王國軍 王軍武

摘要：針對汽車座椅調(diào)節(jié)驅(qū)動器斷裂失效的問題，通過試驗和有限元分析相結(jié)合的方法，根據(jù)失效的特征提出了優(yōu)化方案。試驗和有限元仿真的結(jié)果表明：在設(shè)計荷載范圍內(nèi)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象且結(jié)構(gòu)的輸出扭矩增大了75N.m。同時試驗結(jié)果與有限元結(jié)果的誤差為5.74%，進一步驗證了分析的正確性。

Abstract： In order to solve the problem of fracture failure of actuator for automobile seats adjuster， through the combination of experiment and finite element analysis， and according to the characteristics of failure， local size optimization are proposed. The results of experiment and finite element simulation show that： within the design load range， the optimized structure has no fracture phenomenon， and the output torque of the structure increases by 75N.m. At the same time， the error between the experimental results and the finite element results is 5.74%， which further verifies the correctness of the analysis.

關(guān)鍵詞：有限元;強度;優(yōu)化;驅(qū)動器

Key words： FEA;strength;optimization;actuator

中圖分類號：TP333.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0039-02

0 ?引言

驅(qū)動器在汽車座椅上有廣泛的應用，主要調(diào)節(jié)座椅的高度、角度、前后距離等，以滿足駕駛?cè)藛T開車的舒適性。其中，漸開線少齒差行星齒輪傳動有許多優(yōu)點：如效率高、體積小、傳動比大等[1，2]。本文以汽車座椅調(diào)節(jié)驅(qū)動器為研究對象，針對斷裂失效的問題，通過試驗和仿真分析，提出優(yōu)化方案，提高了驅(qū)動器的強度。

1 ?驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)

該款驅(qū)動器為K-H-V（N）型少齒差行星齒輪傳動，由電機提供動力。根據(jù)反饋，該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)功能失效，拆機分析如圖1所示，可以明顯看出：金屬滑塊出現(xiàn)斷裂。該金屬滑塊聯(lián)軸器把行星齒與輸出軸聯(lián)結(jié)起來，材料為scm415，表面硬度HRC50～55/芯部硬度HRC35～40。

2 ?建立模型

利用3D軟件建立驅(qū)動器幾何模型如圖2所示，根據(jù)失效模式重點關(guān)注金屬滑塊的應力分布。

利用ANSYS Workbench進行有限元分析[3-5]。邊界條件按照安裝方式進行施加，荷載為扭矩。原始金屬滑塊材料為scm415;優(yōu)化方案中替換的材料為42CrMo。塑料箱體為PBT GF30，材料力學參數(shù)如表1所示，圖3為塑料PBT GF30非線性應力應變關(guān)系圖。

3 ?結(jié)果分析

重點分析失效斷裂滑塊的應力分布情況，應力云圖如圖4所示。從圖中可以看出金屬滑塊凸出部位變形大且應力比較集中，最大應力為1193.5MPa，超過斷裂強度818.91MPa，結(jié)構(gòu)的最大承受扭矩為158.4N.m。

根據(jù)仿真的結(jié)果，對應力集中的兩個地方進行優(yōu)化，同時將金屬滑塊scm415材料替換強度更高的42CrMo材料。幾何優(yōu)化方案和對應的應力云圖如圖5，仿真的結(jié)果如表2所示，可以看出優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的荷載約為220N.m，提高了62N.m，同時結(jié)構(gòu)的最大應力為1153.7MPa，小于42CrMo材料的斷裂強度1166.165MPa。

4 ?試驗分析

將原始和優(yōu)化方案的樣品分為2組，原始方案：1#，2#，3#;優(yōu)化方案：4#，5#，6#。對樣品進行強度實驗測試，旋轉(zhuǎn)方向緩慢施加荷載，測試如圖6所示[6，7]。試驗結(jié)果如圖7和表3所示。圖7為樣品1#和4#的荷載扭矩與時間曲線。從結(jié)果可以看出：原始方案的最大扭矩為150N.m;優(yōu)化方案1的最大扭矩為225N.m，提高了75N.m?？梢姡簝?yōu)化方案可以滿足設(shè)計要求（大于175N.m），增大了結(jié)構(gòu)的強度。

對優(yōu)化樣品施加設(shè)計荷載175N.m后，實物拆機如圖8所示，金屬滑塊沒有出現(xiàn)失效。

表4為試驗結(jié)果與有限元結(jié)果的對比，誤差為5.74%，進一步驗證了分析的正確性。

5 ?結(jié)論

本文基于試驗和有限元分析相結(jié)合的方式，對汽車座椅調(diào)節(jié)驅(qū)動器斷裂失效進行分析。根據(jù)有限元應力分布的特點，對結(jié)構(gòu)進行局部尺寸優(yōu)化，同時把scm415材料替換為強度更高的42CrMo材料。結(jié)果表明：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象且結(jié)構(gòu)的輸出扭矩增大了75N.m。同時試驗結(jié)果與有限元結(jié)果的誤差較小，僅為5.74%，進一步驗證了分析的正確性。

參考文獻：

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[3]馮曉寧，葉思穎.漸開線少齒差行星齒輪傳動超載能力的有限元分析[J].煤礦機械，2016，37（02）：70-72.

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[7]翟聰.新型漸開線少齒差行星減速器的優(yōu)化設(shè)計研究[D].機械科學研究總院，2017.

作者簡介：王國軍（通訊作者）（1982-），男，湖南永州人，本科，研究方向為機械設(shè)計研究;王軍武（1990-），男，湖南長沙人，本科，研究方向為機械設(shè)計研究。