某型汽車座椅翻轉裝置的拉力試驗夾具設計

陳宗毅，周錫林

(貴州華陽汽車零部件有限公司，貴州貴陽550009)

0 引言

座椅翻轉裝置的強度不僅對汽車的整體安全性影響很大，同時對于乘車人的安全也起著重要的作用。為保證車輛在行駛過程中發生突發事故時，乘車人能順利通過翻轉座椅逃生，座椅翻轉裝置需要進行強度試驗。

依據GB/T 14167-2013 《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點及上固定點系統》中對于座椅翻轉裝置的試驗要求，需沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上10°±5°的方向施加載荷[1]。

試驗方法采用拉力試驗機，設計了一套滿足試驗要求的夾具，對翻轉裝置進行試驗。

1 設備與夾持方式

拉力試驗機是一種常用的力學檢測設備，是保證材料拉伸、壓縮、彎曲、撕裂、剝離等試驗順利進行的基礎檢測設備。其主要結構為工作臺、計算機控制系統、動力傳動系統、測力機構、傳感器等[2]。操作者只需將需檢測的零件和夾具安放于拉力試驗機上，并操縱計算機控制界面，即可開始檢測。

本文中試驗采用的拉力試驗機是30 t SANS拉力試驗機(圖1)。

圖1 拉力試驗機 圖2 拉力試驗機夾持方式

圖2是拉力試驗機的夾持方式，采用V形鉗口塊，由上下油缸推動鉗口夾具夾緊[3]。其中V形鉗口塊的材料是20Cr。

為防止夾持過程中，出現打滑，剝皮等現象，經測量V形鉗口塊的硬度為HRC 58，夾具被夾持部位不能超過其硬度值，且需滾花加工，增加夾持的摩擦力。

2 夾具設計

2.1 試驗要求

1-拉桿；2-連接板；3-翻轉裝置(左右件)；4-右安裝座；5-左安裝座；6-安裝板；7-支撐柱。 圖3 夾具結構

根據翻轉裝置的試驗要求，翻轉裝置受持續增加的載荷，要達到70000 N，以1.3倍的安全系數計算，夾具需設計滿足91000 N的強度。

2.2 夾具結構

夾具的結構如圖3。根據拉力試驗機的空間尺寸，確定安裝板的外形尺寸560 mm×260 mm×30 mm。拉力試驗機的上部夾頭，夾住拉桿；拉力試驗機的下部夾頭，夾住支撐柱的圓桿部分。拉桿和支撐柱的圓桿部分直徑均為Φ36 mm。

夾具的安裝方式：支撐柱通過6個M12緊固螺釘與安裝板連接；左安裝座與右安裝座分別通過4個M20緊固螺釘與安裝板連接；翻轉裝置(左右件)與安裝板通過2個M12螺釘連接；產品(左右件)安裝手掌采用連接板通過8個M8緊固螺釘連接；拉桿上加工了M36的螺紋，與連接板螺紋連接。

2.3 夾具強度校核

為滿足夾具可承受91000 N的載荷，需要對夾具進行強度校核。夾具的空間力系如圖4。

圖4 空間力系

拉力試驗過程中，試驗機下部夾頭夾持夾具保持固定，上部夾頭夾持夾具往+Z方向持續提拉，使載荷不斷達到91000 N。

夾具在Y方向上左右對稱，左安裝座和右安裝座在Y方向的緊固螺釘支反力產生的力矩大小相等，旋轉方向相反。不會對整個夾具產生較強破壞。故本文只討論空間力系在X軸方向產生的力矩和反力。

對于整個空間力系，最薄弱的零件是拉桿和支撐柱，薄弱截面也就是拉桿和支撐柱直徑截面。

圖5 拉桿受力分析

結構件受力情況往往包含了幾種基本變形[4]。單獨提出拉桿和支撐柱進行受力分析。拉桿的受力不僅受到拉力試驗機的拉力F和反力F’(大小與拉力F相等)，而且受到左安裝座與右安裝座對拉桿產生的力矩M，如圖5。

同理，支撐柱也受到左安裝座與右安裝座的力矩，由于拉桿和支撐柱同軸，故力矩大小相等。

對拉桿進行靜態強度有限元分析。對拉桿施加相應的邊界條件，邊界條件如前面所述的拉桿受力分析。得到拉桿的應力云圖和變形云圖(圖6)。

應力云圖 變形云圖圖6 拉桿靜態強度分析云圖

從圖6可以看出，拉桿在過渡圓角處的應力最大，達到1077.8MPa。拉桿采用合金結構鋼SCM435材料，如果夾具硬度過低，在進行拉力試驗時，易造成夾具的破壞[5]，根據GB/T1172-1999[6]，將此材料調質至硬度HRC38左右，抗拉強度可以達到1200MPa，大于計算所得的最大應力值。拉桿在此載荷作用下，最大變形位于拉桿與連接板螺紋連接的根部，最大變形量僅僅為0.1mm。

同樣，對支撐柱做靜態強度有限元分析，由于支撐柱是用6個M12螺釘緊固于安裝板上，故邊界條件施加在6個螺釘的安裝孔上 。靜態強度分析得到的結果是(圖7)：支撐柱的最大應力值為580.9MPa，最大應力位于過渡圓角根部；支撐柱的最大變形量為0.6mm。

應力云圖 變形云圖圖7 支撐柱靜態強度分析云圖

從靜態強度分析的結果可以得到，最薄弱的零件可以滿足試驗91000N的強度要求，故整副夾具可以滿足試驗強度。

3 試驗驗證

圖8 最大載荷下試驗結果

將座椅翻轉裝置裝上夾具，進行試驗。載荷持續加載至70000N，翻轉裝置變形量達到24.5mm。圖8為最大載荷下試驗結果，夾具沒有變形，也沒有斷裂和裂紋，說明夾具的剛度和強度均滿足試驗要求。

4 結論

在該翻轉裝置的受力情況下，運用經典力學理論對設計的夾具進行了校核設計，并且運用有限元分析手段，對薄弱的零部件進行了靜態強度分析。最終，通過試驗驗證了設計的可行性。