邱小夏

(西安丹夏愛家居有限責(zé)任公司,陜西西安 710000)

QIU Xiao-xia

(Xi′an Danxiaai Home Furnishing Co.,Ltd,Xi′an Shaanxi 710000,China)

轎車電動座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計*

邱小夏

(西安丹夏愛家居有限責(zé)任公司,陜西西安 710000)

電動座椅采用雙向電動機(jī)、傳動裝置(蝸桿軸、渦輪、心軸、齒條等)和座椅調(diào)節(jié)器(螺旋千斤頂或齒輪傳動機(jī)構(gòu))等,通過傳動裝置和座椅調(diào)節(jié)器之間的連接,實現(xiàn)對座椅的調(diào)節(jié),設(shè)計出了電動座椅的調(diào)節(jié)系統(tǒng),包括傳動和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算及相關(guān)零件的尺寸。該設(shè)計使調(diào)節(jié)能夠更加簡單、方便、快捷,并達(dá)到了便利性和舒適性的要求。

座椅;蝸桿;齒輪;電動;CAD

0 引 言

本論文從傳動機(jī)構(gòu)的組成入手,以前人的經(jīng)驗及研究為基礎(chǔ),總結(jié)傳動機(jī)構(gòu)的多種方案組合,然后確定采用蝸桿軸,蝸輪和齒條相組合的結(jié)構(gòu)并通過計算選擇出適合的可逆直流電動機(jī),最后針對汽車電動座椅[1]下活動空間小等特點進(jìn)行傳動機(jī)構(gòu),尺寸,性能參數(shù)的設(shè)計以及電動座椅可控制電路的設(shè)計。

1 電動座椅的設(shè)計思路分析

汽車電動座椅調(diào)節(jié)與一般的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有所不同,首先它對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的外形總體尺寸有一定要求,由于轎車?yán)锟臻g非常有限,機(jī)構(gòu)必須安裝在座椅底下,因此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)必須緊湊,以滿足安裝要求;其次,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳遞效率一定要高,力傳動比一定要大,汽車上電器一般為24 V或12 V的直流電源,因而驅(qū)動電機(jī)的功率不能太大,但是調(diào)節(jié)時的總重量至少為一個人的體重,尤其是垂直方向高度的調(diào)節(jié),所需功率較大,因此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一定要有高的傳動效率和大的力傳動比,才能滿足調(diào)節(jié)要求;最后,調(diào)節(jié)簡單方便,駕駛員開車時,主要精力應(yīng)該集中在駕駛操縱上,座椅調(diào)節(jié)一定要方便,不能占用駕駛員太多精力和時間。

筆者通過調(diào)查國內(nèi)各品牌的家用小型轎車內(nèi)部參數(shù),設(shè)計了電動座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),包括水平方向調(diào)節(jié)和垂直方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),控制電機(jī)的調(diào)節(jié)電路圖等。本設(shè)計方案的思路是利用電動機(jī)的動力來實現(xiàn)調(diào)整座椅前后和上下位置:①高度調(diào)整機(jī)構(gòu)有蝸桿軸、渦輪、心軸等組成,傳動比大,可以產(chǎn)生較大的扭矩。調(diào)整時蝸桿軸在電動機(jī)的驅(qū)動下,帶動渦輪轉(zhuǎn)動,從而保證軸心旋進(jìn)或旋出,實現(xiàn)座椅的上升或下降[2];②水平調(diào)整機(jī)構(gòu)由蝸桿、齒條、導(dǎo)軌等組成,結(jié)構(gòu)緊湊,調(diào)節(jié)范圍大。齒條裝在導(dǎo)軌上,調(diào)整時,電動機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸桿傳至兩側(cè)的渦輪上,經(jīng)導(dǎo)軌上的齒條,帶動座椅前后移動。

2 主要傳動零部件的設(shè)計

電動座椅的零件設(shè)計時在滿足應(yīng)用需要的條件下結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單[3],由汽車座椅的內(nèi)部空間小,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該緊湊,外形尺寸應(yīng)該盡量小。

2.1 滑軌結(jié)構(gòu)設(shè)計

座椅的滑軌對水平方向運動起導(dǎo)向作用,并且支撐這整個座椅及駕駛員的重量,所以不但結(jié)構(gòu)要緊湊而且耐磨性要好,制造時的加工工藝應(yīng)該簡單,因此滑軌材料選耐磨性較好的導(dǎo)軌.最上面的兩個面為承載面,支撐所有的重量,兩個側(cè)面為導(dǎo)向面,限制座椅前后運動的軌跡。選用導(dǎo)軌副,選用滑動導(dǎo)軌或滾動導(dǎo)軌。與滑動導(dǎo)軌相比,滾動導(dǎo)軌有以下優(yōu)點:①運動靈敏度高,遠(yuǎn)小于滑動導(dǎo)軌,不論高速運動還是低速運動,滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)基本上不變,一般滾動導(dǎo)軌運動是沒有爬行現(xiàn)象;②定位精度高;③牽引力小,移動靈活。磨損小,精度保持性好;④潤滑系統(tǒng)簡單,維護(hù)方便。則選用滾珠直線導(dǎo)軌副。通過計算載荷和額定壽命確定導(dǎo)軌上的滑座內(nèi)側(cè)裝上長為390 mm齒條,與齒輪嚙合,通過齒輪轉(zhuǎn)動帶動齒條前后移動,實現(xiàn)座椅的前后調(diào)節(jié)。具體的CAD軟件設(shè)計圖及尺寸如圖1所示。

圖1 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)主視圖和左視圖

2.2 垂直方向結(jié)構(gòu)的設(shè)計

垂直方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的零件中,蝸輪由于內(nèi)部有螺紋傳動,外邊要與蝸桿嚙合,蝸輪受力較復(fù)雜,和蝸桿嚙合時有徑向力,必須有兩個承受徑向力的深溝球軸承,螺桿由于內(nèi)部有螺桿嚙合,有較大的軸向力,還必須有一個承受徑向力的止推軸承,蝸輪材料選45鋼。

2.3 水平方向結(jié)構(gòu)的設(shè)計

水平方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的零件中,由蝸桿的轉(zhuǎn)動帶動蝸輪,蝸輪與齒輪同軸轉(zhuǎn)動,齒輪與齒條嚙合轉(zhuǎn)動[4],蝸輪受力比較復(fù)雜,和蝸桿嚙合時有徑向力,且齒輪轉(zhuǎn)動有較大的軸向力,必須有兩個承受徑向力的深溝球軸承,蝸輪齒輪材料均選45鋼。

3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算

3.1 座椅調(diào)節(jié)范圍及參數(shù)的確定

調(diào)節(jié)不能太復(fù)雜,要簡單方便,制造和維護(hù)的成本不能太高。根據(jù)家用微型轎車的主要機(jī)構(gòu)參數(shù),由于水平方向空間較大,根據(jù)不同駕駛員的駕駛習(xí)慣和身高不同,確定調(diào)節(jié)范圍為200 mm,垂直方向由于空間較小,調(diào)節(jié)范圍不能太大,確定調(diào)節(jié)范圍為60 mm。通過對豎直調(diào)節(jié)參數(shù)的計算和校核,確定蝸桿的參數(shù)及幾何尺寸。確定機(jī)構(gòu)安裝方式,垂直方向上,由于蝸輪蝸桿嚙合時蝸輪上存在軸向力,也有徑向力,因此蝸輪上采用兩個角接觸球軸承支撐,再用一個深溝球軸承支撐。通過對水平調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計計算和校核,確定蝸桿的參數(shù)及幾何尺寸,確定機(jī)構(gòu)安裝方式,水平方向上,由于蝸輪蝸桿嚙合時蝸輪上存在軸向力,蝸輪承受軸向力,因此采用兩個深溝球軸承支撐。

3.2 水平方向齒輪傳動及齒輪齒條傳動

根據(jù)傳動方案,齒輪傳動選用直齒圓柱齒輪傳動。工作機(jī)速度不高,故選用7級精度[5]。材料選擇:選擇一齒輪材料為40Cr(調(diào)制),硬度為280 HBS ,另一齒輪材料為45鋼(調(diào)制),硬度為240 HBS,兩者材料硬度差為40 HBS。通過計算和校核:選定為模數(shù)m=1.5 mm;齒數(shù)Z=20,選分度圓直徑為d= 108.5 mm,d=mz,則取Z1=Z2=73,則取分度圓直徑為109.5 mm;齒寬b1=b2=34 mm。為使整個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊,齒輪安裝時采用深溝球軸承,此長軸上的蝸桿與軸之間采用花鍵連接,位置在軸的兩側(cè),為了使整個結(jié)構(gòu)通過殼體固定,軸中間安裝深溝球軸承,通過軸承襯套將其固定,安裝在固定板上。齒輪齒條傳動選取模數(shù)m=1.5 mm,選d1=42 mm,Z1=42/1. 5=28,分度圓直徑d1=mZ1=42 mm,齒輪寬度:b=42 mm,取B1=42,齒條B2=43 mm。為使整個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊,齒輪安裝時采用滑動軸承,齒輪和軸之間采用矩形鍵連接,齒輪的兩邊安裝的是滑動軸承的襯套,整個結(jié)構(gòu)通過殼體固定,安裝在固定板上。

4 電動座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖

以家用轎車內(nèi)部參數(shù)為背景,座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的空間分布就顯得極為有限,怎樣合理的搭配各調(diào)節(jié)部分的關(guān)系、設(shè)計零部件的尺寸并滿足校核也是本設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)上述設(shè)計計算,各零部件均滿足校核要求,電動座椅的整體結(jié)構(gòu)圖用AUTOCAD軟件設(shè)計,如圖2所示。

圖2 電動座椅整體結(jié)構(gòu)圖

從圖2中看到,大電機(jī)帶動齒輪5轉(zhuǎn)動,與齒輪配合的花鍵軸4兩端安裝有蝸桿帶動水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作,齒輪1和齒條粘合,帶動座椅前后運動。四個小電機(jī)同時同時啟動,通過聯(lián)軸器12帶動蝸桿轉(zhuǎn)動,垂直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作帶動座椅上下運動。為了更清楚的描述座椅內(nèi)部三維結(jié)構(gòu),從圖中A-A方向繪制出局部剖視圖和B-B方向的剖視圖,如圖3、4所示。

圖3 剖視圖

圖4 A-A方向視圖

5 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計計算

5.1 電機(jī)選擇

(1)垂直方向電機(jī):根據(jù)設(shè)計方案計算,已選珠海用空機(jī)電有限公司 A30-70H電動機(jī),輸出功率: 300 W,轉(zhuǎn)速:7 000 r/m。

(2)水平方向電機(jī):已選Z型并勵直流電動機(jī)Z400/40-220,額定轉(zhuǎn)速:4 000 r/m,P=400 W。

5.2 控制電路設(shè)計

操控員按下前進(jìn)按鈕時座椅電機(jī)通電,前進(jìn)工作指示燈亮起,座椅向前移動,操控員松開按鈕電機(jī)停止工作,工作指示滅[6]。

控制電路如圖5所示,座椅的調(diào)節(jié)通過三個開關(guān)控制,當(dāng)開關(guān)處于兩端不同的位置時電機(jī)分別可以正反轉(zhuǎn),實現(xiàn)兩個方向的調(diào)節(jié),其中W5為水平方向驅(qū)動電機(jī),W1,W2,W3,W4分別為垂直方向的前端和后端的調(diào)節(jié)電機(jī),當(dāng)水平方向方向調(diào)節(jié)時通過開關(guān)K2處于上位,控制電機(jī)正轉(zhuǎn),使座椅向前運動,駕駛員通過控制開關(guān)閉合時間的長短來控制座椅的位置,當(dāng)開關(guān)斷開時座椅即停止運動,向后運動時,將開關(guān)K2撥到下位,這時電路換向,電機(jī)反向轉(zhuǎn)動,座椅則向后運動。當(dāng)在垂直方向調(diào)節(jié)時,控制電路的原理與水平方向相同,向上撥動開關(guān)K1,時座椅向上運動,向下?lián)軙r則向下運動。

圖5 控制電路圖

6 結(jié) 語

對微型轎車電動座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計是在現(xiàn)有汽車手動調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,通過理論計算和對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的分析,設(shè)計出汽車電動座椅系統(tǒng)符合實際要求,多數(shù)零件均標(biāo)準(zhǔn)化,非標(biāo)準(zhǔn)零件的設(shè)計都從加工工藝考慮。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中采用四個小型電機(jī)分別控制垂直調(diào)節(jié)系統(tǒng)運動,動力強(qiáng)勁,一個大電機(jī)控制并同時帶動水平方向的兩個調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)分布緊湊合理,所以滿足了使用要求,也使設(shè)計簡單、使用和維護(hù)方便。

[1] 李光耀,史繼鑫.談汽車座椅設(shè)計[J].商用汽車,2007(11):118 -120.

[2] 曲 靜.對汽車電動座椅的設(shè)計構(gòu)想[J].科技風(fēng),2009(11): 165.

[3] 于 芳,于 芬.關(guān)于汽車電動座椅的設(shè)計構(gòu)思[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2006(2):65-68.

[4] 唐 瑜,朱瑞祥,孫向楠,周賢龍.農(nóng)機(jī)駕駛座椅自適應(yīng)水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]農(nóng)機(jī)化研究,2010(1):78-80.

[5] 孫余凱,項綺明.新型汽車電動可調(diào)座椅系統(tǒng)[J].電子世界, 2009(1):30-32.

[6] 宋受俊,劉衛(wèi)國.電動座椅驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微電機(jī),2007 (9):54-57.

Design for Adjustment Mechanism of the Car Electric Seat

The electric seat of car uses reversing motor,gearing(worm shaft,turbine,spindle,rack,etc.)and the seat regulator(screw jack or gear transmission mechanism),etc.,by using the connection between the transmission device and the seat regulator to adjust the seat.The control system for electric chair is designed in this paper,including the transmission and drive system design as well as related calculation,calculating the size of the related parts and drawing out the assembly drawing of the adjustment system and many main parts.The new seat regulator makes the seat simple,convenient and faster to adjust,and it could reach the requirement of convenience and comfort.

seat;worm;gear;motor-driven;CAD

U469.11

A

1007-4414(2015)05-0104-03

QIU Xiao-xia

(Xi′an Danxiaai Home Furnishing Co.,Ltd,Xi′an Shaanxi 710000,China)

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.035

2015-07-22

邱小夏(1986-),女,安徽安慶人,碩士,研究方向:機(jī)械設(shè)計制造。