(毕业设计)小型客车座椅结构设计说明书(33页).doc

-(毕业设计)小型客车座椅结构设计说明书-第 27 页摘 要汽车座椅是汽车车身的重要部件，一般由座垫及其骨架、靠背及其骨架、头枕及其骨架，以及相应的导向、调节机构等基本部分组成。汽车座椅系统是用来在车内给驾乘者支撑，并在保证方便进出和驾驶操作的前提下提供驾乘者有效的约束。汽车座椅系统应该提供驾乘者预期的可调节性和长途驾驶的舒适感。在车门关闭状态、在座椅整个调节行程内，座椅系统的操作应该适于所有体形驾乘者进行直观的调控操作。同时汽车座椅也是保障车辆安全性能的一部分。汽车座椅设计的合理性及其质量直接影响到乘员的安全性和舒适性。本设计主要结合人机工程学以及有关座椅的国家标准进行小型客车座椅的结构设计和分析。根据人机工程学确定各部分尺寸，完成调节机构的结构，依据国家相关标准进行合理分析设计，并进行了静力分析。本设计中的调节机构主要包括前后调节机构、高度调节机构以及角度调节机构进行设计，设计了其结构及工作原理。本设计为小型客车座椅生产与实验提供了参考，对实际生产有一定的指导意义。关键词：座椅、人机工程学、结构、静力分析 AbstractCar seat is an important auto body parts, generally by the seat and its skeleton, and skeleton back, head and skeleton, and the corresponding orientation, regulators and other basic parts. Car seat system is used to driving in the car who support and facilitate the access and drive to ensure the operation of driving under the premise of providing effective control.Car seat driving system should expect to provide adjustable and long-distance driving comfort. In the door closed, adjust the seat the entire trip, the seats should be suitable for operation of the system to carry out all the body driving control operation intuitive. At the same time protect the car seat is also part of vehicle safety performance. Car seat design and the quality of the reasonableness of a direct impact on passenger safety and comfort.The combination of ergonomic design, as well as the main seat of the national standards for small passenger seat of the structural design and analysis. According to various parts of ergonomics to determine the size of the completion of the structure adjustment, according to relevant national standards for the design of rational analysis and a static analysis.The design of the regulating agencies, including before and after adjusting the main body, a high degree of regulation of agencies and institutions regulating the design point of view, the design of its structure and working principle.The seat is designed to mini-van production and provides a reference experiment, the actual production of a certain degree of guidance.Keywords: chairs, ergonomics, structure, static analysis目 录第1章 绪 论11.1 小型客车座椅的功用及设计要求11.1.1 小型客车座椅的功用11.1.2小型客车座椅的设计要求11.2 小型客车座椅结构21.3 本毕业设计的研究内容和意义21.3.1 研究内容21.3.2 意义21.4 CATIA软件31.4.1 CATIA软件简介31.4.2 CATIA在本设计当中的应用3第2章 座椅的方案设计42.1 座椅的功能设计和尺寸控制42.1.1 座椅的功能设计42.1.2 座椅的尺寸控制4第3章 小型客车座椅的骨架结构设计103.1 座椅的骨架设计103.2 小型客车座椅的调节机构设计123.2.1 前后调节机构的工作原理及相关计算123.2.2 高度调节机构的工作原理及相关计算133.2.3 角度调节机构的工作原理143.3 小型客车驾驶员座椅骨架整体结构15第4章 座椅骨架静强度分析164.1 汽车座椅静强度法规164.2 有限元算法在汽车座椅安全性研究中的应用184.3 对座椅底座骨架进行静强度分析194.3.1 建立底座骨架模型并指定材料194.3.2 进入CATIA工程分析模块并划分网格204.3.3 在靠背骨架上定义约束204.3.4 在底座骨架上施加载荷204.3.5 计算求解214.3.6 结果分析22第5章 工艺过程设计235.1 导轨上板工艺过程设计235.2 连接块工艺过程设计245.3 导轨滑道工艺过程设计25第6章 结论27参考文献28致 谢30附 录31附 录32第1章 绪 论1.1 小型客车座椅的功用及设计要求1.1.1 小型客车座椅的功用小型客车座椅是小型客车车身的重要部件，其主要功用是： 1)用来在车内给驾乘者支撑，通过主要的支撑点支撑整个人体，使驾乘者在车辆行驶过程中能够保证稳定性；2)在车辆发生碰撞时能够保证驾驶员的安全，汽车座椅的强度直接影响到驾驶员的生命安全。汽车座椅强度符合国家标准可以有效的保护驾驶员的安全；3)给驾驶员提供舒适的驾驶环境，特别是在长途驾驶过程中，减少驾驶员的疲劳感；4)通过调节座椅得到合适的座椅位置可以使驾驶员更方便的驾驶车辆，使视野更加广阔。1.1.2小型客车座椅的设计要求 小型客车座椅作为客车重要的部件之一，其设计要求主要应该满足以下几点： 1).安全设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。2).操纵方便设计的座椅还需操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。3).乘坐舒适设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理的体压分布并使其肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常；并具有腰椎依托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。能有效隔离或衰减路面不平产生的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。4).生产成本设计的座椅必须在满足强度的要求前提下尽量选用经济型材料。1.2 小型客车座椅结构小型客车座椅（如图1.1所示）一般由头枕、靠背、调节装置、座垫和座椅连接件等组成，汽车座椅骨架是汽车座椅的基础结构，可分为靠背骨架、座垫骨架和调节装置三个部分。第1章 TC图1.1 小型客车驾驶员座椅简图结构简图1.3 本毕业设计的研究内容和意义1.3.1 研究内容汽车座椅作为汽车重要的组成部分之一，对其性能的要求越来越高，研究的领域也越来越广。本次毕业设计的主要任务是对小型客车的座椅进行结构设计，运用CATIA绘图软件进行三维实体造型设计。通过收集分析相关资料包括座椅的国家标准和试验方法，根据相关标准对座椅结构进行设计以及各个调节机构的设计。了解并掌握了驾驶员座椅的靠背骨架总成结构与坐垫骨架总成结构，根据人机工程学原理，结合驾驶员的操纵稳定性、安全性与舒适性，确定了汽车座椅的结构尺寸；学习三维制图软件，并绘制所设计座椅的三维实体造型。1.3.2 意义现代人越来越多地的时间在汽车中度过，座椅的安全与舒适直接影响到人们的健康与安全。座椅是汽车与人接触的界面，人们在选择汽车时，往往首先接触到的是它的座椅。汽车制造业正在迅速地向全面数字化设计、制造和测试这种新方式转化。在汽车产品开发CAC/CAM/CAE/PDM环境下，传统的实物模型被数字模型所取代。这使得汽车产品可以直接从设计阶段进入生产阶段。实现了汽车开发过程中多学科、多领域的集成化、并行化和协同化，缩短了产品设计开发周期，获得了更短的产品上市时间。在汽车座椅零部件上应用新型材料，在保证强度要求的前提下，提高经济性能。本文的研究设计工作对于提高汽车座椅的安全性和舒适性有重要的意义。1.4 CATIA软件1.4.1 CATIA软件简介CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。CATIA 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。1.4.2 CATIA在本设计当中的应用基于上文中对CATIA软件的介绍，在本次毕业设计中该软件得到大量的应用。其中，涉及到机械设计模块中的曲线及曲面设计、草图设计、零件设计、工程绘图和装配设计等内容，整体贯穿整个本次毕业设计。第2章 座椅的方案设计2.1 座椅的功能设计和尺寸控制2.1.1 座椅的功能设计座椅的功能设计主要包括以下几个方面：1). 靠背：靠背设计时应使靠背的高度、形状符合人体曲线，使背部肌肉处于放松状态，并能给背部、肩部有效可靠的支撑，使驾驶员保持稳定的坐姿，还要有足够的侧背支撑，从而避免高速转弯时的横向滑动。不同的靠背倾角会导致不同的椎间盘内压力及背部肌负荷，所以设计时应考虑合理的靠背倾角。为了提高舒适性和适合不同的驾驶员，靠背倾角应为可调式。本设计靠背倾角调节范围为100°-115°。2).座垫：座垫设计主要是座垫深度和座垫倾角的确定。座垫深度的设计原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理支撑。座垫深度过大时，造成人体躯干相对前移，腰部得不到良好的支撑，引起疲劳；座垫深度过小时，会因大腿得不到良好的支撑而感到不舒适。因此，座垫的深度应按臀部至大腿表面全长的3/4设计，一般取400480mm。座垫的倾角应兼顾安全性和舒适性，一般为2°10°。本设计座垫的深度取450mm，座垫的倾角取6°。3).头枕：头枕是为提高汽车乘坐舒适性和安全性而设置的一种辅助装置，其主要作用是保障安全，头枕的承托，可以减少头部自由移动的空间，降低对颈椎的冲击力，起到避免或减轻乘员颈部受伤的作用。按照国家标准GB11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法，汽车座椅头枕属汽车整车强制认证检测项目之一，汽车前排座椅应装有头枕。头枕有整体式和可调式，可调式头枕在结构上可分为二位可调和四位可调。头枕正确的安装位置十分重要，应安装在至少与耳朵上缘平齐的地方，后脑与头枕间的距离最好不要超过10cm。本设计采用二位可调式。4).座椅骨架：座椅骨架是座椅系统的结构件，必须有足够的强度并通过各种静态和动态的载荷试验，它属于汽车整车强制认证检测项目之一，应符合GB15083-1994汽车座椅系统强度要求及实验方法的规定。2.1.2 座椅的尺寸控制根据人机工程学设计小型客车座椅的尺寸控制。坐姿是人体较自然的姿势，有很多优点。随着自动化程度的提高，越来越多的作业采用坐姿完成。坐姿将是操作人员未来作业的主要工作姿态。坐姿比立姿更有利于血液循环。坐姿将以脚支撑全身的状况转变为以臀部支撑全身，有利于发挥脚的作用。 坐姿也存在一些缺点，主要是限制了人体的活动范围，尤其是需要上肢出力的场合，往往需要站立作业，而频繁的起坐交替也会导致疲劳。长期维持坐姿还会影响人的健康, 引起腹肌松弛,下肢肿胀，静脉压力增大，大腿局部受到压力，增加血液回流阻力, 脊柱非正常弯曲, 以及对某些内脏器官造成损害。 理想的座椅应当使人坐着时, 体重合理分布, 大腿平放, 双足着地,上臂不负担身体的重量, 肌肉放松,血液循环通畅, 姿态舒适。因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态, 躯干与大腿之间必须有大约 135°的夹角, 并且座椅的设计应使坐者的腰部有适当的支撑, 以使腰曲弧形自然弯曲, 腰背肌肉处于放松状态。人坐着时, 大腿和上身的重量必须由座椅来支承。人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节。这两块小面积能够支持大部分上身的重量。覆盖在它们外面的皮肤能获得丰富的动脉血液供应，就象脚底一样；而在臀部的边缘部分，血液循环则大不一样，在这部分静脉较多(包含较少的氧)；当人坐着的时候，覆盖着坐骨结节的皮肤能够更好地经受住持久的压力。 (如图2.1所示) 图2.1 使股骨处于正常位置的平坦座面座面上的臀部压力分布应是：在坐骨结节处最大, 由此向外,压力逐渐减小,直至与座面前缘接触的大腿下部,压力为最小。不同用途的座椅, 两点支承的作用不一样。休息用的座椅, 体、腿夹角较大 ( 舒适角度约为 115°), 坐着时身体向后倾斜, 只要肩胛部分支承稳靠, 没有腰靠也能得到舒适的坐姿, 因此是以肩靠起主要作用。人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布，坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素。人就坐时，身体重量的大部分(约80% )经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉压在坐椅面上。但是，不论什么座面，保持一种固定的坐姿时间过长，臀部细血管内参加循环的血液量就会减少，控制身体下部生理机能的功能将会下降，这种持续的复合作用在肌肉上会引起挤压疲劳。只有不断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲劳的到来，对于腰肌也是这样，尽管不同的坐姿对腰椎弯曲形状的影响不同，有的小些有的大些，但是不论哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。一般操作用座椅, 由于操作的要求, 身体需要略向前倾,肩胛骨部分几乎接触不到靠背, 因此,只有腰靠起支承作用, 一般无需设置肩靠。腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的主要措施。腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面, 在这个部位上，任何持续的压力都会给人造成极端的不舒适和肿胀感觉。借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施可防止发生这种情况。正确的坐姿应当是支持脊柱使之逼近这一自然弯曲弧形。座椅的设计必须有可能让人经常地改变自己的姿势和位置，以便减轻压力和活动伸展各部分肌肉。座垫表面的各个边缘应当稍稍向上倾斜，以便阻止臀部向边缘滑动而使操作者能够坐稳。靠背与座垫之间的夹角应当为 95°左右，至少是90°，以避免因骨盆向前歪斜而弯腰，造成肌肉紧张和受束缚。概括起来，舒适的坐态生理，应保证腰曲弧形处于正常自然状态，腰背肌肉处于松弛状态，从上体通向大腿的血管不受压迫，保持血液正常循环。因此，最舒适的坐姿，是臀部稍离靠背向前移，使上体略向后倾斜，保持体腿夹角在 90°115°之间，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚面之间也有合适的夹角。（如图2.2所示） 图2.2 舒适坐姿的关节角度 10°120°；15°235°；80°390°；90°4115°；100°5120°；85°695°工作座椅是供坐姿工作人员使用的一种由支架、腰靠、座面等构件组成的坐具。座位空间及座椅的尺寸设计应保证适应人体舒适坐姿的生理特征, 提供实现舒适坐态的支承条件。工作座椅设计的主要准则: a. 人体躯干的重量应由坐骨、臀部及脊椎按适当比例分别支承,其主要部分应由坐骨结节承担。 b. 人体上身应保持稳定。 c. 人体腰椎下部(第 4 5 节腰椎之间)应有适当的腰靠支承。 d. 座面的高度应确保大腿的肌肉和血管不受压迫。 e. 坐者应能方便、自如地变换姿势而不致滑脱。 f. 座椅的位置和尺寸应与工作台、显示装置、操纵装置相配合，以提高操作者的操作舒适性和方便性。对工作座椅设计的基本要求: a.工作座椅的结构型式应尽可能与坐姿工作的各种操作活动要求相适应, 应能使操作者在工作过程中保持身体舒适、稳定并能进行准确的控制和操作。 b.工作座椅的座高和腰靠高必须是可调节的。座高调节范围在 GB 10000-88 中 “小腿加足高” , 女性(18 55岁) 第 5 百分位到男性 (18 60岁) 第 95百分位数, 即 360 480 mm 之间。工作座椅座面高度的调节方式可以是无级的或间隔 20 mm 为一档的有级调节。工作座椅腰靠高度的调节方式为165 210 mm 间的无级调节。 c.工作座椅可调节部分的结构, 必须易于调节, 保证调节好的位置在座椅使用过程中不会改变或松动。 d.工作座椅各零部件的外露部分不得有易伤人的尖角锐边, 各部结构不得存在可能造成挤压、剪钳伤人的部分。 e.操作者无论坐在座椅前部、中部还是往后靠, 工作座椅座面和腰靠结构均应使坐者感到安全、舒适。 f.工作座椅腰靠结构应具有一定的弹性和足够的刚性。在座椅固定不动的情况下, 腰靠承受 250 N 的水平方向作用力时, 腰靠倾角 不得超过 115° 。g.工作座椅一般不设扶手, 需设扶手的座椅必须保证 操作人员作业活动的安全性。 h.工作座椅的结构材料和装饰材料应耐用、阻燃、无毒。座垫、腰靠、扶手的覆盖层应使用柔软、防滑、透气性好、吸汗的不导电材料制造。工作座椅的结构和主要参数，工作座椅的主要参数的取值范围列于表 2-1，表中所列参数, 已经考虑了操作者穿鞋和着冬装的因素。表2-1 工作座椅的主要参数参数数值测量要点座高mm360-480在座面上压以60kg，直径350mm的半球状重物时测量座宽mm370-420在座椅转动轴与座面的交点处或座面深度方向二分之一处测量座深mm360-390在腰靠g=210mm处测量，测量时为非受力状态腰靠长mm320-340腰靠宽mm200-300腰靠厚mm30-50腰靠上通过直径400mm的半球状物施以250N的力时测量腰靠高mm165-210腰靠圆弧半径mm400-700座面倾角（°）0-5腰靠倾角（°）95-115综上所述，设计出尺寸控制图（如图2.3所示）图2.3 小型客车座椅尺寸控制图第3章 小型客车座椅的骨架结构设计座椅骨架不但要承受人体质量，同时还要经受汽车启动、停止等重复动作和冲撞事故的冲击，属于汽车整车强制认证检测项目之一。骨架的结构主要分为钢质冲压骨架、管式骨架和合金铸造骨架三种，主体为金属焊接结构。管材焊接骨架成本最低，但很难增加更多的功能。钢质冲压骨架有更大的功能配置灵活性，很多附加的功能能够被直接加在骨架上。合金铸造骨架主要用在高级豪华车上，主要特点是质量轻、强度高，但模具费用和零件单价较高。根据汽车的设备能力、生产量和生产成本等情况，本设计座椅骨架为钢质冲压骨架。3.1 座椅的骨架设计1).靠背骨架：靠背骨架是一个关键的结构件，在载荷传递路线中它把载荷传递给调角器，并最终传至地板，它直接关系到座椅的总体稳定性。在前撞、侧撞尤其是后撞情况下，靠背骨架在撞击能量处理方面起到关键的乘员保护作用。其主要尺寸和结构形式如图3.1所示图3.1 靠背骨架主要尺寸及结构形式2).底座骨架：底座骨架通过调角器与靠背连接，靠背受到的载荷通过调角器传至底座再传到地板。底座侧板结构(如图3.2所示)中，前杆和后杆隶属于座椅的高低调节总成，用于保证其整体刚性连接。中间板主要作用为增加横向稳定性和刚度。主要尺寸（如图3.3所示）。图3.2 底座侧板结构 a b图3.3 主要尺寸 骨架的结构，主要可分为钢质冲压骨架、管式骨架和合金铸造骨架三种，本设计座椅骨架采用钢质冲压骨架。3.2 小型客车座椅的调节机构设计3.2.1 前后调节机构的工作原理及相关计算1).前后调节机构的结构形式及工作原理前后调节机构（如图3.4所示）即座椅滑道，是纵向水平位置的调整机构，在本毕业设计中左右两侧均选用内外导轨式结构，两侧用前后调节操纵杆连接和控制，其中内导轨中间安有内外导轨锁止机构，当用前后调节操纵杆调整到合适位置时，松开操作杆，达到调节并锁止的目的。 图3.4 前后调节机构2)前后调节机构调节范围的计算如图3.5所示，在与锁止机构相连接的外导轨下端，开有10个40mm等距分布的小孔，用于与锁紧机构相扣合。每个等距分布10个均为20×20mm的小方孔，锁止机构每次均占用1个小方孔， 则最大调节距离为（10-1）×40=360mm。因此，前后调节机构调节范围为0-360mm，即0-±180mm。 图3.5 导轨等距孔3.2.2 高度调节机构的工作原理及相关计算1).高度调节机构的结构形式及工作原理高度调节机构（如图3.6所示）主要由一套连接杆件和调整螺杆组成，当高度调节机构下端和上端分别固定在底座侧板与轨道上时，铰接的杆件便与底座侧板、轨道和调整螺杆组成了上下两个等腰梯形，具有稳定的整体性，防止其自由变形。图3.6 高度调节机构其中，连接杆2与调整螺杆连接部分为光滑通孔，与调整螺杆无螺纹一端相接合，在调整螺杆有螺纹部分与连接杆1的接触处，将连接杆件固定在调整螺杆有螺纹处和无螺纹处的中间，限制其沿调整螺杆轴向的自由度。连接杆1与调整螺杆连接部分为内螺纹结构，与调整螺杆的外螺纹相连接，当调整螺杆转动时，连接杆1会沿调整螺杆轴向移动，改变连接杆上下杆与调整螺杆的角度，从而使底座得到垂直方向的的位移改变。调整过程中，高度调节机构主调整一侧的垂直方向位移改变会通过座椅侧板结构中的前后两个杆，带动另一侧的连接机构产生垂直位移，达到底座在垂直方向位移整体改变的目的。2)高度调节机构调节范围的计算在本毕业设计中，连接杆件1在调整螺杆轴向位移范围为50mm，如图3.7，当连接杆件1被调整到如图所示位置时，mmmm则，座椅在垂直方向上工共调节2×56=112mm，因此，高度调节机构调节范围为0-112mm。 图3.7 高度调节简图3.2.3 角度调节机构的工作原理角度调节机构的结构形式及工作原理本毕业设计中，角度调节机构为棘轮棘爪结构形式,是对靠背、座垫夹角进行调整和锁止的机构。其工作原理为，当角度调节操纵杆进行转动时，连动杆同时随着转动，连接在连动杆上的板簧会逐渐卷缩，而带动锁止机构下移，从而解除内板和外侧上板间的锁止，此时当操作者对靠背施以向后的力或者依靠板簧的恢复力，就可以对靠背的角度进行调节，当调整到合适角度位置时，松开角度调节操纵杆，在板簧的恢复力作用下，角度调节操纵杆会回到初始位置，而所以机构也会重新弹回外侧上板的齿牙内，对内板和外侧上板进行锁定。在整个调整过程中，通过连动杆的连接，座椅两侧的角度调节机构会同步对靠背角度进行调节。角度调节机构角度调节范围有内板上的弧形开槽确定，位于外侧上板的突出销，只能在圆弧开槽范围内活动，即100°-115°。3.3 小型客车驾驶员座椅骨架整体结构根据本章所确定的主要座椅骨架结构，用CAITIA机械装配模块，装配小型客车驾驶员座椅骨架总成如图3.8所示。图3.8 小型客车座椅骨架结构总成第4章 座椅骨架静强度分析4.1 汽车座椅静强度法规汽车作为现代人类社会的交通工具，在给人们带来便利和好处的同时，也给人类社会带来了灾难，那就是交通事故。为了确保汽车的安全，世界各国都制定了相应的安全标准和技术法规，但总的来说，有代表性的汽车安全技术法规有三大体系：美国、欧洲及日本技术法规体系，各个体系有不同的特点。1)座椅总成静强度法规：美国FMVSS-207对座椅总成静强度规定，在座椅总成质心处水平向前、水平向后，施加20倍座椅总成质量的载荷，座椅应能承受以上载荷；在欧洲ECE-R17中对座椅总成静强度的规定与之类似。我国的GB15083-1994中对座椅总成静强度也作了类似规定，要求在座椅总成质心处水平向前、水平向后对其施加20倍座椅总成质量的载荷，座椅及座椅固定点应能承受以上载荷，座椅不得与车体分离。对于可调式座椅，调节装置在试验中应能使座椅保持原调节位置，在试验后允许失去调节功能。法规规定加载示意如图4.1所示。图4.1 座椅总成静强度规定加载2)座椅靠背静强度法规：在FMVSS-207法规中对靠背静强度规定，对座椅靠背施加相对于座椅参考点R点，大小为372N·m的载荷时，座椅应能承受以上载荷。其加载示意图如4.2所示。图4.2座椅总成静强度规定加载我国也根据本国实际情况，制定了座椅靠背静强度法规，在GB15083-1994中作了如下规定，对座椅靠背施加相对于座椅参考点R点，大小为373N·m的载荷时，座椅应能承受以上载荷。座椅及座椅固定点应能承受以上载荷；锁止机构不得打开；位移及角调节机构不得松脱。用台车进行座椅动态碰撞模拟试验时，其测量方法、分析方法及精度等都存在很多困难，并且需要投人许多资金用于购置试验仪器和设备。所以，可用静态试验代替动态试验来对座椅进行评价，这种方法是通过分析各种动态试验或事故重现试验时测得的座椅有关部件上产生的动态负荷，把它换算成静态负荷，然后简化为座椅的静态试验。 进行座椅的静态试验时，必须用规定的试验装置对每个乘坐位置的座椅背部的不同高度施加规定的试验力，施力方向应位于相应乘坐位置的垂直中心面内水平方向，从座椅后部向前。当一只座椅有多于一个的乘坐位置时，应对每个座位同时施加试验力，并应有与座位数相等的上模板和下模板。4.2 有限元算法在汽车座椅安全性研究中的应用有限元法的数学基础是变分原理和近似分割原理，在有限元法中，实际物体或连续介质，都用一种简单的物理模型由有限个单元通过有限个点（称之为节点或结点）相互联接而形成的组和体来表示。因为在连续体内，场变量（包括位移、应力、温度、压力、速度等）的实际变化是未知的，所以，假定在单元内部，场变量的变化可以用一种比较简单的函数来逼近，这些近似函数用场变量在节点处的值来插值。假定单元近似函数之后，就可以建立以节点的场变量为未知量的整个连续体的场方程，求解这种场方程，便可得到节点的场变量值，从而得到问题的近似解。1974年，美国汽车工程师协会（SAE）曾召开有限元法在汽车结构计算中应用的学术会议，总结和交流有限元法在汽车工程计算中的应用经验。座椅安全性设计的研究手段有很多。初期人们在试验室中利用座椅静态特性试验、台车碰撞试验等方法模拟各种工况，虽然取得了巨大的成功，但是耗资巨大、耗时较长以至于每一次修改设计的周期都很长。随着计算机技术的不断发展，有限元算法逐渐运用到了汽车座椅安全性的研究中。小型客车驾驶员座椅骨架属于空间杆系结构。对于驾驶员座椅，由于装有各种调节结构，其结构是非对称的；同时，汽车在行驶过程中，座椅上承受着复杂的载荷，结构的各个杆件既受弯曲又受扭转。对于这种复杂的结构，运用有限元法进行力学分析具有明显的优越性。早期的汽车座椅骨架大都采用简单的钢管结构，因此，设计人员最早采用空间梁单元进行强度分析。受硬件设备与软件水平的限制，当时的座椅有限元模型都比较简单，单元和节点数目较少。随着座椅结构形式的不断变化，单纯用梁单元已不足以精确地描述座椅骨架的结构，于是，设计人员越来越多地使用了其他的单元形式建模，如空间板壳单元、实体单元等。同时，随着计算机软硬件水平的迅速发展，出现了大量的高速图形工作站和多种大型通用有限元分析软件，使详细准确地描述座椅结构成为可能。随着人们对安全性要求的不断提高，冲击载荷作用下座椅的强度问题越来越受到人们的重视。碰撞试验是进行座椅安全性研究最早采用的方法，但是碰撞试验费用的昂贵和耗费时间，使每一次修改设计的周期变得很长。于是，人们转向另外一条研究座椅安全性的途径模拟计算方法，随着计算机模拟计算的应用和发展，它的优点逐渐展现出来。例如在方案设计阶段就可以对座椅的冲击强度特性有一个基本的认识，避免低劣的方案投入设计和开发；计算所得的详细数据，可以反映出每一细微部分的变形过程，为设计人员提供更详细的资料，这是碰撞试验无法做到的。一汽轻型车厂与吉林大学汽车学院合作进行的轻型车改型工作也获得了巨大的成功。另外，国内其它小型客车制造厂，也都开展了这方面的工作。4.3 对座椅底座骨架进行静强度分析4.3.1 建立底座骨架模型并指定材料1).建立底座骨架模型通过CATIA软件机械设计中的零件设计和装配模块，组建座椅底座骨架的简易模型。其中，座椅底座骨架的两侧侧板和中间板均为厚度是10mm的冲压板。如图4.3所示。图4.3 底座骨架简易模型2).加载底座骨架的材料通过CATIA的材料加载功能，加载底座骨架所定义的材料，如图4.4所示。图4.4 加载底座材料4.3.2 进入CATIA工程分析模块并划分网格1).进入CATIA工程分析模块选择菜单Analysis & Simulation中的Generative Structural Analysis弹出图4.5所示新的分析实例对话框。在对话框中选择静态分析（Static Analyses），单击OK按钮。2).网格划分图4.5 新的分析实例对话框单元划分是有限元分析的第一项重要工作。进入GPS（创成式零件结构分析Generative Part Structural Analysis）平台后，CATIA就已经自动定义了网格和属性，且数量和集合体尺寸对应。座椅靠背骨架均为壳体结构，须把模型当作薄壳模型来处理。给曲面模型定义三角形单元。4.3.3 在靠背骨架上定义约束1).位置约束由于分析的前提是假设除了底座部分的座椅骨架部件都为满足法规要求的理想情况，进而对底座骨架的两侧侧板和中间板进行有限元建模与静强度分析。因此，需要在座椅底座骨架两侧板的下端边缘对座椅底座骨架施加夹紧约束，该约束施加于形体表面或边界，使其上的所有节点的位置固定不变（三个平移自由度全部约束）。如图4.6所示。图4.6 定义约束4.3.4 在底座骨架上施加载荷我国的GB15083-1994中对座椅总成静强度作了规定，要求在座椅总成质心处水平向前、水平向后对其施加20倍座椅总成质量的载荷，座椅及座椅固定点应能承受以上载荷，座椅不得与车体分离。对于可调式座椅，调节装置在试验中应能使座椅保持原调节位置，在试验后允许失去调节功能。如图4.7所示。图4.7 施加载荷4.3.5 计算求解完成前期处理后，就可以进行求解计算，通过CATIA默认途径计算后，可以得到相应分析案例的结果图形，如显示应力学分析结果的变形或者模态分析对应的模态变形图（显示自动划分的网格）、用于显示米塞斯等效应力云图和位移显示图等。1).节点网格靠背骨架静力计算分析后，显示应力学分析结果的变形或者模态分析对应的模态变形图（显示划分的网格）如图4.8所示。计算生成的报告显示共划分4582个节点。图4 图4.8 显示划分的网格2).米塞斯等效应力云图用于评价应力分布情况，从下到上，表示应力逐渐变大。如图4.9所示。图4.9米塞斯等效应力云图由图4.9的计算结果可知，座椅底座骨架的最大应力值出现在侧板中下部处，其最大应力值约为246MPa。没有达到所选材料的屈服极限，因此，本毕业设计中底座骨架的结构形式和材料均满足相关标准对底座静强度的要求。4.3.6 结果分析通过对小型客车座椅有限元模型的静力分析，在以下方面对其结果进行分析：1).底座结构形式上，在除底座外其他座椅骨架部件均满足相关标准法规的理想前提下，采用两侧板和中间板的冲压结构，侧板和中板冲压厚度为10mm，满足国际和国内法规对靠背强度的要求。2). 所选定的材料在施加规定载荷后，测试结构符合国家相关标准，满足强度要求。3).由座椅底座骨架结构静态特性有限元仿真分析的结果来看，其整体结构及材料选择均基本满足法规和标准对其强度的要求。第5章 工艺过程设计制订工艺过程的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。5.1 导轨上板工艺过程设计导轨上板零件材料为Q235图5.1 导轨上板零件图工艺路线工序1 下料工序2 去除氧化皮工序3 铣两端面工序4 钻10通孔及8通孔工序5 铣弧形孔工序6 倒圆角工序7 铰孔工序8 中间检验工序9 倒未注圆角工序10 去飞边毛刺工序11 清洗工序12