基于LS_DYNA汽車座椅調角器扭矩輸出的研究

劉海生，關小偉，劉奇超

(長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

基于LS_DYNA汽車座椅調角器扭矩輸出的研究

劉海生，關小偉，劉奇超

(長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

通過計算和模擬簡單工況條件下座椅調角器輸出的扭矩，研究調角器在各個復雜工況下的扭矩輸出。利用HyperMesh建立有限元模型，使用LS_DYNA進行計算，并采用HyperView和HyperGraph進行數據處理，輸出調角器扭矩曲線。

座椅調角器；扭矩；仿真

0 前言

隨著汽車市場競爭日益激烈，人們對于汽車的安全性與舒適性的要求也越來越高。汽車座椅是直接與乘客相聯系的核心部件，為乘客提供舒適的駕乘感受，并起到支撐和保護乘客的作用。靠背調角器是座椅的核心部件,用于調整靠背角度。在實際調研生產過程中，調角器扭矩值的選擇成為一個重要的課題，扭矩值選擇偏小，不能滿足相應的強度要求；扭矩值選擇偏大，將會增加產品成本及座椅的質量。

座椅的各種試驗是非線性的，比如前排座椅后碰試驗、后排座椅安全帶固定點強度試驗、后排座椅行李箱沖擊試驗等，非線性系統很難通過簡單的數學計算得出調角器在該系統下的扭矩。文中針對座椅調角器在各個工況下的扭矩輸出進行仿真研究，為座椅產品設計過程中選擇一個扭矩大小合適的調角器提供理論依據。

1 簡單工況下輸出調角器扭矩探究

調角器的組成一般為：棘輪、 滑槽板、護板、鎖止機構、解鎖機構等。通常情況下，棘輪與座椅靠背固聯，滑槽板與坐墊固聯，鎖止機構和解鎖機構位于棘輪與滑槽板之間。

文中調角器的扭矩輸出主要采用梁單元，位于棘輪與滑槽板之間的梁單元可代替棘輪與滑槽板之外的其他部件。棘輪與滑槽板之間沒有任何接觸，如果存在接觸將其刪除，保證棘輪與滑槽板之間除了梁單元無其他任何相互作用。

1.1 簡單工況下調角器的扭矩計算

圖1所示為LS_DYNA有限元計算模型：滑槽板固定，棘輪安裝一個支架，調角器圓心到支架末端的距離為200mm，支架末端受力為1 000 N。此工況比較簡單，很容易計算出梁單元所受的扭矩為：

M=F·L=1 000×200=200 000 N·mm

1.2 采用LS_DYNA計算調角器的扭矩

模型的單位選用分別為：力(N)、時間(s)、長度(mm)、質量(t)、密度(t/mm3)、力矩(N·mm)。

滑槽板與棘輪的材料強度比較好，一般不會發生變形，這里采用剛體進行代替，滑槽板限制所有自由度，棘輪不限制任何自由度。支架材料選用QSTE420TM，厚度為5 mm的板材。梁單元的材料屬性如圖2所示，截面屬性如圖3所示。有限元模型如圖1所示：建立相應的連接、接觸、輸入輸出設置，并按照圖4加載曲線加載，設置完畢后提交計算。

LS_DYNA計算結束后，用HyperView和HyperGraph查看計算結果。計算后模型以及梁單元的扭矩值如圖5所示。

由于調角器是模擬鎖止狀態的扭矩，故3D結果圖變形較小。調角器輸出的扭矩值最大為197.9×103N·mm，與數學公式計算的結果進行對比，準確度如下：

通過以上對比可以得出：數值模擬得出的扭矩數值與應用公式計算得出的數據相差不大，準確率為98.95%。

2 各工況下的座椅調角器扭矩輸出

對于以上簡單的線性系統，可以采取數學公式的計算方法得出，但座椅的相關實驗都是非線性的，比如前排座椅后碰實驗、后排座椅的行李箱沖擊試驗、后排座椅的安全帶固定點強度試驗等，對于非線性系統很難用數學公式算出準確的扭矩數值。

2.1 前排座椅后碰試驗扭矩輸出

某前排座椅后碰試驗模擬如圖6所示，假人向后發生移動，調角器起到支撐作用，其中內側調角器最大扭矩值為985 905 N·mm(985.9 N·m)，外側調角器最大扭矩值為921 068 N·mm(921.06 N·m)，通過以上計算可以選擇扭矩為1.5×106N·mm(1.5×103N·m)的調角器。

2.2 后排座椅安全帶固定點強度試驗扭矩輸出

某座椅安全帶固定點強度計算結果如圖7所示。該座椅分為：4座和6座，靠背與坐墊通過調角器相連，每個座位2個調角器。6座有2個座位，其中中間座位上固定點在座椅上(圖中圈出部分)。對座椅施加載荷，變形如圖8所示。

由于4座安全帶上固定點在車身上，故調角器所受作用很小，故此工況下4座調角器扭矩不做輸出。6座調角器扭矩曲線如圖8所示：其中內側調角器扭矩最大值為2 156 830 N·mm(2 156.83 N·m)；外側調角器扭矩的最大值2 236 640N·mm(2 236.64 N·m)。通過以上模擬可以選擇扭矩為3×106N·mm(3×103N·m)的調角器。

2.3 后排座椅行李箱沖擊強度試驗扭矩輸出

某座椅行李箱沖擊試驗如圖9所示：座椅靠背受到沖擊，向前傾斜。調角器起到支撐靠背的作用。4座外側調角器受到的最大扭矩為1 307 920 N·mm(1 307.92 N·m)；4座內側調角器受到的最大扭矩為775 340 N·mm(775.34 N·m)；6座內側調角器所受最大扭矩為2 063 090 N·mm(2 063.09 N·m)；6座外側調角器所受最大扭矩為2 297 920 N·mm(2 297.92 N·m)。通過以上數據可以選擇相應的調角器。

3 結束語

綜上所述，通過在簡單工況下模擬調角器的扭矩輸出，驗證了應用LS_DYNA輸出調角器扭矩的準確性，進而為復雜工況下的調角器扭矩值計算提供方法。選擇準確的調角器既能夠保證調角器的作用得到充分的發揮，又不會因調角器扭矩值的過盛而帶來成本的增加。

【1】胡志遠，曾必強，謝書港.基于LS_DYAN和HperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學出版社，2011:115-118.

ResearchonOutputTorqueofAutomobileSeatReclinerBasedonLS_DYNA

LIU Haisheng，GUAN Xiaowei，LIU Qichao

(R & D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of Hebei,Baoding Hebei 071000,China)

Output torque of seat recliner under complicated conditions was studied through mathematic calculation and simulating the seat recliner output torque under simple situation. By applying HyperMesh, a finite element model was established. The recliner torque curves were converted after LS_DYNA was used to calculate and HyperView and HyperGraph were used to process data.

Seat recliner; Torque; Simulation

2015-02-05

劉海生(1983—)，男，碩士，研究方向為汽車零部件。E-mail：liuhaisheng136@163.com。