汽車座椅輕量化和舒適性的研究與分析,汽車座椅,量化,以及,舒適,研究,鉆研,分析 目錄 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 汽車座椅輕量化和舒適性的研究與分析 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 VII Abstract VIII 1 緒 論 1 1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2發(fā)展趨勢 1 1.3研究的主要內(nèi)容 2 2 汽車輕量化技術(shù)概述 3 2.1汽車輕量化的概念 3 2.1.1汽車輕量化的方法 3 2.1.2 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用 3 2.2汽車座椅輕量化的設(shè)計方法 4 2.2.1軋制型材鋼管座椅骨架 5 2.2.2鋁合金座椅骨架 5 3 汽車座椅舒適性概述 7 3.1座椅舒適性概念 7 3.1.1座椅舒適性的要求 7 3.1.2 人體壓力在汽車座椅的分布 7 3.2?汽車座椅舒適性的分類 8 3.2.1汽車座椅的靜態(tài)舒適性 8 3.2.2汽車座椅的動態(tài)舒適性 8 3.2.3汽車座椅的操作舒適性 8 3.3汽車座椅舒適性的意義 8 3.4 本章小結(jié) 9 4 新型鋁合金座椅骨架設(shè)計 10 4.1原鋼制座椅分析 10 4.1.1 外觀及成形工藝分析 10 4.1.2靠背圓鋼管強度校核分析 11 4.2 鋁合金座椅骨架設(shè)計方案 12 4.2.1靠背的結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 4.2.2邊板的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 4.2.3椅架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 4.3座椅總成的虛擬裝配 17 5 汽車座椅骨架有限元分析 21 5.1 有限元基本方法的介紹 21 5.2 汽車座椅靜強度要求 21 5.3 座椅骨架的有限元分析 22 5.3.1座椅靜強度分析 22 5.3.2模態(tài)分析 28 5.3.3結(jié)果分析 31 全文總結(jié) 32 參考文獻 33 致 謝 35 Ⅱ 摘要 汽車座椅輕量化和舒適性的研究與分析 摘 要 隨著全球汽車的與日俱增，環(huán)境污染和世界能源短缺問題日益嚴峻，汽車的舒適性和輕量化越來越受到人們的重視。汽車座椅是與人體直接接觸的部件，所以對它的研究和改良肯定很重要。座椅的輕量化和舒適性的理論和方法被廣泛的肯定。在此同時，業(yè)界也越來越關(guān)注如何提高汽車座椅的舒適性并盡可能的輕量化，以提高乘客的舒適度以及降低燃油油耗和減少排放。 本論文主要介紹汽車座椅的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,介紹汽車座椅的結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)用；對座椅輕量化和舒適性的設(shè)計和研究方法進行分析與研究，以傳統(tǒng)的座椅為基礎(chǔ)，利用proe軟件設(shè)計新型鋁合金汽車座椅，對座椅材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)上進行輕量化和舒適性設(shè)計，使座椅材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)上的輕量化和舒適性得以改善。 運用Ansys有限元軟件分析座椅骨架的靜態(tài)特性和模態(tài)特性，證實了設(shè)計的新型鋁合金座椅骨架在靜強度和模態(tài)方面都達到了國家標準的要求，說明了輕量化設(shè)計的成功。 關(guān)鍵詞：轎車；座椅；靜態(tài)特性；舒適性；輕量化 Vehicle seat lightweighting and comfort in the research and analysis Abstract With the increasing of the global car, the problem of the pollution of the environment and the world's energy shortage is more and more serious, the vehicle's comfort and lightweight more and more get people's attention. Vehicle seat is direct contact with human body parts, so the research and improvement of it would be very important. The lightweight and comfort of the seat of the theory and methods are widely. At the same time, the industry is becoming more and more focus on how to improve the comfort of car seat and lightweight as possible, in order to improve the passenger comfort and reduce fuel consumption and emissions. This paper mainly introduces the development history and current?situation of vehicle seat and introduces the structure of the vehicle seat and materials; On the basis of the traditional seat, we use proe software to design new aluminum vehicle seat and design the seat material and structure about lightweighting and comfort ,this?makes the seat materials and structure of lightweight and comfort can be improved. We use Ansys software to analysis frame of the static and modal characteristics, this confirmed the design of new aluminum seat of car in static strength and modal has reached the requirement of national standard, shows the success of the lightweight design. Key words: Car; The seat; Static characteristic; Comfort; Lightweight 第一章 緒論 1 緒 論 1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 汽車座椅作為汽車的重要裝置之一，汽車座椅將汽車和乘客緊密聯(lián)系在了一起，直接關(guān)系到乘客的駕駛安全性和舒適性。一個多世紀以來，隨著人類文明的不斷提高，汽車座椅已經(jīng)不再只是座椅，而是綜合性很強的工程系統(tǒng)。 國內(nèi)座椅研究由于起步晚，自主開發(fā)水平較發(fā)達國家而言仍相對落后。當前，普遍的串連生產(chǎn)方式仍然是大部分生產(chǎn)座椅的工廠使用的，導(dǎo)致開發(fā)成本高，研發(fā)周期長。 座椅廠商只要發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量劣質(zhì)的話，總是采用一味加大管徑、壁厚或板厚的辦法。這樣也能使座椅薄弱部分的性能有所改變，但是卻導(dǎo)致浪費材料，提高了成本，讓座椅強度和剛度余量偏大。計算機輔助設(shè)計上，現(xiàn)在絕大部分生產(chǎn)座椅的工廠不擁有高水準的計算機輔助設(shè)計，只有低水準的輔助分析能力，設(shè)計座椅保證座椅的安全性還只是留在國家法律規(guī)定上，還在使用落后的流程和方案，對座椅的設(shè)計發(fā)展有很大的限制。 國內(nèi)座椅安全性標準雖然也參考了國外座椅標準，但是國內(nèi)標準比國外標準還是差了不少。如我國標準要求座椅總成能承受的載荷比德國標準低了四倍。國外目前對承受沖擊時的座椅安全性展開了相關(guān)的探索，而我國不太重視對座椅的研發(fā)，這阻礙了座椅的設(shè)計發(fā)展，同時國內(nèi)座椅的安全性也有待提高。 國外座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計已開始向輕量化、低成本的方向進軍，因為現(xiàn)代汽車設(shè)計對安全性、環(huán)境保護和節(jié)約能源的要求越來越大，所以現(xiàn)代汽車座椅設(shè)計使用了很多的新制造技術(shù)和輕質(zhì)材料。要縮小我國與國外在研發(fā)座椅安全性與先進性上的差距，就必須要有許多先進技術(shù)和大筆資金的投資。 1.2發(fā)展趨勢 汽車集工作、休閑、個性、地位象征等功能于一身，它不再只是代步工具。隨著社會的發(fā)展和人們收入的增加，人們對高質(zhì)量的生活有了新的追求，比如在汽車座椅設(shè)計上的體現(xiàn)，設(shè)計了輕質(zhì)量的坐墊泡沫、座椅加熱裝置、自動按摩功能等。這些變化之外，汽車座椅料子也發(fā)生了變化。 隨著人類文明的不斷進步，汽車廠商都在座椅的新工藝、新結(jié)構(gòu)、新材料的領(lǐng)域下努力加油。未來汽車座椅設(shè)計的發(fā)展趨勢是： 綠色和安全，輕量化、模塊化，以及環(huán)保型、舒適性。 模塊化:在不同的平臺化結(jié)構(gòu)上，將每種標準化零件組合成特殊的模塊。在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，座椅系統(tǒng)配置的部件可以從一整套靈活的模塊中自行組成，不僅能簡化過程，同時還能很好地節(jié)約時間和成本。 安全性:隨著安全技術(shù)的發(fā)展，許多新發(fā)明也將越來越多地用到汽車座椅中，比如記憶性主動頭枕、帶有安全帶或者被帶的靠背體系，保護頭部、臀、軀體的安全氣袋等等 舒適性:當今，乘坐人員能感覺到座椅的舒適性不僅體現(xiàn)坐在座椅上時感到舒服，還應(yīng)全面照顧乘坐人員的感覺器官(例如觸覺、視覺、聽覺和嗅覺)、心理感覺等等，這將在將來的汽車座椅發(fā)展中變得越來越有意義，提升座椅的舒適性還體現(xiàn)在電動座椅、腰部按摩系統(tǒng)、座椅加熱裝置、輕質(zhì)量的坐墊泡沫等技術(shù)的普及。 環(huán)保性:當今，在座椅的研發(fā)和發(fā)展過程中更加關(guān)注“綠色”和其他可再生環(huán)保材料，比如采用可再生的資源生產(chǎn)發(fā)泡產(chǎn)品等。 輕量化:隨著汽車節(jié)能及節(jié)約資源越來越成為發(fā)展態(tài)勢，座椅減重的意義也越來越重大。當今，已經(jīng)有少數(shù)汽車座椅生產(chǎn)企業(yè)運用了多種高強度鋼材及鋁鎂合金等材料代替以前的材料，不僅座椅強度的要求得到了保證，同時座椅重量又得到了下降。除此之外，輕量化技術(shù)的應(yīng)用也是提高座椅環(huán)保性的另一大措施。 1.3研究的主要內(nèi)容 本文章以一款汽車鋼制座椅骨架為基礎(chǔ)，根據(jù)GB 13057 - 2005的相關(guān)規(guī)定和要求設(shè)計新型鋁合金座椅骨架，并對座椅骨架進行計算機有限元分析，進而可以得到設(shè)計是否達到國家標準的要求。 本文的研究內(nèi)容總結(jié)起來有下面幾點: 1研究認識傳統(tǒng)鋼制座椅，研究它的結(jié)構(gòu)和材料，對鋼管進行校核分析等。 2設(shè)計新型鋁合金座椅的骨架，建立骨架的三維模型，采用ansys軟件對座椅骨架進行有限元分析，包括應(yīng)力求解，模態(tài)分析等。 3對數(shù)據(jù)進行分析，判斷座椅骨架是否可靠。 4 第二章 汽車輕量化技術(shù)概述 2 汽車輕量化技術(shù)概述 2.1汽車輕量化的概念 汽車輕量化(Lightweight?of?Automobile)就是必須在保證汽車使用性能的前提下，降低汽車的重量，提升燃油經(jīng)濟性，降低污染[1] 。根據(jù)美國鋁協(xié)會研究，若汽車整車重量降低10%，其燃油效率可提高6%-8%[2];汽車整車重量每減少100kg，其百公里油耗可降低0.3-0.6L，二氧化碳排放量可減少約5g/m3[3]。 2.1.1汽車輕量化的方法 汽車輕量化的實現(xiàn)主要有兩種方法:一是設(shè)計輕量化的結(jié)構(gòu)，改變汽車的整體骨架和零件結(jié)構(gòu)[4]; 二是采用多種輕量化材料，例如各種高強度鋼板材料還有鋁合金等輕質(zhì)量材料[5]。 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計：以proe,ansys等軟件為計算機輔助工具，復(fù)雜的工程問題通過三維軟件可以簡化為簡單的數(shù)學模型，這樣很容易就可以設(shè)計出最優(yōu)的方案。 材料輕量化的分類主要有：一種是重量很輕的材料，比如鋁鎂鈦等合金材料，還有其他的復(fù)合材料等等；另外一種是高強度的材料，例如高強度還有超高強度鋼板。 當今，輕量化材料仍然是汽車輕量化發(fā)展的重點。汽車已經(jīng)運用了許多輕量化材料，包括各種合金材料，如鋁合金，鎂合金等等。一般而言，輕量化的材料應(yīng)用主要選擇以下材料：一是輕質(zhì)材料，它的密度低，而強度卻很高，比如鋁合金、鎂合金、塑質(zhì)材料、新型材料等等；二是同樣密度和強度的條件下，能承受更多的載荷的高強度材料。 2.1.2 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用 鋁合金材料比起其他金屬材料而言有很多的優(yōu)勢，重量低，而且強度高，是現(xiàn)代汽車制造業(yè)中應(yīng)用很多的材料。鋁合金的大量使用可以使重量下降一半左右，不僅可以提高剛度，還能節(jié)約資源，提高材料的利用率，從而也可以使汽車動力性能得到提升。以發(fā)動機制造舉例，活塞用的就是鋁合金材料，它的應(yīng)用減少了活塞的質(zhì)量，質(zhì)量減輕了，也就意味著活塞慣性的減低，從而發(fā)動機的效率也就得到了大大的提高，提高了燃油利用率，減少了浪費，符合綠色環(huán)保的概念，最后，發(fā)動機的振動也隨之變低，從而也提高了整體的舒適性，所以使用鋁合金材料對車身的減輕來說有很大的意義。 外國車企很早就使用鋁制材料，比如日本豐田，德國大眾等企業(yè)。鋁合金主要用在發(fā)動機，輪轂，車身等部分。在國外，鋁制品在汽車上的用量逐年增加。自1978年到1989年，美國平均每輛車的用鋁量從40千克增加到 68千克,德國從47千克增加到了85千克，日本也從25千克增加到了55千克。到 2003年，全球而言，平均每輛車的用鋁量增加到了120千克。 專家預(yù)測，再過十年，整車重量的60%都將是鋁合金材料，所以，鋁合金材料的發(fā)展很有前途和遠景。與此同時，傳統(tǒng)鋼材的地位也受到了很大的挑戰(zhàn)，鋼材里面的高強鋼和鎂合金、鋁合金還有其他的復(fù)合材料等在汽車上的應(yīng)用也越來越多，鋁合金等輕量化材料將在汽車研發(fā)制造上發(fā)揮更大的作用。 在國外，很多車型都采用了全鋁車身，鋁制的發(fā)動機，如布加迪，保時捷等車型。就在1994年，布加迪汽車公司研發(fā)了鋁制車身框架結(jié)構(gòu)（ASF）的 ARTIOLI，它的整車重量減少了30%，但它的車身強度卻超過了現(xiàn)在的鋼板車身。2006年，它又開發(fā)研制了第二代，如圖 2.1所示： 圖2.1全鋁結(jié)構(gòu)布加迪車身 布加迪全鋁制車架應(yīng)用了鋁擠壓材料、及鋁合金板壓等技術(shù)手段，這樣能使它的質(zhì)量下降到了原重量的百分之六十，但它的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度卻提升百分之四十多。因為鋁制材料的吸能效果好，當發(fā)生碰撞等交通事故時，能夠很好的吸能，從而保證駕乘人員的安全。 與外國相比較而言，中國的汽車研發(fā)制造產(chǎn)業(yè)還比較落后，汽車工業(yè)材料應(yīng)用方面的差距更大。基本上來說，我國的汽車工業(yè)的研究發(fā)展水平并不能滿足我國的汽車工業(yè)的發(fā)展。 和國外相比，國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)在鋁制方面做得還稍微差一點，平均下來每輛車的用鋁量只有85千克，還不及外國先進企業(yè)的一半水平。我國汽車產(chǎn)業(yè)的用鋁量只占全部鋁產(chǎn)量的10%，但是國外發(fā)達國家卻高達28%，從這可以看出我國和國外的巨大差距，同時，也說明了我國汽車工業(yè)用鋁的巨大發(fā)展空間。 2.2汽車座椅輕量化的設(shè)計方法 汽車座椅輕量化的目的：第一是確保汽車座椅本身的性能和功用；第二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減輕座椅自身重量，而提升汽車的整體性能，節(jié)約成本，提升燃油經(jīng)濟性；第三是通過輕 量化材料的應(yīng)用可以吸收能量，減少碰撞事故中的損壞；最后輕量化材料的應(yīng)用，如鋁合金可以吸收噪音，提高乘坐的舒適性。 座椅的輕量化設(shè)計，主要是座椅骨架的輕量化，實現(xiàn)座椅輕量化的途徑跟上述汽車輕量化是一致的。一是通過使用輕質(zhì)材料，二是利用有限元對骨架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，三是通過采用新的制造工藝來達到輕量化的目的。實際工程中，一般會綜合運用兩種或兩種以上手段相互結(jié)合的方法。本文設(shè)計的座椅骨架從材料和結(jié)構(gòu)兩方面來實現(xiàn)座椅骨架的輕量化。 2.2.1軋制型材鋼管座椅骨架 圖2.2沖壓鋼板座椅骨架 圖2.3扎制鋼管座椅骨架 如上圖2.2和圖2.3所示，沖壓鋼板骨架是以前汽車座椅生產(chǎn)廠商采用的座椅，現(xiàn)代汽車座椅生產(chǎn)廠商主要手段是采用軋制鋼管座椅骨架，而且它已經(jīng)取代了沖壓鋼板骨架。 但是軋制鋼管座椅和鋁合金座椅相比較的話，它的重量還是很大，鋼的輕量化效果不及鋁合金材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計也不及鋁合金，包括剛度，承載力等性能等方面都不如新型鋁合金座椅。 2.2.2鋁合金座椅骨架 現(xiàn)代汽車座椅生產(chǎn)中，已經(jīng)開始應(yīng)用鋁合金座椅骨架，它也成為汽車座椅輕量化的一個重要體現(xiàn)之一，它和上述傳統(tǒng)汽車座椅相比而言的優(yōu)勢重點表現(xiàn)在: 鋁合金零部件是一體化的，焊接點的數(shù)目下降了很多，因此焊接的應(yīng)力也相應(yīng)地下降了很多，除此之外，裝配工序的下降，也相應(yīng)節(jié)省了制造成本。 采用先進的成形工藝，使材料得到了更廣泛的利用。先進的成形工藝還能使座椅擁有很強的性能。成型工藝之一的低壓鑄造件還可進行熱處理，這樣可使零件的強度好很多。 座椅的重量下降了很多，從而使整車性能都能有所提高，節(jié)約了制造成本；提高燃油經(jīng)濟性，節(jié)約了資源；并且鋁合金座椅還能起到吸能的作用，提升了乘客的乘坐舒適性。 在國內(nèi)，汽車座椅輕量化的技術(shù)還不夠成熟，要想達到國際先進研發(fā)制造水平，那還要走很長的一條路。不過正因為國內(nèi)汽車座椅輕量化還不夠成熟，所以，對于國內(nèi)汽車座椅廠商而言，還有很大的潛力和發(fā)展空間。 第三章 汽車座椅舒適性概述 3 汽車座椅舒適性概述 3.1座椅舒適性概念 汽車座椅的舒適性是座椅設(shè)計的基本原則之一[6]，汽車座椅設(shè)計包括人體工程學、美學、機械、化工、紡織、噴涂、力學等多門學科，如此看來它是一項很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為了提高汽車座椅的舒適性，設(shè)計汽車座椅同時不僅要研究人體尺寸和生理特征，同時，還要根據(jù)以上所說的學科中的人體工程學原理來探求座椅的舒適性、減振性、 安全性及座椅的合理設(shè)計，這樣才能為人體設(shè)計出先進的、舒適的、安全的汽車座椅。 3.1.1座椅舒適性的要求 1) 各部貼合感：簡單來說就是汽車座椅的形狀和人體的形狀相互穩(wěn)合。與人體越貼合的座椅讓駕駛員更安全駕駛，乘客和駕駛員的臀部背部越貼合座椅，越舒適。 2) 橫向穩(wěn)定性：汽車上下陡坡，左右轉(zhuǎn)彎的時候，人體會承受縱向和橫向的速度沖擊，為了維持乘員的平衡性，汽車座椅的兩側(cè)需要稍加高，致使腿部和胯部支撐保持身體穩(wěn)定。 3) 腰背部合適承載：座椅設(shè)計時應(yīng)考慮背部和腰部的形狀和座椅適宜支撐的兩點，考慮到在靜態(tài)狀態(tài)時的舒適性，和動態(tài)狀態(tài)時保證腰背部的 4) 座椅各部軟硬程度：座椅要支撐起乘客的身體，太柔軟的座椅，在車開動的狀態(tài)下，晃動太大，所以硬些的座椅讓乘客感覺更舒適，更穩(wěn)固，軟硬程度也是需要考慮的一個要求。 5) 振動舒適性：應(yīng)該考慮動態(tài)狀態(tài)下的振動程度來設(shè)計座椅。 3.1.2 人體壓力在汽車座椅的分布 人體與座椅之間的壓力分布稱為坐姿的體壓分布[7]，人體坐在座位上時，身體重量的大部分(約80％)經(jīng)過臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉壓在座椅面上[8]。受力分布如下圖3.1所示。 圖3.1人體壓力分布圖 3.2?汽車座椅舒適性的分類 汽車乘坐的舒適性包括靜態(tài)舒適性，動態(tài)舒適性（又稱作振動舒適性）以及操作舒適性三方面內(nèi)容。座椅的靜態(tài)舒適性是指座椅在靜止狀態(tài)下提供給人體的舒適特性，主要與座椅尺寸參數(shù)、表面質(zhì)量、調(diào)節(jié)特性等有關(guān)；動態(tài)舒適性是指汽車在運動狀態(tài)下通過座椅骨架以及軟墊將振動傳遞到人體的舒適特性；操作舒適性是駕駛員和乘員在車內(nèi)正常活動（如操縱方向盤）的舒適程度，主要與座椅和車內(nèi)其他部件的布置有關(guān)。 3.2.1汽車座椅的靜態(tài)舒適性 為了給乘員創(chuàng)造更好的、舒適的、安全的乘車條件，為了滿足舒適性的要求，設(shè)計汽車座椅時應(yīng)應(yīng)用人體工程學的原理，對人體背腰部貼合性、人體合適的體壓分布等進行研究來設(shè)計座椅。靜態(tài)舒適性是座椅在靜止下提供人體舒適的特性，首先考慮駕乘者的安全，那么座椅需要有一定的強度，在發(fā)生事故碰撞沖擊的時候，要能保護乘員免受傷害。 3.2.2汽車座椅的動態(tài)舒適性 在汽車運動狀態(tài)的情況下，設(shè)計的汽車座椅必須保證適合的體壓分布，讓乘員保持良好的坐姿，背部和腰部正常彎曲，坐在座椅上持續(xù)舒適的狀態(tài)，同時腰背部都貼合座椅、側(cè)面固定。這樣即使在汽車運動時也能有效避免陡路發(fā)生的人體不平衡，適合大部分乘員乘坐姿勢的需求。 汽車座椅的動態(tài)舒適性是在汽車運動狀態(tài)下來講的，這和座椅及人體的振動特性聯(lián)系緊密。汽車運動時，路面的振動經(jīng)過輪胎、汽車懸架和座椅三個部位傳到人體，座椅是其中一個減振部位，這三個部位傳遞的振動特性能影響到座椅的舒適度。研究顯示：汽車其他使用性能不受座椅動態(tài)參數(shù)的變化而變化，并且工廠制造過程簡易，每個工序時間少，效果顯而易見。所以說改進座椅動態(tài)舒適性是增加駕乘舒適性的重要方面之一。 3.2.3汽車座椅的操作舒適性 說到汽車座椅的舒適性，還有一個操作舒適性，即對座椅進行調(diào)整時的按鈕或手柄的位置應(yīng)該在駕乘者觸手可及的地方，同時適合普通人的力度范圍。座椅的操縱舒適性包含兩點：一，在保持靜止狀態(tài)的基礎(chǔ)上，讓乘員擁有更為寬闊的操縱空間；二，對座椅各種調(diào)節(jié)裝備來說，必須是讓操作更簡單更容易實現(xiàn)，這也是汽車座椅操作舒適性研討的重要內(nèi)容。 3.3汽車座椅舒適性的意義 第一，汽車座椅舒適性是衡量現(xiàn)代汽車整體性能重要的指標之一。汽車座椅舒適性好的話,駕駛?cè)藛T不容易感到疲勞,因而有利于提高駕駛愉悅感，保障行車安全。 第二，隨著社會的巨大發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,人們乘坐車輛的次數(shù)越來越多,很多人都擁有一輛或幾輛屬于自己的汽車,人們在汽車上的時間越來越多。所以,人們對汽車座椅舒適性的要求也越來越高。 最后，提高汽車座椅舒適性也是汽車研究制造廠商不斷追求的目標。隨著汽車市場的不斷擴大,汽車座椅制造業(yè)的競爭也越來越激烈,各座椅制造廠商不斷加強研發(fā)力量和投資,競相爭取開發(fā)出具有良好乘坐舒適性的好產(chǎn)品來搶占市場份額。因此,對汽車座椅舒適性的研究就顯得非常的重要。 3.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了座椅舒適性的概念，實現(xiàn)座椅舒適性方法和座椅舒適性的意義，通過上述對座椅舒適性的研究可以發(fā)現(xiàn)，提高座椅舒適性也是增加駕乘舒適性的重要方面之一已經(jīng)成為衡量現(xiàn)代汽車整體性能重要的指標之一。在本文下面的座椅骨架設(shè)計中，也要充分考慮舒適性的要求，例如采用的鋁合金材料有吸能和隔噪音的作用；要考慮到各部貼合感，使座椅的形狀和人體的形狀相互吻合，特別是乘客和駕駛員的臀部背部和座椅貼合。這些都有助于提高座椅的舒適性，滿足人們對乘坐舒適性的要求。 7 第四章 新型鋁合金座椅骨架設(shè)計 4 新型鋁合金座椅骨架設(shè)計 鋁資源分布廣泛且豐富，屬于經(jīng)濟性的材料，被大范圍的應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。鋁的密度是2.7g/cm3，差不多只有鋼密度的三分之一，屬于輕金屬的一種。 鋁合金的材料性能很好，容易進行加工成形，而且鋁及鋁合金材料還可回收再利用。大規(guī)模地使用鋁制材料作為汽車零部件，能夠減少汽車整體的質(zhì)量，相對也就使燃油經(jīng)濟性得到提升，減少了對環(huán)境的污染，體現(xiàn)了綠色環(huán)保的概念。因為設(shè)計了強度更加高的結(jié)構(gòu) ，所以整體的安全性也得到了提高，并且舒適度也有明顯的提升。 傳統(tǒng)的座椅骨架很多都是以沖壓鋼管焊連結(jié)合的，它的重量一般都很大。假如汽車座椅骨架使用鋁合金材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的話，那么它的質(zhì)量將明顯的下降，特別是對于座椅很多的客車而言。 本節(jié)研究分析了原鋼制座椅骨架，使用鋁合金可以取代原Q235鋼來研發(fā)座椅骨架，然后采用計算機proe三維軟件對鋁合金座椅進行了幾何模型設(shè)計。 4.1原鋼制座椅分析 4.1.1 外觀及成形工藝分析 圖4.1（a）原鋼制座椅正面 圖4.1（b）原鋼制座椅側(cè)面 圖4.1原鋼制座椅圖 圖4.1為一款小型客車汽車鋼制座椅骨架，其中圖4.1（a）為原鋼制座椅正面圖， 圖4.1（b）為原鋼制座椅側(cè)面圖。主體座椅骨架都應(yīng)用的是Q235鋼材質(zhì)，制造工序繁瑣，而且重量比鋁合金座椅大很多，不滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對它的要求。焊結(jié)的縫隙很多，生產(chǎn)過程復(fù)雜，而且它的外立面不夠光滑。 汽車鋼制座椅易生銹，鋼制材料容易損壞和腐蝕;并且鋼鐵材料不容易回收再利用，而且回收利用的效率低下，導(dǎo)致資源的浪費，而且經(jīng)濟性很低，不符合綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢。除此之外，原鋼制座椅在隔音降噪效果比鋁合金差，舒適性方面也不足鋁合金的效果好。下表4.1顯示了鋼制骨架的主要鋼板件及其厚度，如表4.1所示： 表4.1原設(shè)計方案主要鋼板件厚度 骨架結(jié)構(gòu)件名稱 厚度/mm 靠背圓鋼管 Φ25×2 加強扁鋼 3 左及右拉臂 4 左及右邊板 3 前及后椅架方管 40×20×2 椅架固定鋼 4 4.1.2靠背圓鋼管強度校核分析 靠背是重要的受力部件，必須滿足GB 13057-2003 《客車座椅及其車輛固定件的強度》對座椅總成的靜強度要求[17]。加載方向是從汽車座椅后面向前，載荷數(shù)為1000N。加載點高度是指從基準面椅腳安裝平面到靠背加載點的垂直距離，規(guī)定應(yīng)在基準平面上面0.70m-0.80m左右，本文取的測量值是0.75m。但在靠背的強度計算時，就要求測量的是靠背圓鋼管固定處到靠背加載點的距離[18]，這里實際測得距離是350mm。因為力矩等于力乘以力臂，也就是圓鋼管能承受的彎矩最大值是350 N ·m。運用材料力學可以對靠背圓鋼管進行簡單的計算。鋼管截面尺寸如下圖4.2所示： 圖4.2靠背圓鋼管截面尺寸 靠背上最大正應(yīng)力的算式（4.1）： （4.1） 上式中Mmax為最大彎矩，值為350 N m, W z為靠背截面的抗彎截面模量，計算如下式（4.2）： （4.2） 將D=0.025m , d=0.021m代入上式（4.1）和（4.2）計算得:=229MPa，取它的保險系數(shù)是1.1倍，所以=251.9MPa，比Q235鋼制材料的屈服強度235MPa大，未達到國標的靜強度要求。 4.2 鋁合金座椅骨架設(shè)計方案 鋁合金主要的承載形式是彎曲，重點考慮的方面就是座椅骨架的彎曲剛性和抗彎強度[19]。用鋁合金替換鋼制的厚度比計算公式(4.3)如下： (4.3) AL是鋁合金，s是鋼，t是厚度，E是彈性模量，在相同彎曲強度條件下，它們的厚度比計算公式(4.4)如下： (4.4) 其中，YS是材料的屈服強度。由上可知，通過改變板的厚度，可以使得鋁合金和原鋼骨架都有相同的強度和剛度[20]。 本文在研究分析鋼制汽車座椅還有其他鋁合金座椅骨架的基礎(chǔ)上，設(shè)計新型鋁合金座椅骨架，主要有靠背，座椅和椅架三部分。 4.2.1靠背的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在發(fā)生意外碰撞時，靠背能夠緩解沖擊，具有一定的安全性和舒適性。本文設(shè)計的新型鋁合金車靠背不僅要達到背部生理曲線來提升舒適度，又要通過替換輕質(zhì)材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)來達到輕量化的要求。 研究表明:座椅靠背的曲線形狀滿足優(yōu)化曲線時，乘員將處于較舒適的狀態(tài)，在駕駛中不易產(chǎn)生疲勞[21] ，如圖4.3所示： 圖4.3人體背部優(yōu)化曲線 根據(jù)國家的相關(guān)標準和規(guī)定，在原鋼制座椅的基礎(chǔ)上，設(shè)計出鋁合金靠背的尺寸如下：高度660mm，寬度385mm，靠背曲線的大體上達到人體背部優(yōu)化曲線的要求，它的二維圖如下圖4.4所示： 圖4.4鋁合金靠背二維圖 ZL101A的鑄造等性能很好，因此靠背選擇它作為材料。由相關(guān)資料[22]確定壁厚是4mm，內(nèi)圓角半徑是4mm，外圓角半徑是8mm,拔模斜度為0°30＇。三維圖如下圖4.5所示： 圖4.5鋁合金座椅靠背3D圖 靠背應(yīng)該達到GB 13057-2003對汽車座椅的靜強度要求，我們先運用材料力學理論進行簡單地初步校核，求靠背上最大正應(yīng)力公式的公式（4.5）: （4.5） 矩形的計算公式（4.6）: （4.6） 將數(shù)據(jù)Mmax =350N m, b=4mm, h=110mm代入（4.5）和（4.6）式中，計算得:=128.8MPa，相比ZL101A的屈服強度205MPa要小很多，所以設(shè)計達到了要求。 4.2.2邊板的結(jié)構(gòu)設(shè)計 邊板也是一個很重要的承載件，它起著連接靠背，扶手等零件的作用。所以它也要擁有相應(yīng)的強度。依據(jù)原有鋼制座椅骨架的結(jié)構(gòu)，又依據(jù)相鄰部件相似的原則，設(shè)計了如圖4.6所示的邊板。 選用ZL101A鋁合金材料的抗拉強度為285MPa，鐵的抗拉強度為506MPa，加入(5.4)式計算厚度是4mm。平面圖如圖4.6（a）和圖4.6（b）所示，三維圖如圖4.7所示。 圖4.6（a）邊板主視圖 圖4.6（b）邊板平面圖 圖4.7鋁合金邊板三維圖 另外，ZL101A鋁合金邊板可通過沖壓成形，再進行油漆烘烤，來使它的強度進一步提升[23]。所以它的另一大優(yōu)點就是可熱處理強化，并且已有的模具及生產(chǎn)線就可以直接生產(chǎn)鋁合金板材。由于左右邊板三維圖數(shù)據(jù)一致，可通過proe中的鏡像來完成，不需要單獨重新繪制。 4.2.3椅架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 椅架選用的材料是ZL101A。選用40mm X 20mm方管，厚度為4mm;椅腳固定座選用材料為ZL101A，厚度為5mm。材料普通廣泛，而且它的加工成本低，只需簡單的工序就可以。椅腳固定座的生產(chǎn)也很簡捷，經(jīng)過沖孔及折彎工序就可以完成。設(shè)計的椅架二維圖如圖4.8（a）和4.8（b）所示，鋁合金椅架三維圖如圖4.9所示： 圖4.8（a）椅架側(cè)視圖 圖4.8(b)椅架主視圖 圖4.9鋁合金椅架三維圖 4.3座椅總成的虛擬裝配 在進行上述各零件的單獨設(shè)計后，還需要根據(jù)不同的約束條件和具體的要求將零件裝配成一個整體。計算機輔助軟件PROE可以組裝出汽車座椅的模型。 下面具體介紹鋁合金座椅虛擬裝配過程： 1) 新建文件打開PROE5.0軟件，新建文件，選擇“組件”模式，采用“mmns_asm_design”單位模板。如下圖4.10所示。 圖4.10 新建組件 2) 靠背裝配 點擊“裝配”按鈕，將鋁合金靠背實體模型導(dǎo)入，將靠背約束設(shè)置為“缺省”。如圖4.11和圖4.12所示。 圖4.11導(dǎo)入靠背實體模型 圖4.12設(shè)置為缺省約束 3) 右邊板裝配 點擊“裝配”按鈕，將右邊板實體模型導(dǎo)入，用“對齊”命令將邊板和靠背上孔的軸線放置在同一條線上，用“配合”命令將邊板內(nèi)表面和靠背外表面貼合在一起，完成右邊板的裝配。如下圖4.13。 圖 4.13右邊板裝配 4) 左邊板裝配 因為邊板左右完全對稱，所以在零件設(shè)計時只需設(shè)計一邊的邊板即可，另一側(cè)的邊板可通過組建模式下創(chuàng)建零件功能完成。首先在左邊設(shè)計樹下“激活”右邊板，然后將靠背中線平面作為“鏡像”平面進行拷貝，生成 DTM1 平面。然后“打開”右邊板——過濾器中選“幾何”——單擊右邊板上任何一個面——右擊選擇“實體曲面”——復(fù)制——粘貼——過濾器中選“面組”——選中右邊板——鏡像。則左邊板生成，再將左邊板選中，進行實體化。如圖 4.14 。 圖 4.14 左邊板裝配 5) 椅架裝配 最后將椅架導(dǎo)入，用“匹配”和“對齊” 命令把邊板與椅架配合面及二者對應(yīng)的孔約束，裝配在一起。完成了座椅的虛擬裝配，如下圖4.15所示。 圖4.15座椅的虛擬裝配三維圖 利用計算機輔助軟件proe制圖軟件建立了鋁合金座椅骨架的三維圖，利用preo中的質(zhì)量屬性可以求出設(shè)計的鋁合金座椅骨架的重量為4.01kg，而原鋼制座椅骨架的重量是6.98kg。計算可得鋁合金座椅重量的鋼制座椅重量輕了42.5%。本設(shè)計不僅符合了國家的相關(guān)標準和規(guī)定，而且優(yōu)化了座椅結(jié)構(gòu)，重量也下降了很多，輕量化的結(jié)構(gòu)和材料兩個方面都達到了目的。 32 第五章 汽車座椅骨架有限元分析 5 汽車座椅骨架有限元分析 5.1 有限元基本方法的介紹 隨著計算機輔助軟件的快速發(fā)展，在工程分析上有限元得到了越來越多應(yīng)用和普及。 有限元計算分析可以分為以下步驟： 1) 結(jié)構(gòu)離散化：由各種單元的計算模型組合而成，不同單元之間通過節(jié)點連接在一起。 2) 單元分析：由建立位移模式選擇和剛度方程兩個過程組成 3) 整體分析：的方程等集成起來，形成所特有的總剛度方程。 4) 求解有限元，得出位移:我們可以依靠的具體來選擇比較適合的計算方法。 5) 由的節(jié)點計算單元:通過彈性方程和幾何公式來計算彈性應(yīng)變和應(yīng)力。 5.2 汽車座椅靜強度要求 汽車座椅的強度特性是影響座椅安全性的主要因素之一，座椅的強度可分為靜強度，沖擊強度和疲勞強度三種。座椅靜強度特性是座椅的安全性和乘坐舒適性的首要因素，在靜態(tài)載荷作用下，座椅軟墊對強度特性的影響很小，在此可以忽略。 我國國標GB15083-1994中作了如下規(guī)定：對座椅靠背施加相對于座椅參考點 R 點，大小為373N· m的載荷時，座椅應(yīng)能承受以上載荷[28]。如示意圖5.1所示，R點為座椅參考點，D為力臂的長度。 圖5.1 座椅參考點 R 點 5.3 座椅骨架的有限元分析 5.3.1座椅靜強度分析 1) 導(dǎo)入模型 將建好的模型直接導(dǎo)入ANSYS軟件，則需要先對preo文件進行一些處理，需將proe中的文件另存為model格式，然后在ANSYS軟件中以File>Import>Catia的順序操作，找到相應(yīng)文件打開即可。將導(dǎo)入模型改為實體結(jié)構(gòu)：PlotCtrls>Style>Solid Model Facets，選Normal Faceing，如圖5.2所示。 圖5.2模型改為實體結(jié)構(gòu) 切換顯示方式后，就可以看到模型是實體而不是線框，如圖5.3所示。 圖5.3模型實體 2) 單元的類型 main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete，單擊Add，出現(xiàn)對話框library of element type，選擇solid185實體單元，185實體單元是八節(jié)點實體單元，單擊OK，最后單擊element type對話框中close按鈕，如圖5.4（a）和圖5.4（b)所示。 圖5.4(a) 定義單元的類型 圖5.4(b) 定義單元的類型 3) 連接關(guān)系的簡化 座椅零部件通過焊接或螺栓方式連接，而本文主要分析座椅總成靜強度特性，所以對連接關(guān)系進行了簡化處理，將邊板和靠背之間的螺栓簡化為固定連接。 4) 加載靠背骨架的材料 靠背骨架兩側(cè)板和上橫梁的材料均為鋁合金ZL101A，彈性模量E= 7.26e4Mpa；泊松系數(shù)V=0.33；選取main menu>preprocessor>material props>material models出現(xiàn)對話框，設(shè)置材料的彈性模量，泊松比和材料密度，如圖5.5和圖5.6所示。 圖5.5設(shè)置彈性模量和泊松比 設(shè)置EX為7.26e10pa也就是7.26e4mpa。這與選擇的單位制有關(guān)，設(shè)置密度為2700kg/m3。 圖5.6設(shè)置材料密度 5) 網(wǎng)格劃分 選取main menu>preprocessor>meshing>mesh tool，出現(xiàn)對話框Mesh Tool，選中Line Size，選擇所有的面體，設(shè)置最大邊長尺寸大小為5mm，點擊mesh鍵，在彈出的對話框中點擊pick all，如圖5.7所示。 圖5.7網(wǎng)格密度設(shè)置對話框 6) 質(zhì)量檢查 網(wǎng)格生成過程的非常繁復(fù)，網(wǎng)格的形狀一般都會存在一些質(zhì)量上的問題，所以自動或半自動網(wǎng)格劃分之后不能立即進行分析。另外，因為網(wǎng)格質(zhì)量直接關(guān)乎到模型的結(jié)果和收斂性，甚至質(zhì)量比較差的網(wǎng)格不能被網(wǎng)格質(zhì)量檢驗通過，導(dǎo)致無法計算。如圖5.8所示。 圖5.8進行質(zhì)量檢查 7) 在靠背骨架底板上定義約束 在兩側(cè)底板的螺栓孔上對座椅靠背施加全約束，使所有節(jié)點的位置都固定不變，如圖5.9所示。 圖5.9加載約束對話框 8) 在座椅骨架上施加載荷 我國在GB15083-1994中規(guī)定，對座椅靠背施加相對于座椅參考點大小為373N·m的載荷，由圖5.1確定了座椅參考點位置，通過測量可得力臂大小為283mm,所以要在座椅靠背中部橫板處水平向后施加1318N的力，以產(chǎn)生373N·m的力矩。紅色部分就是施加的壓力載荷位置，如圖5.10所示。 圖5.10施加的壓力載荷位置 9) 計算求解 單擊Current LS，彈出對話框顯示“Solution is done!”，表示求解成功。顯示變形結(jié)果 在菜單欄中選擇Nodal solu，彈出Contour Nodal Solution Data對話框，設(shè)置相關(guān)選項，得出綜合位移圖如圖5.11，位移顯示代表變形情況，用顏色代表位移值。由圖可知最大位移處出現(xiàn)在椅背上部的橫板處大約為1.8mm。 圖5.11綜合位移圖 還得出等效應(yīng)力圖如圖5.12，用顏色代表應(yīng)力值，由下圖5.11可知座椅骨架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)板中下部和橫板上，最大應(yīng)力值為82MPa，其他地方應(yīng)力小。比ZL101A的屈服極限205MPa小很多，所以滿足了國標的要求。 圖5.12等效應(yīng)力圖 5.3.2模態(tài)分析 選擇solution>analysis type>modal進行模態(tài)分析，點擊ok，如圖5.13所示。 圖5.13 進行模態(tài)分析 在solution>analysis option下進行模態(tài)求解的設(shè)置，選擇蘭考斯法進行求解，設(shè)定求解的模態(tài)階數(shù)為10階，如圖5.14所示。 圖5.14設(shè)定求解的模態(tài)階數(shù)為10階 對座椅骨架進行模態(tài)分析，選取分析模型model,釋放全部載荷及所有約束。得到第一階到第十階模態(tài)圖如下圖5.15所示，由圖可得前六階可得頻率都約等于0HZ，所以振型為剛體模態(tài)。 圖5.15座椅骨架頻率 第一階振型 第二階振型 第三階振型 第四階振型 第五階振型 第六階振型 第七階振型 第八階振型 第九階振型 第十階振型 從座椅骨架頻率圖和十階陣型圖可以看出， 前六階頻率都約等于0Hz，所以振型為剛體模態(tài)。從第7階到10 階，頻率范圍從82.8到259.6Hz，屬于低階彈性模態(tài)，這反映了座椅骨架的剛度性能，因此鋁合金座椅骨架具有更大的剛度 。 座椅骨架的的激勵來源一般是路面和發(fā)動機激振。路面激勵在25Hz以下，發(fā)動機怠速激勵頻率為35Hz。在額定工作狀態(tài)時，發(fā)動機爆發(fā)頻率為115Hz。由表5.15可見，座椅骨架前六階頻率不在控制范圍，不可能發(fā)生共振現(xiàn)象。而發(fā)動機爆發(fā)頻率只與第八階y有點接近，可能出現(xiàn)明顯的振動。 5.3.3結(jié)果分析 1) 選擇的鋁合金材料屬性達到了國標對靠背強度的要求，座椅靠背所受最大的應(yīng)力約為82MPa，遠小于ZL101A的屈服極限205MPa,達到了材料的強度要求。 2) 對骨架施加國標規(guī)定載荷時，靠背的最大位移量出現(xiàn)在上橫梁處，其位移量約為 1.8mm，靠背骨架沒有出現(xiàn)嚴重變形，不會影響其強度和使用性能，達到了國標對其強度的要求。 3) 模態(tài)分析方面，座椅骨架前六階頻率不在控制范圍，不可能發(fā)生共振現(xiàn)象，而第階階在發(fā)動機爆發(fā)的情況下有可能出現(xiàn)明顯的共振。 4) 本有限元分析證實了設(shè)計的新型鋁合金座椅骨架在靜強度和模態(tài)方面都達到了國家標準的要求，說明了輕量化設(shè)計的成功。 參考文獻 全文總結(jié) 本文在一款原鋼制汽車座椅骨架的研究分析基礎(chǔ)上，從材料、結(jié)構(gòu)還有兩個方面對汽車座椅進行了舒適性和輕量化的研究與分析。設(shè)計了新型鋁合金汽車座椅骨架，還對鋁合金座椅骨架進行了有限元分析，證實了在重量大大減輕的前提下，座椅靠背的結(jié)構(gòu)和材料都達到了國家標準，符合了實際使用的要求。 本文設(shè)計的鋁合金汽車座椅骨架在靜強度、剛度方面都滿足了國家標準的要求，與原來的座椅比較，鋁合金座椅骨架重量大大減輕了，輕量化的效果比較明顯，提升了汽車的整體性能，節(jié)約成本，提升燃油經(jīng)濟性：而且鋁合金材料吸能效果比鋼制材料好，減少碰撞事故中的損壞；最后輕量化材料的應(yīng)用，如鋁合金可以吸收噪音，還提高乘坐的舒適性。 本文也存在很多不足，只研究分析了舒適性的概念和方法等，未具體研究設(shè)計舒適性的方案。未對海綿，頭枕等部件進行研究分析，如果可以對整個座椅進行研究分析，更加更符合真實情況。如果將來有機會將繼續(xù)學習研究。 參考文獻 [1] 柳偉. 半主動座椅懸架的設(shè)計與振動特性研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學.2011(11) [2] 張西強.非線性空氣彈簧與弓一網(wǎng)動態(tài)特性研究及其對人體舒適度的影響[D].天津大學.2012(11) [3] 劉夢安. 基于磁流變液阻尼器的半主動懸掛式座椅性能的評價[J]. 森林工程. 2009(05) [4] 曹君,劉少軍,朱浩,黃運明. 基于H_∞控制的車輛座椅主動懸架系統(tǒng)[J]. 機電工程. 2007(03) [5] 劉有華. 工程車輛座椅設(shè)計與舒適性改進[D].華東交通大學.2013 [6] 曹君.基于“車一持一人”模型的車輛座椅懸架H}控制研究[D].中南大學.2006(11) [7] 鄧本波.汽車振動乘坐舒適性的評價方法研究[D].合肥工業(yè)大學.2005(06) [8] 孫啟超.坦克座椅減振控制研究[D].中南大學.2007(12) [9] 劉雪芬.北京公交車輛坐具系統(tǒng)設(shè)計適應(yīng)性研究[D].北京建筑大學.2013(06) [10] 郝雪玲，潘公宇，聶秀偉.駕駛員座椅懸架系統(tǒng)主動控制研究與仿真分析[J].機床與液壓.2011(12) [11] 夏嵐，李文琳，劉文金.基于人機工程學的客車椅設(shè)計方法研究[J].中南林業(yè)科技大學學報.2010(05) [12] 趙穎博.座椅懸架系統(tǒng)的H}控制[D].哈爾濱工業(yè)大學.2010(06) [13] 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