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        汽車(chē)座椅輔助翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

        2018-11-09 05:23:34王俊
        汽車(chē)零部件 2018年10期
        關(guān)鍵詞:操作者座椅重力

        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。

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