戰(zhàn)磊,陳麗潔

(長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林長春 130033)

0 引言

汽車座椅是汽車上人體軀干直接接觸的唯一零部件，它不僅需要保護乘員安全和支撐人體重力，同時還需滿足乘坐的舒適性和功能性。為滿足不同體型乘員的乘坐和駕駛舒適性，汽車前排座椅通常會設置靠背角度調(diào)節(jié)和座椅前后調(diào)節(jié)等基本功能。對于手動調(diào)節(jié)汽車座椅，靠背角度調(diào)節(jié)采用調(diào)角器來實現(xiàn)。通常，調(diào)角器上都需要安裝一個平面渦卷彈簧：一方面，保證座椅靠背在進行角度調(diào)節(jié)時能夠克服靠背重力，使得座椅靠背實現(xiàn)向前回彈；另一方面，能夠平衡部分靠背重力，使其在向前回彈時，保證一定的回彈速度，不至于出現(xiàn)座椅靠背快速回彈引起的乘員傷害問題。

對于平面渦卷彈簧，機械行業(yè)標準JB/T 7366-1994[1]中已經(jīng)給出了相應的設計方法與步驟。然而，為保證所設計的渦卷彈簧能夠滿足實際的應用，大多數(shù)汽車座椅制造公司會借助計算軟件或者CAE仿真模擬的方法進行汽車座椅調(diào)角器卷簧設計和驗證[2-4]。除此之外，一些零件制造商也會采用試錯法進行渦卷彈簧設計，即先利用自動卷簧機進行樣品試制，隨后進行物理測試以驗證卷簧設計能否滿足使用要求[5]。無論應用計算軟件進行開發(fā)還是試錯法，均需要一定的花費，也會延長開發(fā)的進度。

本文作者依據(jù)機械行業(yè)標準JB/T 7366-1994[1]，對汽車座椅手動調(diào)角器卷簧的設計進行了研究，嘗試找出適合汽車座椅調(diào)角器卷簧設計的手工計算方法，并對適合渦卷彈簧設計的材料進行了研究。通過研究，對調(diào)角器卷簧的設計及材料選擇起到一定的指導作用。

1 實驗方法與步驟

1.1 原材料

試驗用原材料的化學成分及生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 原材料信息(質(zhì)量分數(shù))%

1.2 材料實驗

材料拉伸實驗在美國Instron公司5585型拉伸試驗機上進行，拉伸試驗執(zhí)行標準ASTM E8、A370。材料硬度檢測在美國Instron公司S2000型洛氏硬度計上進行，硬度試驗執(zhí)行標準ASTM E18。材料金相組織檢測采用Leica MZ12型顯微鏡進行，金相檢測執(zhí)行標準ASTM E3、E407。

1.3 耐久實驗

采用上述原材料制作成卷簧，隨后按照標準JA_6800-HL-2，在時代集團TNS-W試驗機上進行耐久試驗，具體步驟如下：

試驗1，調(diào)角器解鎖，最后位置到最前位置，重復500個循環(huán)；

試驗2，最前位置調(diào)節(jié)到最后位置，鎖止靠背；再將靠背從最后位置調(diào)節(jié)到設計位置鎖止靠背，重復操作2 000個循環(huán)；

試驗3，最前位置調(diào)節(jié)到設計位置，鎖止靠背，重復操作2 000個循環(huán)。

耐久試驗按照JA 6800標準進行評價：

(1)完成600個循環(huán)后，不允許出現(xiàn)異常噪聲；

(2)在每個試驗模式下，在試驗完成1/3后，調(diào)節(jié)裝置最大尺寸松馳度不超過設計標準值的130%。

耐久試驗前、后均對卷簧扭轉(zhuǎn)力矩進行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 渦卷彈簧設計計算

2.1.1 正向計算

對于汽車座椅，為確保使用過程中不出現(xiàn)噪聲問題，調(diào)角器卷簧材料之間應避免相互接觸；另一方面，卷簧的外端需要安裝在座椅靠背骨架上，隨著靠背前后調(diào)節(jié)進行轉(zhuǎn)動，卷簧內(nèi)端則需要固定在座椅骨架上。根據(jù)標準JB/T 7366-1994[1]中的描述，卷簧類型可以被確定為非接觸型外端回轉(zhuǎn)類平面渦卷彈簧。

在進行調(diào)角器卷簧參數(shù)正向計算時，有部分參數(shù)是確定的，包含：卷簧承受的轉(zhuǎn)矩T，卷簧變形角ψ，允許安裝的材料寬度b、卷簧的使用壽命ζ及卷簧的系數(shù)K1、K2。根據(jù)某轎車前排座椅調(diào)角器的工作需求，表2給出了以上參數(shù)的具體數(shù)值。根據(jù)標準JB/T 7366-1994中非接觸型平面渦卷彈簧的設計要求和表1中所列出的已知條件，卷簧材料選用I級彈簧鋼帶?？梢赃x用的常用材料有65Mn、50CrVA和60Si2Mn三種。具體的材料要求是：熱處理后，材料硬度為40～48HRC，抗拉強度σb=1 275～1 600 MPa，其許用應力可計算為[σ]=0.6σb=765～960 MPa，為方便后續(xù)計算，取[σ]=960 MPa。

表2 卷簧確定的參數(shù)

依據(jù)公式(1)—(6)，則可以計算出卷簧的主要參數(shù)：

(1)

(2)

R1=(8～15)h

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：h為卷簧材料厚度；L為卷簧工作長度；R1為卷簧內(nèi)半徑；R為卷簧外半徑；T為卷簧節(jié)距；n0為卷簧自由狀態(tài)下的圈數(shù)。

將已知條件代入公式(1)—(6)，可以計算獲得卷簧的主要參數(shù)，如表3所示。

表3 正向計算卷簧主要參數(shù)

可以看出：按照標準JB/T 7366-1994中非接觸型卷簧的設計方法[公式(1)—(6)順序進行計算]正向計算出的調(diào)角器卷簧，其材料長度L、卷簧內(nèi)徑R1和外徑R、卷簧節(jié)距t等關(guān)鍵尺寸已經(jīng)遠遠超出汽車座椅零件的安裝需求，不符合座椅設計要求。因此，完全按照標準JB/T 7366-1994進行正向順序計算，不適合汽車座椅調(diào)角器卷簧的設計。

2.1.2 反向計算

為了設計出在安裝和性能上均滿足汽車座椅調(diào)角器需求的卷簧，根據(jù)整椅安裝尺寸的要求，先分別對卷簧材料厚度和節(jié)距進行限制，即：材料厚度h設計為3.2、3.5、4.0、4.5和5 mm，節(jié)距均為t=5 mm?？筛鶕?jù)公式(2)、(7)對參數(shù)L和材料的需用應力[σ]進行計算

(7)

其中：[σ]為卷簧材料許用應力；K2為卷簧系數(shù)；b為卷簧材料寬度。

圖1為不同材料厚度與卷簧基本尺寸以及材料需要的許用應力[σ]之間關(guān)系曲線?？梢钥闯觯涸谠O定的條件下，當卷簧材料厚度h≤4.5 mm時，材料的許用應力[σ]≥1 200 MPa，按照[σ]=0.6σb，則材料抗拉強度σb≥2 000 MPa，在JB/T 7366-1994標準中無法找到相應強度的材料。因此，當卷簧尺寸參數(shù)確定時，應盡量選擇厚度h>4.5 mm的材料；除了材料厚度h，卷簧材料寬度b也是影響其設計的參數(shù)之一。由于安裝空間的限制，通常需要較薄的材料進行卷簧設計，以節(jié)省空間，因此，材料厚度h≤4.5 mm時，在其他卷簧尺寸確定的條件下，增加卷簧寬度b也可實現(xiàn)卷簧設計。圖2為不同厚度材料強度與寬度b間關(guān)系曲線。可以看出：當材料厚度h一定時，材料強度值越大，卷簧寬度b值越小。當材料強度相同時，材料厚度h值越大，卷簧寬度值b越小。

圖1 卷簧材料厚度與卷簧尺寸及材料強度之間的關(guān)系

圖2 不同厚度卷簧材料強度與寬度關(guān)系曲線

以上結(jié)果表明：進行調(diào)角器卷簧設計，當預先設定卷簧的部分參數(shù)，然后根據(jù)標準JB/T 7366-1994中非接觸型卷簧的相關(guān)計算公式進行反向設計，卷簧的尺寸、材料等參數(shù)能夠滿足汽車座椅調(diào)角器上設計需求。

2.2 卷簧材料實驗結(jié)果

根據(jù)標準JB/T 7366-1994中表2和表5[1]，選定65Mn、50CrVA和60Si2Mn三種材料作為汽車座椅調(diào)角器卷簧設計材料。按圖3所示工藝流程進行卷簧制造，并對熱處理前后的材料進行了檢測。熱處理前標記為“B”，熱處理后標記為“A”。材料金相組織如圖4所示。

圖3 50CrV、60Si2Mn和65Mn材料熱處理工藝流程

圖4 不同材料熱處理前后金相組織

可以看出：3種材料熱處理前均呈現(xiàn)相似的鐵素體與珠光體混雜在一起的組織形貌；熱處理后，材料的金相組織發(fā)生了明顯的變化，轉(zhuǎn)變成為板條狀馬氏體組織；3種材料在熱處理后，微觀組織上也并無明顯區(qū)別。

隨后，對3種材料的力學性能進行了檢測，結(jié)果如表4所示。3種材料在進行熱處理之后，力學性能均有很大程度的提高:硬度基本一致，均能達到45HRC;50CrV和65Mn材料強度值比較接近，抗拉強度為1 400 MPa左右，屈服強度為1 300 MPa左右;60Si2Mn材料的強度高于其他兩種材料，屈服強度值為1 581 MPa，抗拉強度為1 720 MPa。根據(jù)第2.1節(jié)中的計算結(jié)果可知：3種材料熱處理之后，60Si2Mn更適合用于卷簧的設計和制造。

表4 熱處理前、后不同材料力學性能檢測結(jié)果

為進一步確定適用于汽車座椅調(diào)角器卷簧設計的材料，根據(jù)文獻[6]中所述的簡易算法和所測得的相關(guān)數(shù)據(jù)，對不同材料疲勞壽命進行了估算，結(jié)果如圖5所示。估算的結(jié)果表明：60Si2Mn疲勞壽命高于其他兩種材料，相同條件下，采用60Si2Mn制作的卷簧具有更高的疲勞壽命。

圖5 不同材料計算S-N曲線

2.3 卷簧測試

為驗證以上結(jié)論，分別采用50CrVA和60Si2Mn兩種材料，按照相同的卷簧尺寸參數(shù)制作了卷簧。在試驗機上對兩種卷簧進行疲勞耐久實驗，并對實驗前后卷簧的扭轉(zhuǎn)力矩進行了測量。表5為卷簧不同位置點進程和回程扭矩及扭矩衰減率結(jié)果。

表5 不同材料10 000次疲勞實驗前、后回轉(zhuǎn)扭矩對比

可以看出：進行了疲勞實驗后，50CrVA卷簧的進程和回程扭矩均出現(xiàn)較大幅度衰減， 60Si2Mn卷簧的扭矩衰減相對較小，說明采用60Si2Mn制作的卷簧更為耐久。此結(jié)果進一步驗證了60Si2Mn是設計、制造調(diào)角器卷簧的最佳材料。

3 結(jié)論

基于手工計算的方法，進行了汽車座椅調(diào)角器渦卷彈簧設計和材料選擇的研究。結(jié)果表明：

(1)標準JB/T 7366-1994中非接觸型平面渦卷彈簧的正向設計方法不適用汽車座椅調(diào)角器卷簧的設計；

(2)根據(jù)安裝空間的尺寸限制，預先假定一些卷簧參數(shù)，進行反向設計，可以設計出適合汽車座椅使用的調(diào)角器卷簧；

(3)通過對50CrV、60Si2Mn和65Mn三種卷簧材料的研究，結(jié)果表明：相同設計參數(shù)，60Si2Mn材料最適合進行調(diào)角器卷簧的設計和制造。