基于LS_DYNA汽车座椅调角器扭矩输出的研究

刘海生，关小伟，刘奇超

(长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

基于LS_DYNA汽车座椅调角器扭矩输出的研究

刘海生，关小伟，刘奇超

(长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

通过计算和模拟简单工况条件下座椅调角器输出的扭矩，研究调角器在各个复杂工况下的扭矩输出。利用HyperMesh建立有限元模型，使用LS_DYNA进行计算，并采用HyperView和HyperGraph进行数据处理，输出调角器扭矩曲线。

座椅调角器；扭矩；仿真

0 前言

随着汽车市场竞争日益激烈，人们对于汽车的安全性与舒适性的要求也越来越高。汽车座椅是直接与乘客相联系的核心部件，为乘客提供舒适的驾乘感受，并起到支撑和保护乘客的作用。靠背调角器是座椅的核心部件,用于调整靠背角度。在实际调研生产过程中，调角器扭矩值的选择成为一个重要的课题，扭矩值选择偏小，不能满足相应的强度要求；扭矩值选择偏大，将会增加产品成本及座椅的质量。

座椅的各种试验是非线性的，比如前排座椅后碰试验、后排座椅安全带固定点强度试验、后排座椅行李箱冲击试验等，非线性系统很难通过简单的数学计算得出调角器在该系统下的扭矩。文中针对座椅调角器在各个工况下的扭矩输出进行仿真研究，为座椅产品设计过程中选择一个扭矩大小合适的调角器提供理论依据。

1 简单工况下输出调角器扭矩探究

调角器的组成一般为：棘轮、 滑槽板、护板、锁止机构、解锁机构等。通常情况下，棘轮与座椅靠背固联，滑槽板与坐垫固联，锁止机构和解锁机构位于棘轮与滑槽板之间。

文中调角器的扭矩输出主要采用梁单元，位于棘轮与滑槽板之间的梁单元可代替棘轮与滑槽板之外的其他部件。棘轮与滑槽板之间没有任何接触，如果存在接触将其删除，保证棘轮与滑槽板之间除了梁单元无其他任何相互作用。

1.1 简单工况下调角器的扭矩计算

图1所示为LS_DYNA有限元计算模型：滑槽板固定，棘轮安装一个支架，调角器圆心到支架末端的距离为200mm，支架末端受力为1 000 N。此工况比较简单，很容易计算出梁单元所受的扭矩为：

M=F·L=1 000×200=200 000 N·mm

1.2 采用LS_DYNA计算调角器的扭矩

模型的单位选用分别为：力(N)、时间(s)、长度(mm)、质量(t)、密度(t/mm3)、力矩(N·mm)。

滑槽板与棘轮的材料强度比较好，一般不会发生变形，这里采用刚体进行代替，滑槽板限制所有自由度，棘轮不限制任何自由度。支架材料选用QSTE420TM，厚度为5 mm的板材。梁单元的材料属性如图2所示，截面属性如图3所示。有限元模型如图1所示：建立相应的连接、接触、输入输出设置，并按照图4加载曲线加载，设置完毕后提交计算。

LS_DYNA计算结束后，用HyperView和HyperGraph查看计算结果。计算后模型以及梁单元的扭矩值如图5所示。

由于调角器是模拟锁止状态的扭矩，故3D结果图变形较小。调角器输出的扭矩值最大为197.9×103N·mm，与数学公式计算的结果进行对比，准确度如下：

通过以上对比可以得出：数值模拟得出的扭矩数值与应用公式计算得出的数据相差不大，准确率为98.95%。

2 各工况下的座椅调角器扭矩输出

对于以上简单的线性系统，可以采取数学公式的计算方法得出，但座椅的相关实验都是非线性的，比如前排座椅后碰实验、后排座椅的行李箱冲击试验、后排座椅的安全带固定点强度试验等，对于非线性系统很难用数学公式算出准确的扭矩数值。

2.1 前排座椅后碰试验扭矩输出

某前排座椅后碰试验模拟如图6所示，假人向后发生移动，调角器起到支撑作用，其中内侧调角器最大扭矩值为985 905 N·mm(985.9 N·m)，外侧调角器最大扭矩值为921 068 N·mm(921.06 N·m)，通过以上计算可以选择扭矩为1.5×106N·mm(1.5×103N·m)的调角器。

2.2 后排座椅安全带固定点强度试验扭矩输出

某座椅安全带固定点强度计算结果如图7所示。该座椅分为：4座和6座，靠背与坐垫通过调角器相连，每个座位2个调角器。6座有2个座位，其中中间座位上固定点在座椅上(图中圈出部分)。对座椅施加载荷，变形如图8所示。

由于4座安全带上固定点在车身上，故调角器所受作用很小，故此工况下4座调角器扭矩不做输出。6座调角器扭矩曲线如图8所示：其中内侧调角器扭矩最大值为2 156 830 N·mm(2 156.83 N·m)；外侧调角器扭矩的最大值2 236 640N·mm(2 236.64 N·m)。通过以上模拟可以选择扭矩为3×106N·mm(3×103N·m)的调角器。

2.3 后排座椅行李箱冲击强度试验扭矩输出

某座椅行李箱冲击试验如图9所示：座椅靠背受到冲击，向前倾斜。调角器起到支撑靠背的作用。4座外侧调角器受到的最大扭矩为1 307 920 N·mm(1 307.92 N·m)；4座内侧调角器受到的最大扭矩为775 340 N·mm(775.34 N·m)；6座内侧调角器所受最大扭矩为2 063 090 N·mm(2 063.09 N·m)；6座外侧调角器所受最大扭矩为2 297 920 N·mm(2 297.92 N·m)。通过以上数据可以选择相应的调角器。

3 结束语

综上所述，通过在简单工况下模拟调角器的扭矩输出，验证了应用LS_DYNA输出调角器扭矩的准确性，进而为复杂工况下的调角器扭矩值计算提供方法。选择准确的调角器既能够保证调角器的作用得到充分的发挥，又不会因调角器扭矩值的过盛而带来成本的增加。

【1】胡志远，曾必强，谢书港.基于LS_DYAN和HperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京：清华大学出版社，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

刘海生(1983—)，男，硕士，研究方向为汽车零部件。E-mail：liuhaisheng136@163.com。