汽车座椅调角器结构强度与改进措施研究

杨占文　甄良品

摘 要：汽车是人们短途出行的首选方式，其安全性和舒适性已经受到人们的广泛关注。座椅调角器就是调节座椅，保持座椅和汽车稳固连接的重要结构，其能够使座椅和车体保持最佳的角度，在受到外力时也能保证座椅的稳定性。可是有些座椅调角器的结构不规范，在汽车行驶的过程中容易发生座椅脱落现象，严重危害乘客的安全。本文将利用有限元方法对调角器中的关键数据进行计算分析，并提出对其结构进行改进的策略，以提高座椅调角器的使用性能。

关键词：汽车座椅；调角器；增加强度；措施

当乘客坐在座椅上时，调角器需要承受较大的应力，当应力超过零件的最大荷载时，调角器结构就会被破坏，座椅也会发生松动，此时乘客将面临巨大的安全风险。一般来说，造成调角器失效的原因有两个：一是调角器的质量不符合标准，所能承受的应力较小；二是调角器的设计不合理，结构强度不够。第一点比较容易控制，只要选择优质的零件即可，下面将从第二点因素入手，从技术角度出发探讨提高调角器结构强度的方法。

1 调角器的结构

虽然调角器的尺寸很小，但是结构比较复杂，调角器在结构上包括抱箍、内齿轮圈、凸轮轴、固定座、锁齿板、凸轮和弹性垫圈等。这些都是调角器中必不可少的零件，每一个部分都有着重要的作用，而调节座椅背靠角度主要是由各个结构的共同运动决定的。在座椅背靠角度不变的情况下，锁齿板和内齿轮圈会紧密地啮合在一起，如果需要调节背靠角度，那么就需要转动凸轮轴，在外力的作用下，凸轮轴会带动凸轮一起转动，那么锁齿板和内齿轮圈就会分离；当调整到合适的角度后，弹性垫圈会施加给凸轮轴一个作用力，在此力的影响下凸轮会重新转动，带动锁齿板和内齿轮圈的运动，使二者牢牢啮合。

从调角器的工作情况可以发现，调角器在工作时主要受到两个力，一个是乘客施加的力，另一个是弹性垫圈的作用力，虽然凸轮轴和凸轮在转动，可是他们主要是起到传递力的作用，而抱箍是保护和支撑内齿轮圈和固定座的结构，由此可以看出调角器中主要的受力结构为固定座、锁齿板和内齿轮圈，因此，它们是最容易损坏的部位，也是改善调角器性能的切入点。下面将为固定座、锁齿板和内齿轮圈这三个部分建立有限元模型，并对其受力情况进行计算分析。

2 调角器有限元模型

通过对调角器进行多次的受力实验，发现其固定座、锁齿板和内齿轮圈在实验中经常发生不同程度的损坏，且损坏次数比较多，同时其他结构仍然保持完好，这验证了上文的观点，证明该观点具有科学性。接下来就应该建立有限元分析模型。为保证有限元计算结果的精度，选用六面体单元辅以少量五面体单元，啮合齿的齿高为0.7mm，为保证齿形的连续性在啮合部位单元的尺寸选取0.1mm。为减小有限元模型的规模同时保证计算精度，锁齿板和内齿圈其他部位的单元尺寸选取0.5mm。固定座单元尺寸选取1.5mm。锁齿板和内齿圈、固定座之间定义接触，计算齿接触和弯曲应力。固定座、内齿圈和锁齿板的材料均为钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。但是固定座选用的是45钢，屈服强度为335MPa；内齿圈和锁齿板为合金钢，屈服强度为820MPa。以上就是座椅调角器有限元分析模型的具体参数，在确定所有数据都符合实验要求后，对其进行求解。

3 有限元分析结果

通过求解可以得到锁齿板的最大应力、最大接触应力和最大剪应力，其中，一号锁齿板的最大应力为611.6MPa，最大接触应力为591.5MPa，最大剪应力为375.7MPa；二号锁齿板的最大应力为612MPa，最大接触应力为513.7MPa，最大剪应力为348.7MPa；三号锁齿板的最大应力为613.2MPa，最大接触应力为596.6MPa，最大剪应力为319.4MPa。

由计算结果可以看出，三个锁齿板的最大应力比较接近，而且锁齿板和内齿轮圈在转动时承受最大应力的是发生接触作用的齿，如果外力过大，齿受力超过了屈服强度，那么零件就会发生损坏。在齿板和内齿轮圈啮合部位，齿板两侧的齿应力较大，中间部位齿的应力较小。这是由于齿板与固定座凸台的高度不同，在啮合时齿板会受其阻挡，导致位移受限，所以才会发生该类现象。值得注意的是，该计算结果考虑的是理想情况，也就是零件制造和装配不存在误差，此时三个齿板同时均匀的承担应力，零件不会因受力过大而变形。在实际的生产中，调角器的制造或装配偶尔会出现问题，导致受力发生偏差，在此情况下某个齿板的受力会远远超过另外两个，那么该齿板就会发生损坏，从而引发安全事故。因此，对调角器的结构进行改进是十分必要的。

4 结构改进

通过分析发现，调角器失效的主要原因为制造工艺不佳和调角器自身的结构存在偏差，主要体现就是调角器的各个零部件无法协调作用，在转动时受力不均，因局部受力过大造成零件损坏。为了提高调角器的性能，可以改良制造工艺，按照行业标准严格操作，并加强监督管理，杜绝粗制滥造现象的发生。在结构方面，则要调整锁齿板的厚度和固定座凸台的高度，使锁齿板与固定座凸台保持在同一水平线上。为了保证锁齿板在转动时各个齿的受力均匀，可以减少锁齿板的翻转或缩小齿间的摩擦力，从而减小齿的接触应力。

将锁齿板的结构按照上述方法调整后重新进行实验，发现改进后的锁齿板的最大应力有了明显的减少，仅为447.2MPa，比原来减少了166MPa，而且锁齿板在转动时齿的受力也更加均匀，局部应力远远小于结构调整之前，说明这种改进方法是十分有效的。

5 小结

由于调角器的内部结构体积小，不利于直接观察和测量，本文为调角器的主要受力结构固定座、锁齿板和内齿轮圈建立了有限元模型，并通过计算分析得出该调角器在结构上的缺陷，从而得出改进措施：只需使锁齿板与固定座凸台高度保持一致，同时减少锁齿板的偏转，那么就会使锁齿板的受力趋于均匀，不会轻易发生损坏。这种改进方法经过测试具备很高的实用价值，而且易于操作，符合经济性，可以有效解决目前调角器性能不佳的问题。

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