王俊

(貴州長(zhǎng)江汽車(chē)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550009)

0 引言

汽車(chē)座椅作為汽車(chē)內(nèi)飾的重要組成部分，對(duì)駕乘人員提供支撐、定位，并保護(hù)人員的安全。作為乘員與整車(chē)發(fā)生關(guān)系的介體，在保證方便進(jìn)出和駕駛操作的前提下，還應(yīng)提供駕乘人員預(yù)期的可調(diào)節(jié)性和長(zhǎng)途駕駛的舒適感[1]。對(duì)于設(shè)置有3排座椅的乘用車(chē)，由于最后排座椅空間不僅用于乘坐，還用于物品的存放，所以需要對(duì)該排座椅進(jìn)行翻轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，使座椅處于乘坐狀態(tài)或儲(chǔ)物狀態(tài)，為提高座椅使用時(shí)的舒適性及操作性，需要設(shè)計(jì)一些輔助裝置。根據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式，汽車(chē)座椅可分為手動(dòng)調(diào)節(jié)和電動(dòng)調(diào)節(jié)座椅(也稱電動(dòng)座椅)[2]。出于制造成本及使用頻率考慮，文中介紹了汽車(chē)后排座椅翻轉(zhuǎn)輔助裝置的設(shè)計(jì)流程及思路，并結(jié)合相關(guān)已知條件，設(shè)計(jì)出一種輔助翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)供參考。

1 設(shè)計(jì)條件及要求

1.1 設(shè)計(jì)條件分析

為使多排座椅(最后排座椅為3座或2座的整體式座椅)布置乘用車(chē)輛有更多的儲(chǔ)物空間，將后排座椅設(shè)計(jì)成可翻轉(zhuǎn)的，使座椅不僅能滿足乘坐要求，還在需要時(shí)，可將座椅翻轉(zhuǎn)至與地板一個(gè)平面(圖1)，保證車(chē)輛空間的實(shí)時(shí)利用效率。

圖1 后排座椅工作位置

由于座椅自身固有的重力特性、座椅相關(guān)法規(guī)及整車(chē)外圍條件的限制，設(shè)計(jì)的輔助翻轉(zhuǎn)裝置在滿足相關(guān)法規(guī)及邊界條件基礎(chǔ)上，需要實(shí)現(xiàn)操作者能輕松舒適地對(duì)座椅進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，即要求座椅由圖1所示的狀態(tài)6→狀態(tài)8及狀態(tài)4→狀態(tài)8過(guò)程中，輔助裝置提供翻轉(zhuǎn)助力，克服部分重力，減少操作者對(duì)座椅作用力，由狀態(tài)8→狀態(tài)6及狀態(tài)8→狀態(tài)4過(guò)程中，輔助裝置提供阻力，克服部分重力，減緩下落速度。由圖1(b)中座椅重心位置及座椅翻轉(zhuǎn)過(guò)程，可得出圖2座椅重心相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。

圖2 座椅重心軌跡曲線

設(shè)座椅質(zhì)量為m，結(jié)合圖2可得座椅重心相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心力矩為

N=mgLcosα

(1)

式中：L為座椅重心至旋轉(zhuǎn)中心距離；α為座椅重心和旋轉(zhuǎn)中心連線與水平面(車(chē)身地板)之間的夾角。參照現(xiàn)有一款座椅建模測(cè)量，得出相關(guān)參數(shù)值為L(zhǎng)=300 mm、m=30 kg、α∈[45°，195°]，可得式(1)函數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 重力相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心力矩曲線

由圖3及式(1)可得，座椅在狀態(tài)6和狀態(tài)4的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，狀態(tài)8處力矩為0，狀態(tài)6處為前置力矩最大為Nq=62.4 N·m，狀態(tài)4前15°處后置力矩最大，為Nmax=88.2 N·m，狀態(tài)4處力矩值為Nh=85.2 N·m。

1.2 核心零件分析

基于成本及加工便利性考慮，結(jié)合座椅對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的力矩關(guān)系，擬采用彈性儲(chǔ)能零件來(lái)克服重力產(chǎn)生的力矩。結(jié)合整車(chē)邊界條件，將儲(chǔ)能零件布置在座椅旋轉(zhuǎn)中心處。

彈簧是常見(jiàn)的機(jī)械儲(chǔ)能零件中的一種，為保證座椅翻轉(zhuǎn)的舒適性，所選用彈簧對(duì)旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生扭矩需與重力對(duì)旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生扭矩大小實(shí)時(shí)相近、方向相反。由于該裝置翻轉(zhuǎn)角度變化較大，所以宜選擇拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧或平面渦卷彈簧等運(yùn)動(dòng)行程較大的彈簧作為儲(chǔ)能零件。根據(jù)幾種彈簧特性，結(jié)合相關(guān)邊界條件，此次設(shè)計(jì)選用扭轉(zhuǎn)彈簧作為彈性儲(chǔ)能零件。要使座椅翻轉(zhuǎn)可操作性增強(qiáng)，需將彈簧分段設(shè)計(jì)，并以狀態(tài)8為分界點(diǎn)。

1.2.1 前段(狀態(tài)6→狀態(tài)8)彈簧分析

座椅由圖1中狀態(tài)8翻轉(zhuǎn)至狀態(tài)6時(shí)需要在前端上鎖，此時(shí)重心翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角度為45°，在解鎖后，彈簧要產(chǎn)生足夠扭矩將座椅微微抬起，為滿足上述條件，彈簧與重力產(chǎn)生扭矩不能過(guò)大或過(guò)小。又因上鎖力相對(duì)于彈簧及重力產(chǎn)生力矩影響非常小，可忽略不計(jì)，同時(shí)考慮到彈簧的衰減及制作誤差，將彈簧力矩Nt與重力力矩N的平衡點(diǎn)設(shè)計(jì)至最前角度α+5°(記為θ)，此時(shí)彈簧工作角旋轉(zhuǎn)40°，即：

Ntqp=mgLcosθ=mgLcos(α+5°)

(2)

Ntqp=62.4 N·m

式中：Ntqp為前段彈簧在平衡時(shí)產(chǎn)生的扭矩。

座椅在狀態(tài)8時(shí)，重力相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心無(wú)扭矩產(chǎn)生，此時(shí)彈簧扭矩應(yīng)為0，考慮彈簧的制作誤差(一般為5%)及彈簧定位機(jī)構(gòu)的制作誤差，且彈簧需要有一定的預(yù)緊力，所以在此處設(shè)計(jì)有一定的彈簧扭矩以吸收制造誤差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)為平衡扭矩的15%，即約10 N·m。為使座椅在翻轉(zhuǎn)時(shí)，左右側(cè)受力均勻，將所需彈簧扭矩由左右兩側(cè)均分，即單側(cè)彈簧平衡扭矩Ntqp=31.2 N·m，預(yù)緊力矩為5 N·m，結(jié)合第1.1節(jié)可知前段彈簧最大工作扭轉(zhuǎn)角為αq=45°，后續(xù)設(shè)計(jì)依照單側(cè)彈簧受力進(jìn)行。

1.2.2 后段(狀態(tài)4→狀態(tài)8)彈簧分析

座椅由狀態(tài)8翻轉(zhuǎn)至狀態(tài)4的過(guò)程時(shí)，重力產(chǎn)生力矩變化過(guò)程為小→大→小，即在力矩最大時(shí)，座椅還未翻轉(zhuǎn)至狀態(tài)4進(jìn)行收納，同時(shí)，為保證座椅在狀態(tài)4至狀態(tài)8過(guò)程中便于操作者操作，需座椅上彈一定角度γ(圖4，輸入γ=25°，此時(shí)α角度記為δ)，即在該位置時(shí)彈簧力矩與重力力矩平衡，此時(shí)彈簧工作角已旋轉(zhuǎn)55°。即：

圖4 后段彈簧力矩平衡位置

Nthp=mgLcosδ=mgLcos(180°-25°)

(3)

Nthp=80 N·m

式中：Nthp為后段彈簧在平衡時(shí)產(chǎn)生的扭矩。

同第1.2.1節(jié)，對(duì)彈簧設(shè)計(jì)(平衡力矩的15%)12 N·m的預(yù)緊力矩，并將彈簧受力左右均分，即單側(cè)彈簧平衡力矩為Nthp=40 N·m，預(yù)緊力矩為6 N·m。結(jié)合第1.1節(jié)可知，后段彈簧最大工作扭轉(zhuǎn)角為αh=105°。

2 翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)及彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 彈簧參數(shù)確定

根據(jù)車(chē)身及座椅相關(guān)邊界要求與第1.2節(jié)中對(duì)彈性零件的要求分析，結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》及相關(guān)設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行多次設(shè)計(jì)校核，最終確定出彈簧參數(shù)(表1)及彈簧對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的扭矩與重力對(duì)旋轉(zhuǎn)中心單側(cè)的扭矩關(guān)系(圖5)。由于彈簧在該裝置中屬于易損件，故對(duì)其壽命有較高要求，已選定的參數(shù)雖滿足法規(guī)及客戶要求，但由于該裝置所選用彈簧線徑較大，需保證有更大的安全系數(shù)，查閱資料得知，經(jīng)噴丸處理的彈簧，能提高疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命，其許用應(yīng)力可提高20%[3]。故所有彈簧采用噴丸處理，并對(duì)其涂抹潤(rùn)滑脂，用于提高疲勞壽命并消除異音。

表1 彈簧參數(shù)

圖5 彈簧扭矩與重力單側(cè)的扭矩關(guān)系

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)第2.1節(jié)驗(yàn)算后的彈簧參數(shù)與第1.2節(jié)中對(duì)彈簧的要求分析，結(jié)合車(chē)身及座椅邊界條件，經(jīng)多次設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終確認(rèn)翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該結(jié)構(gòu)中，除前、后段彈簧外，另有前后段彈簧撥動(dòng)套筒(圖7)也是該裝置功能得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)該組件與前、后段彈簧活動(dòng)端相互接觸運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使彈簧實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存及釋放，也可通過(guò)對(duì)該組件的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)前、后段彈簧力矩的微調(diào)，從而滿足了座椅翻轉(zhuǎn)輔助的要求。

圖6 翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)

圖7 前后段彈簧撥動(dòng)套筒詳細(xì)視圖

針對(duì)第1.1節(jié)中對(duì)座椅的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的要求，翻轉(zhuǎn)裝置的輔助工作原理如下：

狀態(tài)6→狀態(tài)8→狀態(tài)4：解鎖座椅后，操作者外力翻轉(zhuǎn)座椅，同時(shí)前段彈簧克服重力做功并撥動(dòng)前后段彈簧撥動(dòng)套筒，帶動(dòng)與座椅連接組件，從而給翻轉(zhuǎn)座椅(狀態(tài)6→狀態(tài)8)提供助力，直至狀態(tài)8；由于重力及操作者作用力慣性作用，座椅做后半段運(yùn)動(dòng)過(guò)程，此時(shí)座椅重力傳遞至與座椅連接組件及前后段彈簧撥動(dòng)套筒，前后段彈簧撥動(dòng)套筒撥動(dòng)后段彈簧克服重力做功，給座椅的下落(狀態(tài)8→狀態(tài)4)提供阻力，防止座椅快速下落，下落至圖4狀態(tài)后，由于此時(shí)彈簧與重力對(duì)旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生扭矩平衡，所以操作者使用外力下壓座椅直至狀態(tài)4并上鎖。

狀態(tài)4→狀態(tài)8→狀態(tài)6：解鎖座椅后，后段彈簧克服重力做功并撥動(dòng)前后段彈簧撥動(dòng)套筒，帶動(dòng)與座椅連接組件，從而給翻轉(zhuǎn)座椅(狀態(tài)4→狀態(tài)8)提供助力，座椅翻轉(zhuǎn)至圖4所示平衡狀態(tài)，此時(shí)使用外力翻轉(zhuǎn)座椅，后段彈簧繼續(xù)克服重力做功，直至狀態(tài)8；由于重力作用，座椅做后半段運(yùn)動(dòng)過(guò)程，此時(shí)座椅重力傳遞至與座椅連接組件及前后段彈簧撥動(dòng)套筒，前后段彈簧撥動(dòng)套筒撥動(dòng)前段彈簧克服重力做功，給座椅的下落(狀態(tài)8→狀態(tài)6)提供阻力，防止座椅快速下落，隨著運(yùn)動(dòng)慣性直至狀態(tài)6實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖。

綜上，該輔助裝置通過(guò)彈簧對(duì)能量的儲(chǔ)存與釋放，實(shí)現(xiàn)對(duì)座椅向上翻轉(zhuǎn)提供助力和座椅下落阻力，通過(guò)限位結(jié)構(gòu)(圖8)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)前后段彈簧撥動(dòng)套筒進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后，可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)角度的調(diào)整[4]，防止座椅過(guò)翻轉(zhuǎn)。

通過(guò)對(duì)圖8所示結(jié)構(gòu)及前后段彈簧撥動(dòng)套筒的調(diào)整，可使輔助裝置在座椅處于狀態(tài)8時(shí)，前、后段彈簧均不作用或使前，后段彈簧存在一定力矩重疊區(qū)間，以減小或消除該處產(chǎn)生的異音。結(jié)合圖5可知，無(wú)輔助翻轉(zhuǎn)裝置時(shí)，操作者在翻轉(zhuǎn)座椅時(shí)，需要操作者的作用力去克服座椅重力，即需要與座椅重力相當(dāng)?shù)姆醋饔昧?lái)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；在使用輔助裝置后，由于大部分重力做功已被彈簧力所克服，則操作者只需要較小的作用力便可以將座椅進(jìn)行翻轉(zhuǎn)折疊。圖9所示為使用輔助翻轉(zhuǎn)裝置前后操作者作用力力矩對(duì)比(參照座椅數(shù)據(jù)，結(jié)合人機(jī)工程要求，設(shè)定操作者作用力點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心距離為700 mm)。由圖9可知：使用輔助翻轉(zhuǎn)裝置后，操作者作用力對(duì)旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的最大力矩由原來(lái)的85.2 N·m減小至41.8 N·m，其最大操作力相差約40 N·m，可為座椅整體翻轉(zhuǎn)提供最大助力60 N，且所需最大力的作用方向由上拉變?yōu)橄聣?，更有利于操作者翻轉(zhuǎn)操作。

圖9 作用力力矩圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的汽車(chē)座椅輔助翻轉(zhuǎn)裝置，經(jīng)實(shí)物制作、測(cè)試，其結(jié)論與設(shè)計(jì)相符，滿足客戶要求，提高了座椅翻轉(zhuǎn)的舒適性。可將其思路與方案運(yùn)用于生活中需要類(lèi)似汽車(chē)座椅翻轉(zhuǎn)操作的場(chǎng)合，使各種翻轉(zhuǎn)操作易于實(shí)現(xiàn)，提高舒適性。