汽車座椅調角器結構強度與改進措施研究

楊占文　甄良品

摘 要：汽車是人們短途出行的首選方式，其安全性和舒適性已經受到人們的廣泛關注。座椅調角器就是調節座椅，保持座椅和汽車穩固連接的重要結構，其能夠使座椅和車體保持最佳的角度，在受到外力時也能保證座椅的穩定性。可是有些座椅調角器的結構不規范，在汽車行駛的過程中容易發生座椅脫落現象，嚴重危害乘客的安全。本文將利用有限元方法對調角器中的關鍵數據進行計算分析，并提出對其結構進行改進的策略，以提高座椅調角器的使用性能。

關鍵詞：汽車座椅；調角器；增加強度；措施

當乘客坐在座椅上時，調角器需要承受較大的應力，當應力超過零件的最大荷載時，調角器結構就會被破壞，座椅也會發生松動，此時乘客將面臨巨大的安全風險。一般來說，造成調角器失效的原因有兩個：一是調角器的質量不符合標準，所能承受的應力較小；二是調角器的設計不合理，結構強度不夠。第一點比較容易控制，只要選擇優質的零件即可，下面將從第二點因素入手，從技術角度出發探討提高調角器結構強度的方法。

1 調角器的結構

雖然調角器的尺寸很小，但是結構比較復雜，調角器在結構上包括抱箍、內齒輪圈、凸輪軸、固定座、鎖齒板、凸輪和彈性墊圈等。這些都是調角器中必不可少的零件，每一個部分都有著重要的作用，而調節座椅背靠角度主要是由各個結構的共同運動決定的。在座椅背靠角度不變的情況下，鎖齒板和內齒輪圈會緊密地嚙合在一起，如果需要調節背靠角度，那么就需要轉動凸輪軸，在外力的作用下，凸輪軸會帶動凸輪一起轉動，那么鎖齒板和內齒輪圈就會分離；當調整到合適的角度后，彈性墊圈會施加給凸輪軸一個作用力，在此力的影響下凸輪會重新轉動，帶動鎖齒板和內齒輪圈的運動，使二者牢牢嚙合。

從調角器的工作情況可以發現，調角器在工作時主要受到兩個力，一個是乘客施加的力，另一個是彈性墊圈的作用力，雖然凸輪軸和凸輪在轉動，可是他們主要是起到傳遞力的作用，而抱箍是保護和支撐內齒輪圈和固定座的結構，由此可以看出調角器中主要的受力結構為固定座、鎖齒板和內齒輪圈，因此，它們是最容易損壞的部位，也是改善調角器性能的切入點。下面將為固定座、鎖齒板和內齒輪圈這三個部分建立有限元模型，并對其受力情況進行計算分析。

2 調角器有限元模型

通過對調角器進行多次的受力實驗，發現其固定座、鎖齒板和內齒輪圈在實驗中經常發生不同程度的損壞，且損壞次數比較多，同時其他結構仍然保持完好，這驗證了上文的觀點，證明該觀點具有科學性。接下來就應該建立有限元分析模型。為保證有限元計算結果的精度，選用六面體單元輔以少量五面體單元，嚙合齒的齒高為0.7mm，為保證齒形的連續性在嚙合部位單元的尺寸選取0.1mm。為減小有限元模型的規模同時保證計算精度，鎖齒板和內齒圈其他部位的單元尺寸選取0.5mm。固定座單元尺寸選取1.5mm。鎖齒板和內齒圈、固定座之間定義接觸，計算齒接觸和彎曲應力。固定座、內齒圈和鎖齒板的材料均為鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。但是固定座選用的是45鋼，屈服強度為335MPa；內齒圈和鎖齒板為合金鋼，屈服強度為820MPa。以上就是座椅調角器有限元分析模型的具體參數，在確定所有數據都符合實驗要求后，對其進行求解。

3 有限元分析結果

通過求解可以得到鎖齒板的最大應力、最大接觸應力和最大剪應力，其中，一號鎖齒板的最大應力為611.6MPa，最大接觸應力為591.5MPa，最大剪應力為375.7MPa；二號鎖齒板的最大應力為612MPa，最大接觸應力為513.7MPa，最大剪應力為348.7MPa；三號鎖齒板的最大應力為613.2MPa，最大接觸應力為596.6MPa，最大剪應力為319.4MPa。

由計算結果可以看出，三個鎖齒板的最大應力比較接近，而且鎖齒板和內齒輪圈在轉動時承受最大應力的是發生接觸作用的齒，如果外力過大，齒受力超過了屈服強度，那么零件就會發生損壞。在齒板和內齒輪圈嚙合部位，齒板兩側的齒應力較大，中間部位齒的應力較小。這是由于齒板與固定座凸臺的高度不同，在嚙合時齒板會受其阻擋，導致位移受限，所以才會發生該類現象。值得注意的是，該計算結果考慮的是理想情況，也就是零件制造和裝配不存在誤差，此時三個齒板同時均勻的承擔應力，零件不會因受力過大而變形。在實際的生產中，調角器的制造或裝配偶爾會出現問題，導致受力發生偏差，在此情況下某個齒板的受力會遠遠超過另外兩個，那么該齒板就會發生損壞，從而引發安全事故。因此，對調角器的結構進行改進是十分必要的。

4 結構改進

通過分析發現，調角器失效的主要原因為制造工藝不佳和調角器自身的結構存在偏差，主要體現就是調角器的各個零部件無法協調作用，在轉動時受力不均，因局部受力過大造成零件損壞。為了提高調角器的性能，可以改良制造工藝，按照行業標準嚴格操作，并加強監督管理，杜絕粗制濫造現象的發生。在結構方面，則要調整鎖齒板的厚度和固定座凸臺的高度，使鎖齒板與固定座凸臺保持在同一水平線上。為了保證鎖齒板在轉動時各個齒的受力均勻，可以減少鎖齒板的翻轉或縮小齒間的摩擦力，從而減小齒的接觸應力。

將鎖齒板的結構按照上述方法調整后重新進行實驗，發現改進后的鎖齒板的最大應力有了明顯的減少，僅為447.2MPa，比原來減少了166MPa，而且鎖齒板在轉動時齒的受力也更加均勻，局部應力遠遠小于結構調整之前，說明這種改進方法是十分有效的。

5 小結

由于調角器的內部結構體積小，不利于直接觀察和測量，本文為調角器的主要受力結構固定座、鎖齒板和內齒輪圈建立了有限元模型，并通過計算分析得出該調角器在結構上的缺陷，從而得出改進措施：只需使鎖齒板與固定座凸臺高度保持一致，同時減少鎖齒板的偏轉，那么就會使鎖齒板的受力趨于均勻，不會輕易發生損壞。這種改進方法經過測試具備很高的實用價值，而且易于操作，符合經濟性，可以有效解決目前調角器性能不佳的問題。

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