汽车儿童安全座椅调角器设计及有限元分析

徐肖

摘 要：本文结合市面上汽车儿童安全座椅调角器的优缺点对调角器进行创新设计，并采用CATIA软件对所设计的调角器建模。为了验证强度和材料可靠性，利用ANSYS Workbench軟件对调角器进行有限元静力学仿真分析。分析结果表明：汽车安全座椅反向安装情况下，汽车发生正面碰撞，所设计的调角器未超过材料的屈服强度，结构不会被破坏，符合设计要求，能够保护儿童的安全。

关键词：调角器;建模;有限元分析;等效应力

中图分类号：U491.61 文献标识码：A

0 引言

目前私家车普及率很高，家长一般会在汽车座椅上安装汽车儿童安全座椅来约束孩子，以确保孩子安全。然而市面上的很多汽车儿童安全座椅的靠背角度不能调节，与汽车座椅椅背不够贴合;反向安装时无法调整椅背倾斜度，会降低孩子乘坐舒适度。还有一些汽车儿童安全座椅虽然带有调整椅背功能，但现有的调角器结构繁琐，调节时不容易控制力度，可能发生椅背脱位情况，安全性较差，对孩子身体造成损伤。汽车儿童安全座椅调角器需要有足够的强度，当汽车发生事故时不断裂，而且不发生较大变形的情况。

1 调角器设计

市面上有的汽车儿童安全座椅应用了办公座椅的调角器，触动办公座椅调角器的调节扳手，人向后躺凭借背部的力量会使靠背倾斜。如果人坐直，椅背角度会在弹簧的推动下回位。但是不可以把办公座椅调角器直接用于汽车儿童安全座椅，原因是调椅背角度时稍不注意，椅背在弹簧的推动下回位，力量很大，容易使孩子脆弱的骨骼造成损伤。

因此，需要研制专门用于汽车儿童安全座椅上的调角器，来满足儿童不同的姿势需要，椅背能在90至180度之间调整;乘客不小心碰到调角器解锁器或汽车出事故时能避免座椅靠背倾倒;操作方便省力。

为了解决上述问题，本文设计了一种儿童安全座椅调角器，包括以下零部件：1、下片;2、上片;3、上盖;4、轴承;5、解锁块;6、弹簧;7、扳手;8、定位块;9、螺钉。调角器外观及其解锁机构如图1、图2。

结合图2说明汽车儿童安全座椅调角器的工作原理：图2调角器处在锁止状态，在调整椅背角度时，把解锁块向外拔出，解锁块跟下片上的挡板分离，这时转动锁块60度，定位块在弹簧的推动下朝着中心平移，上片上的齿和定位块上的齿分开，此时上片自由，把椅背调整到需要的角度后，反向转动解锁块到原位置，定位块朝着远离中心的方向平移，定位块上的齿与上片上的齿咬合，将解锁块推回，此时上片定位，完成汽车儿童安全座椅靠背角度调节操作。

2 调角器有限元模型建立

2.1 有限元模型处理

对调角器进行简化来减少有限元分析时间，例如去掉一些小孔，小倒角和不承受载荷的零件[1]，将简化后的调角器模型保存成stp格式，并将其导入到ANSYS Workbench进行有限元模型的建立。

对有限元模型进行材料定义，调角器的材料采用45钢，其弹性模量为209 GPa，泊松比为0.269，密度为7 890 kg/m3，屈服强度为355 MPa。

ANSYS Workbench系统会自动产生接触对，对所有系统自动产生的接触对进行排查，并将错误接触对进行调整，建立模型的接触约束。

本文使用ANSYS Workbench中的自动网格划分功能进行网格生成[2]，网格自动划分完成后，再对孔面、孔的周围、圆弧等关键位置进行网格细化。最后得到网格划分完成的调角器模型，具有165 287个节点，69 215个单元。调角器网格划分如图3所示。

2.2 载荷计算

汽车儿童安全座椅调角器一般是在正面车祸中损坏，因此选择正面碰撞的情况进行有限元求解[3]。本文研究的是汽车儿童安全座椅反向安装时调角器的强度分析，一般3岁以下儿童需要反向安装，所以选取3岁儿童的参数进行仿真分析，质量为15 kg。如果汽车发生正面碰撞事故突然减速时，汽车儿童安全座椅调角器所受力来自于儿童和安全座椅靠背所受惯性力的总和。调角器适用的汽车儿童安全座椅靠背质量大约为2 kg。根据GB27887-2011机动车儿童乘员约束系统国家标准可知，发生正面碰撞事故时孩子的加速度是28g，g是标准重力加速度[4]。

汽车儿童安全座椅椅背和儿童受到的惯性力总和为：

F=（m1+m2）×28g （1）

式中，F为惯性力，m1为儿童质量;m2为汽车儿童安全座椅椅背质量;g为标准重力加速度。

经计算，汽车儿童安全座椅椅背和儿童受到的惯性力总和为4 665 N，这个力作用在两侧对称布置的两个调角器上，所以每个调角器受力为2 333 N。

3 调角器有限元求解

将2 333 N水平方向的力作用在上片的孔上，调角器下片上的两个孔调整成固定约束[5]。经软件计算得到调角器的等效应力云图，见图4。

由调角器等效应力云图得到，最大应力出现在上片与锁止块接触处，大小是194.43 MPa。调角器选用45钢，屈服强度355 MPa，最大应力没有超出屈服强度，满足设计要求。

4 结论

本文设计了汽车儿童安全座椅调角器，为验证强度和材料可靠性，对其进行有限元静力学分析。综合仿真得出的等效应力云图可知，调角器最大应力没有超出屈服强度，满足设计要求，能够保护儿童的安全。

参考文献：

[1]浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解（第二版）[M].中国水利水电出版社，2013.

[2]买买提明·艾尼，陈华磊.ANSYS Workbench 14.0仿真技术与工程实践[M].清华大学出版社，2013.

[3]吕金美.可调节儿童安全座椅的开发设计[D].烟台大学，2014.

[4]GB27887-2011 机动车儿童乘员约束系统[S].

[5]闫石林，刘慧玲.基于ANSYS Workbench的销轨轮静力学仿真分析[J].煤炭技术，2015，34（04）：312-314.