表 1 所示。当调角器脱锁时，凸轮与锁止齿板在实际工作中无法完成啮合，原因在于此时受力集中在导程板内，导程板因发生变形而出现脱锁现象。通过调整内齿圈加工精度的方式，再次展开试验，可确保啮合良好，但此时凸轮与锁止齿板发生脱锁。通过深入分析该种现象产生的原因，得出凸轮因受锁止齿板挤压而变形，最终造成凸轮与锁止齿板脱锁现象。2.2凸轮型线优化调角器锁止时往往径向作用较大，在使锁止齿汽车座椅调角器关键零部件优化及可靠性分析张 勇（湖北航嘉麦格纳座椅系统有限公司 湖北 襄阳 441000）摘要：随着汽车行业的飞速发展，汽车座椅的安全性、舒适性受到广泛关注。为提升汽车行驶的安全性，进行座椅调角器关键零部件的优化及可靠性分析尤为必要。该文对汽车座椅调角器关键零部件优化及可靠性进行分析，以更好地进行座椅调角器零部件设计，提高汽车座椅的舒适性和安全性，推动汽车行业的发展。关键词：汽车座椅；调角器；关键零部件；约束条件作者简介：张勇，湖北航嘉麦格纳座椅系统有限公司副主任，研究方向为汽车座椅调节。表 1 调角器关键零部件参数关键零部件参数内齿圈直径90 mm，齿数140，每齿角度2.5锁止齿板每齿角度2.5，齿数15，宽度25 mm固定壳直径100 mm，内圈直径30 mm凸轮直径30 mm导程板直径75 mm，导孔直径55 mm汽车论坛140汽车测试报告板保持锁止状态的情况下，要对径向平衡刚度进行不断调整。在承受径向力的过程中避免其出现大的弹性、塑性变形及齿轮齿板接触面自锁问题。除此之外，导程板要和凸轮运动保持一致，这样即可保证锁止齿板位置合理。2.3 锁止齿板型线优化在进行锁止时，锁止齿板圆周方向产生的荷载力将顺利通过固定壳凹槽，到达侧壁平衡位置。如果锁止齿的运动趋势是向外，则应使锁止齿与内齿圈保持啮合，再进行调角器的锁止。相反的情况下，则应使锁齿与内齿圈相脱离，最终达到解锁的目的。齿板径向运动的过程中，可得出齿轮线性方程：Y=37 500 x5-18 750 x4+2 500 x3 （2）2.4导程板型线优化调角器锁止齿板运动主要是借助滑槽完成的。导程板加工凹槽完成后，锁止齿板凸台和凹槽相互配合，当导程板开始转动时，凸台也随之移动，即可达到齿板解锁的目的。依据导程板不同段内的弧长及线性方程即可得出导程板的模型。需要注意的是，锁止齿板和导程板结合的过程中要做好距离控制工作，防止锁止齿板加工凸台运动过于顺畅。同时，还需要将导孔宽度控制在一定范围内，将导孔内径设置为 26 mm。调角器凸轮、锁止齿板及导程板线性方程可为调角器的其他零部件的相关参数设置提供数据支持。除此之外，进行调角器的有限元分析尤为必要，能够对调角器导程板方向进行合理的控制。通常情况下，处于锁止状态时，工作人员通常要在调角器中心轴位置安装扭转弹簧。中心轴一般采用方轴形式，有助于降低导程板与凸轮的连接频率，满足工艺要求。依据凸轮及锁止齿板的结构参数，可将内齿圈外圆直径设置为 92 mm。依据凸轮、内齿圈参数，可将固定壳的直径设置为101 mm，将固定壳与锁止齿板的卡槽宽度设置为25 mm。在径向外力的作用下，达到自动定心的目的，使得各齿受力相对平衡且均匀，在强度合适的情况下，最大限度地延长设备的使用寿命。根据座椅调角器各零部件之间的对比情况，可得出内齿圈、固定壳及凸轮的结构参数，为进行座椅调角器的有限元分析提供支持2。3 汽车座椅调角器强度刚度分析3.1有限元建模座椅调角器整体尺寸较小，工作人员无法通过试验的方式了解不同零部件内的应力大小。因此，在分析座椅调角器失效原因及进行座椅调角器可靠性分析时，有限元方法通常是较为有效的途径。在建模阶段，一方面需要建立相关的网格，对网格进行科学划分和分析，此时的工作量较大，网格的划分对调角器计算精度及计算时间有重要的影响；另一方面，在座椅调角器结构有限元模型建立的过程中，应注重有限元前处理模型的构建。调角器零部件的模型、网络划分及定义材料等内容共同组成有限元模型。借助软件构建调角器三维模型并开展有限元分析，其中，不同部件之间采用三维网格单元形式进行建模，如果接触面的距离较小，接触面传力速度将进一步加快。在模型定义中，接触面的各锁止齿之间均形成相应的接触面。3.2有限元分析完全约束状态下的座椅调角器，齿圈的移动需要避开内齿圈扭矩，避免其向后位移而出现相脱离的问题。在完成网格划分、材料参数定义后，将正式进行有限元分析，之后可得到座椅调角器最大应力值，其结构强度满足实际生产要求。在有限元分析中产生最大应力的位置为内齿圈凸台，虽然调角器较为薄弱，但能够最大限度地满足实际要求。由此可知，在完成座椅调角器有限元建模后进行强度与刚度分析，即可得出调角器各零部件的具体应力分布情况。当调角器承受的外力较大时，其固定壳凸台根部所承受的应力也较大。3.3台架试验在进行过有限元分析后，可得出优化后的调角器设计满足实际要求，通过优化座椅调角器，即可完成可靠性试验分析。在开展座椅调角器强度试验的过程中，主要是借助连接板验证与连接座椅调角器，从而得出最佳数值，为后续的工作开展奠定良好的基础。试验发现座椅调角器在汽车行驶过程中的荷载较小，当发生突发状况时，瞬间的冲击荷载将作用于调角器。将调试疲劳机的荷载提高至2 100 N m，座椅调角器也并未发生失效问题3。4 汽车座椅调角器可靠性分析4.1可靠性模型为准确掌握各工作单元之间的关系，可以将座椅调角器看作一个整体化的系统，将系统分成不同的零部件，在建立零部件之间的可靠性逻辑关系的同时，做好调角器有限元分析工作。座椅调角器的主要零部件包括固定壳、凸轮、导程板等。座椅调角器中不同的零部件结构存在一定的差异，因此，汽车论坛1412023.6在分析其可靠性的过程中，可以依据结构关系展开可靠性模型的建立与分析。利用座椅调角器零部件的差异性和有限元分析结果，确保座椅调角器可靠性分析数据的可靠性、真实性。为进一步分析和表现系统内不同单元之间的关系，可以采用构建系统框架图的方式，获得各单元之间的具体逻辑关系，针对系统的可靠性框架，可以最快得出该系统功能单元数据的可靠性指标。座椅调角器可靠性框架图通常是以串联系统可靠性框架图与并联系统可靠性框架图结合而成的。座椅调角器的零部件包括锁止齿板、内齿圈、凸轮及导程板等。其中，锁止齿板的数量为 3 个左右。4.2应力强度干涉模型对于座椅调角器试验来说，发生中心零件失效问题的概率并不高，因此其可靠度一般较高。调角器系统的可靠度一般受到固定壳、锁止齿板及凸轮零件的影响。对于机械类零部件来说，对象参数、材料性能等对试验统计的影响较小，所以零部件一般以正态分布为主。在可靠性理论中，座椅调角器系统的随机变量一般涉及 3 个方面。其一，荷载力大小。工程结构承受的荷载力以不规则性能为主，所以可将荷载当作随机变量，从分布特点来看，以正态分布为主。其二，结构尺寸。零部件的结构尺寸应在公差范围内，并且不应超过规定名义值，当零部件为分散结构时，尺寸的分散性不强。其三，强度极限值。强度极限以正态分布为主。在应力模型下，产品所受的应力需要大于允许强度。在多种因素的影响下，零部件的疲劳值一般低于标准的疲劳值，这样才能保证后续工作的顺利开展。对于零部件疲劳强度来说，其影响因素包括尺寸和应力。其中，零部件剖面的绝对尺寸越大，疲劳极限也就越低；零部件的表面越粗糙，证明疲劳极限越低。通过选择座椅调角器零部件材料，得出具体疲劳强度，之后即可获得具体的零部件强度及分布的参数。对于座椅调角器来说，获得关键零部件失效分布参数，可为后续的可靠性分析提供支持。采用应力强度干涉模型计算的方式，能够精确得出固定壳、锁止齿板的可靠性指标。座椅调角器的零部件竞争失效数据要根据竞争失效原理进行计算得出，进而可以得出座椅调角器零部件发生失效的概率，确保座椅调角器结构设计的科学性、合理性4。4.3座椅调角器可靠性分析在对系统进行可靠性分析后，可以得出该种分析方式满足产品的结构优化、可靠性要求，在提高产品质量和效率方面有重要作用。竞争失效分析主要分为退化失效分析、突发失效分析等。在进行座椅调角器的退化失效分析前，应做好状态检测、性能退化检测工作，如果通过检测得知退化失效过程中各零部件之间存在一定的联系，即可获得退化统计的测量值和真实值之间的误差。退化失效分析中，产品的退化过程也称随机退化失效过程。通常情况下，退化量会随着时间的变化而产生失效阈值，一旦产生失效阈值，座椅调角器将发生失效问题。突发性失效问题极易造成座椅调角器系统失效。座椅调角器关键零部件失效以外界冲击荷载失效为主，依据有限元分析的失效参数，可得出失效可靠函数。除此之外，座椅调角器系统出现失效问题时，出现固定壳失效的可能性也不断增加，依据具体的理论可得出实际的失效概率和可能性。由于座椅调角器的关键零部件材料强度相似，因此有限元分析中的最大应力值通常保持在 380 MPa 左右。在此阶段，最先发生失效的是固定壳。5 结束语对汽车座椅调角器的关键零部件进行分析和完善，得出具体的静强度试验值，并根据试验结果获得座椅调角器需要优化的零部件。明确优化的座椅调角器关键零部件参数，可为有限元、可靠性分析提供相应的支持。同时，在进行有限元建模、刚度分析后，可获得座椅调角器在承受外部荷载后的应力分布情况，从而为汽车座椅调角器的轻量化设计及系统优化奠定良好的基础。参考文献：1 赵旭东,刘晓曦,沈张烨.汽车座椅调角器激光焊接疏松问题研究 J .金属加工(热加工),2 0 2 3 (3):4 1-4 5.2 张志飞,路晓辉,高开展,等.基于最大差异测量法的汽车座椅坐垫舒适性探讨 J .公路交通科技,2 0 2 3(2):2 3 0-2 3 7.3 郭巍,李金松,严岿.基于正交试验的汽车座椅调角器注射成型质量优化 J .工程塑料应用,2 0 2 2 (9):6 4-6 9.4 周爱兵,李云霞.座椅调角器盘簧断裂原因分析 J .装备制造技术,2 0 1 9(7):2 0 2-2 0 6.