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機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目： 新概念汽車座椅的設(shè)計 專 業(yè)： 車輛工程 班 級： 車輛113 姓 名： 劉雙雙 學(xué) 號： 1608110313 指導(dǎo)教師： 董福龍 日 期： 2015-5-3 目錄 新概念汽車座椅的設(shè)計 引言： 近年來，汽車行業(yè)發(fā)展十分迅速，汽車在全球范圍內(nèi)的普及率持續(xù)增高。尤其是在我國，汽車銷售量呈每年遞增的趨勢。汽車座椅是汽車的重要組成部分，同時也是人和汽車接觸最多的零部件，它不僅影響駕駛員駕駛的舒適性，而且也影響著車輛內(nèi)飾的風(fēng)格、等級和豪華程度。因此，我國的汽車座椅行業(yè)作為汽車工業(yè)的重要配套行業(yè)，面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。 從目前情況上看，我國汽車座椅存在著很多的問題，首先是有透氣性差，不能夠及時將座椅上的潮氣散發(fā)。夏天的時候，汽車暴露在陽光下時，車內(nèi)溫度很高，空調(diào)調(diào)節(jié)需要好久才能達(dá)到制冷的效果，這就使乘員感到不舒適，消費者只能被動的接受，十分難受。其次就是不能升降，同樣高度的座椅，不同的人坐著的舒適度不同，這就意味著這樣的座椅與部分人不協(xié)調(diào)。對于上述問題，我提出的新概念汽車座椅的設(shè)計主要是在汽車座椅的內(nèi)部添加制冷和制熱雙向調(diào)節(jié)裝置和升降裝置[1]。這種裝置可以把人機工程學(xué)與汽車座椅融匯到一起，為消費者提供更加舒適的乘坐環(huán)境。 關(guān)鍵詞：汽車座椅；調(diào)溫器；升降機構(gòu)；人機工程學(xué)； 引言： Foreword:近年來，汽車行業(yè)發(fā)展十分迅速，汽車在全球范圍內(nèi)的普及率持續(xù)增高。尤其是在我國，汽車銷售量呈每年遞增的趨勢。汽車座椅是汽車的重要組成部分，同時也是人和汽車接觸最多的零部件，它不僅影響駕駛員駕駛的舒適性，而且也影響著車輛內(nèi)飾的風(fēng)格、等級和豪華程度。因此，我國的汽車座椅行業(yè)作為汽車工業(yè)的重要配套行業(yè)，面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。 In recent years, the automotive industry is developing very rapidly, the popularity of cars worldwide rate continued to increase. Especially in Chinas auto sales, a trend of increasing every year. Car seat is an important part of the car, also is the people and cars in contact with most of the parts. It not only affects the comfort of the driver, but also affect the style of the interior of the vehicle, grades, and the degree of luxury. Therefore, the car seat industry in China as an important supporting industry of the automobile industry, are faced with great opportunities and challenges. From the point of view of the current situation, Chinas automobile seat exist a lot of problems, first of all is with poor air permeability, can not be timely to distribute moisture on the seat. Summer, auto exposure in the sun, the temperature inside the car is very high, the air conditioning requires a long time to achieve the cooling effect, which makes passengers feel uncomfortable, consumers can only passive acceptance, very afflictive. Second is not lifting, the same seat height, different people sitting comfort. This means that this seat and uncoordinated. For these problems, I put forward the new concept car seat design is mainly in the interior of the car seat add refrigeration and heating two-way adjustment device and a lifting device [1]. This device can make the man-machine engineering together with car seats together, providing a more comfortable riding environment for consumers. Keywords: automobile seat; thermostat; lifting mechanism; ergonomics; 第 1 章 概況及現(xiàn)狀分析 1.1 汽車座椅的概況 從目前來看，我國在汽車配件行業(yè)比其他國家起步較晚，存在著很多不足，例如：市場大、技術(shù)不足等現(xiàn)狀。雖然我國也存在著很多知名的汽車生產(chǎn)商，比如長城、比亞迪、奇瑞等，但是就汽車座椅配件生產(chǎn)商來看，知名的較少，在自主知識產(chǎn)權(quán)方面仍有欠缺，具有很大的研究空間[2,3]。特別是人與座椅相互協(xié)調(diào)方面，由于我國汽車發(fā)展較晚，很多重要的技術(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝流程都是依據(jù)外國的座椅尺寸進(jìn)行研制的。由于東方人群與西方歐美人群在人體尺寸上存在著差異，如果只僅僅依靠外國的座椅尺寸來設(shè)計我國汽車座椅的尺寸，不善于把人機工程學(xué)應(yīng)用于汽車座椅的設(shè)計，這就導(dǎo)致了目前許多國內(nèi)消費者抱怨國外汽車的座椅不夠舒適。 因此，設(shè)計人員需要把人機工程學(xué)應(yīng)用于汽車座椅的設(shè)計過程中，使座椅尺寸與東方人群的尺寸相互協(xié)調(diào)，設(shè)計出符合東方人群的座椅，從而提高消費者的使用舒適度。 1.2 汽車座椅發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀：自從改革開放以來，政府對汽車行業(yè)的投資力度整體有了明顯的提高，從國家“六五”期間的投資15.9億元，到“九五”期間的260到300億元之間。這就使我國在汽車行業(yè)發(fā)展十分迅速，同時也促進(jìn)了我國的汽車零部件工業(yè)的發(fā)展。特別是近幾年，我國的汽車零部件行業(yè)通過多種渠道努力使自己快速發(fā)展，比如：引入并利用外資，多渠道籌集資金，加大了投資力度和生產(chǎn)集中度。這就是使汽車零部件行業(yè)成為了我們新的朝陽行業(yè)。在引入外資的同時，零部件廠商積吸收和消化外國的先進(jìn)技術(shù)，掌握生產(chǎn)要領(lǐng)，調(diào)整了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，加快了產(chǎn)品更新的步伐，使汽車零部件的質(zhì)量有了顯著的提高，并開始具有自己的知識產(chǎn)權(quán)。到目前為止，我國在某些主要制造工藝和檢測水平已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平。 雖然我們?nèi)〉昧撕艽蟮倪M(jìn)步，但是仍有很長的路要走。在我國，就座椅企業(yè)而言，雖然有不少的生產(chǎn)汽車座椅的公司，但是大部分為合資企業(yè)，重要的核心技術(shù)還是由外商掌握，自我的設(shè)計能力和研發(fā)能力還是比較弱的。國家對于汽車座椅的相關(guān)政策還需要調(diào)整。就調(diào)溫座椅而言，中國并沒有專門的企業(yè)從事這樣的研究，雖然在這方面也有一些相關(guān)專利，但是都還需要經(jīng)過實踐的檢驗。 國外發(fā)展現(xiàn)狀 ：在國外，汽車發(fā)展比較早，汽車的各個方面發(fā)展都比較完善，因此，就汽車座椅而言，我國與外國相差很遠(yuǎn)，世界上最早的汽車座椅是由德國人戴姆勒發(fā)明的，主要是用木板材質(zhì)，設(shè)計理念是人去適應(yīng)產(chǎn)品，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會的進(jìn)步，舊有的設(shè)計理念逐漸被淘汰，逐步走向以人為核心的設(shè)計理念，全面的對座椅進(jìn)行設(shè)計和分析。歐美等發(fā)達(dá)的國家對于汽車座椅研究十分重視，他們大部分都擁有自己的設(shè)計中心和實驗中心，廣泛采用計算機輔助設(shè)計和制造，并且同時對消費者進(jìn)行市場調(diào)研。到目前為止，歐美等發(fā)達(dá)的國家在汽車座椅各個方面都很完善，汽車座椅價格占整個車價的5%到10%,而我國的座椅價格只占整車3%~4%。 美國在汽車調(diào)溫座椅方面發(fā)展很成熟，美國GENTHERM公司其汽車座椅調(diào)溫裝置已被應(yīng)用到許多中高檔車型當(dāng)中，如凱迪拉克STS SAE100。而在國內(nèi)，可任意調(diào)節(jié)汽車座椅的溫度;同時其內(nèi)部的溫度傳感器還會監(jiān)控座椅的實時溫度和乘客的體溫的雙向調(diào)溫的汽車調(diào)溫座椅還是一個空白。 第 2 章 新概念汽車座椅的方案分析 2.1 汽車座椅概述 汽車座椅是人與汽車接觸最多的部件，也是為乘客提供駕駛舒適性的重要組成部分。汽車為高速運動體，乘員是處在復(fù)雜的環(huán)境中，當(dāng)長時間乘坐汽車時，由于不能自由活動，因而汽車座椅極大的影響著乘客的乘坐舒適性。舒適性良好的汽車座椅可以增加乘客駕駛舒適性，降低事故率，提高安全性能。 一般的汽車座椅應(yīng)當(dāng)滿足以下條件[4]： （1）良好的靜態(tài)特性，（2）良好的減震動態(tài)特性。（3）良好地造型形 態(tài)。（4）多種調(diào)節(jié)功能，來滿足不同性別、身材的人來乘坐。 2.2 汽車座椅的分類及組成 目前汽車座椅有不同的分類方式：按材質(zhì)分為織物座椅、革質(zhì)座椅、真皮座椅。按乘坐人數(shù)分類，有單人座椅、雙人座椅和多人座椅;按照功能分可分為普通座椅、電動座椅、懸掛座椅、記憶座椅、輕量型座椅和安全座椅。[5] 隨著社會的發(fā)展，人們對座椅的要求越來高，各大汽車公司以及零配件公司都在大力推進(jìn)汽車座椅的研發(fā)，近年來，舒適度、輕量化、功能多樣性及美觀性成為了汽車座椅的發(fā)展方向。 一般座椅主要由座椅蒙皮、緩沖墊、彈性單元、靠背角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、調(diào)整機構(gòu)、座椅骨架六部分組成，（如圖2-1）。1-座椅蒙皮 2-緩沖墊3-座椅彈性單元4-靠背角度調(diào)節(jié)機構(gòu)5-調(diào)整機構(gòu)6-座椅骨架[5,7] 圖2-1 汽車座椅結(jié)構(gòu)圖 圖2-2 座椅彈性單元圖 座椅蒙皮主要是指座椅的表皮，是包在坐墊和靠背總成外表面的一層材料，座椅的表皮材料根據(jù)需求和檔次的不同，大多使用：織物、人造革、皮革、塑料和粘纖等（如圖2-1中的編號1）。 在座椅彈簧和表皮之間或者座椅墊和表皮之間，以及整體座椅上的柔軟物體稱為墊體。通常使用一到三層聚氨酯泡沫或棕櫚等（如圖 2-1 中的編號 2）。使用目的就是保持座椅的形狀、隔斷在彈簧式座椅上乘坐的成員直接接觸彈簧的異物感，并起緩沖和減震的作用[8] 彈性單元是指放在座椅內(nèi)部能夠起到減震作用的彈性機構(gòu)（如圖 2-2），多有1.2~4mm 的彈簧以及塑料或粘纖材料構(gòu)成，在座椅內(nèi)所占的位置如圖 2-1 中的編號3?，F(xiàn)代座椅通過匹配彈性單元的剛度和減震器阻尼，達(dá)到減震和避免共振的目的。 座椅的調(diào)節(jié)機構(gòu)很多，可以前后、高度、角度等等調(diào)節(jié)。 前后與上下調(diào)節(jié)機構(gòu)與車身底盤相連接，可以通過手動或電動等動力進(jìn)行操作。座椅的前后調(diào)節(jié)機構(gòu)大多數(shù)為滑軌機構(gòu)，滑軌如果在車身坐標(biāo)內(nèi)水平布置，則只起到前后調(diào)節(jié)作用;如果采用前高后低的布置方式，則在座椅向后移動時，也能起到座椅高低的調(diào)節(jié)。 汽車座椅的靠背角度調(diào)節(jié)機構(gòu)一般裝在坐墊骨架和靠背骨架之間，在起到靠背傾角調(diào)節(jié)作用的同時也起到坐墊骨架和靠背骨架的聯(lián)接作用?？勘辰嵌日{(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)節(jié)方式有無級調(diào)節(jié)和微調(diào)，可以調(diào)節(jié)的范圍很大。高度調(diào)節(jié)主要作用是調(diào)節(jié)座椅的上下、水平位置，在結(jié)構(gòu)上，可分油缸式、螺旋彈簧式、絲杠式、和四連桿式。在調(diào)節(jié)方式上，可分滑軌是單獨升降機構(gòu)和座椅上下平行升降機構(gòu)[6,8,9]。 骨架固定在車身地板上，用以支撐整個座椅和人體質(zhì)量。骨架可分為座椅骨架和靠背骨架兩個部分，用法各不相同，一般分類狀況，分為管狀結(jié)構(gòu)、鈑金結(jié)構(gòu)、樹脂結(jié)構(gòu)、鋼絲結(jié)構(gòu)四類。座椅框架通常所以的材料的外徑為Φ20~Φ25。 2.3汽車座椅人機工程學(xué)分析 坐姿是人體使用的較多并且較為自然的姿勢。坐姿與站姿有所不同，坐姿是以臀部支撐全身的方式，而站姿是指以雙腳支撐全身的方式。相比較站姿而言，坐姿更有利于雙腳作用的發(fā)揮，特別是對于汽車的座椅來說，采用坐姿能夠使乘坐者利用靠背做支撐點來增大腳的蹬力進(jìn)而更有利于駕駛。 駕車過程中，需要長時間維持坐姿基本不變，乘員由于重力作用于肌肉組織，長時間姿勢不變會使血液循環(huán)不通暢，各種代謝物質(zhì)積聚，引起不舒適感，因此汽車座椅的設(shè)計非常關(guān)鍵的一點應(yīng)當(dāng)盡量避免重力集中導(dǎo)致的局部受力過大[23]。 因此設(shè)計師要了解人究竟以怎樣的坐姿才能獲得舒適和不易疲勞的生理反應(yīng)，只有了解這一點，才能夠設(shè)計出舒適、安全的座椅。那么了解人體脊柱的組織結(jié)構(gòu)、腰曲變形及舒適坐態(tài)生理要求就十分必要了。 舒適的坐姿與人體軀干骨的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。人體軀干骨是由脊椎、肋骨和胸骨組成。人采用坐姿時，身體主要由脊柱、盆骨、腿和腳支撐，脊柱位于人體的背部中央，是人體的主要支柱。 脊柱的 S 形彎曲狀態(tài)，是保證人體脊椎骨間肌肉靜態(tài)負(fù)荷水平，以及椎間盤之間具有最佳壓力的前提。因此，在正常的狀態(tài)下脊柱的腰椎部分前凸，至骶骨時后凹。當(dāng)處于非自然姿勢時，椎間盤內(nèi)壓力就會處于不正常狀態(tài)，進(jìn)而致腰部酸痛、疲勞等不適應(yīng)感。 當(dāng)坐姿能夠保持腰曲弧線正常時，脊柱椎間盤所受的壓力均勻而輕微，韌帶幾乎無推力作用，韌帶不拉伸無不舒適感（見圖 2-3 左）。但是，當(dāng)人體坐姿處于向前彎曲時，椎骨之間的間距發(fā)生改變，相鄰兩脊椎前段間隙縮小，后端間隙增大（見圖 2-3右）。椎間盤前端在這期間不斷地受到推擠和摩擦，迫使它向韌帶作用以推力，從而引起腰部不舒適感，長期積累作用，可造成椎間盤病變。因此座椅設(shè)計從坐姿生理學(xué)角度，應(yīng)該保證腰曲弧線正常；從坐姿生物力學(xué)角度，應(yīng)保證肢體免受異常力作用[7，8]。 圖 2-3 不同坐姿時椎間盤受力分析 因此，在座椅設(shè)計過程中，應(yīng)注意以下兩點[25,26]： 1、座面柔軟程度應(yīng)以能夠保持坐骨處承受人體的 60%左右的重量為宜，過軟或過硬都會給乘坐人員帶來不舒適感，過軟的座椅會讓臀部與大腿的肌肉接觸受壓面積增大，增加乘坐的不穩(wěn)定性，同時改變坐姿時的阻力變大，容易產(chǎn)生疲勞。 2、坐骨下面坐面高度要合理，并且要與地面平行，結(jié)構(gòu)堅實平坦保證壓力合理分布，不同坐姿會影響乘坐人員的體壓分布。坐骨結(jié)節(jié)下面的坐面呈近似水平時，可使兩坐骨結(jié)節(jié)外側(cè)的股骨處于正常的位置而不受過分的壓迫，人體感到舒適，斗形座面會使股骨趨于向上轉(zhuǎn)動而受力，從而引起不舒適感。所以駕駛員座面應(yīng)該避免斗形座面。 2.4汽車座椅的主要參數(shù)選取 汽車座椅設(shè)計的主要參數(shù)有：座墊深度、座墊寬度、座墊高度、座墊角度、座墊與靠背的夾角、靠背寬度、靠背高度。汽車座椅靜態(tài)參數(shù)的選取原則：正常姿勢下人體尺寸是座椅幾何尺寸確定的基準(zhǔn)，以下是汽車座椅主要參數(shù)的選取方法： 1、椅面高度：椅面高度應(yīng)使乘員大腿接近水平、小腿自然放置，即保證不因椅面過高而使大腿肌肉受壓，又保證不因椅面過低而增加背部肌肉負(fù)荷，根據(jù)經(jīng)驗取高度為350mm。 2、座寬：座寬指的是通過R點且與座椅中心平面垂直的垂面上坐墊的最大寬度。座寬必須能容納身材粗壯的人。參考尺寸為臀寬，以女性群體尺寸上限為設(shè)計依據(jù);為使乘員能調(diào)整坐姿，座寬取適當(dāng)大于臀寬。座寬亦不能太大，否則肘部必須向兩側(cè)伸展以尋取支承，這樣會引起肩部疲勞。一般汽車座椅寬度取480-520mm 3、座深：指在座椅中心平面上，坐墊前緣的垂直切線至坐墊最后端線的距離。該尺寸不能太大。正確的座深應(yīng)使靠背方便地支持腰椎部位。如座深大于身材矮小者的大腿長，座面前緣將壓迫膝窩處壓力敏感部位，這樣若要得到靠背的支持，則必須改變腰部正常曲線;否則坐者必須向前緣處移動以避免壓迫膝窩，卻得不到靠背的支持，這兩種坐姿都是不舒適的。為適應(yīng)絕大多數(shù)駕駛員，座深應(yīng)當(dāng)按照較小百分位的群體設(shè)計，這樣身材矮小者坐著舒適，身材高大的人只要小腿能得到穩(wěn)定的支持，也不會在大腿部位引起壓力疲勞一般汽車座椅深度取400-420mm。 4、座面傾角：指座面與水平面所夾角度。座面后傾的作用有兩點:一是由于重力，驅(qū)干后移，使背部抵靠靠背，獲得支持，可以降低背肌靜壓;二是防止乘坐者從坐緣滑出座面，這對于經(jīng)常處于震動顛簸環(huán)境中的駕駛員座椅非常重要。但是如果座面過分后傾，進(jìn)行駕駛操作時，脊椎因身體前屈而會被拉直，破壞正常的腰椎曲線，形成一種費力的姿勢，同時還會壓迫腹部，長期駕駛會造成生理上的傷害。因此傾角不能太大，一般為5~15，綜合以往經(jīng)驗取傾角為10。 5、坐墊：坐墊設(shè)計首選需確定坐墊深度和坐墊傾角。坐墊深度的設(shè)計原則在充分利用靠背的情況下，使臀部得到合理的支撐。人體在坐姿狀態(tài)下，坐骨與小腿足部構(gòu)成穩(wěn)定的支撐。坐墊深度過大時，造成人體軀干相對前移，腰部得不到良好的支撐，引起疲勞；坐墊深度過小時，會因大腿得不到良好的支撐而感到不舒適：因此，坐墊的深度應(yīng)按臀部至大腿表面全長的3/4設(shè)計，一般取400—480mm。坐墊的傾角應(yīng)兼顧安全性和舒適性，一般為2—10，此處取5。 6、靠背：靠背的設(shè)計主要指強度設(shè)計和造型設(shè)計，設(shè)計時應(yīng)使靠背的高度、形狀 符合人體曲線，使背部肌肉處于放松狀態(tài)，并能給背部、肩部有效可靠的支撐，使駕乘人員保持穩(wěn)定的坐姿，還要有足夠的側(cè)背支撐，從而避免高速轉(zhuǎn)彎時的橫向滑動。設(shè)計時，靠背的高度和寬度一般分別為600 mm和480 mm。不同的靠背傾角會導(dǎo)致不同的椎間盤壓力及背部肌肉負(fù)荷。當(dāng)靠背傾角超過110時，椎間盤壓力顯著減小，所以設(shè)計時應(yīng)考慮合理的靠背傾角。為了提高舒適性，滿足駕乘人員在休息時的需求，靠背傾角應(yīng)為可調(diào)式，并且調(diào)整范圍盡可能大。一般載重汽車為100～115，大客車為95～135，轎車為80～170。根據(jù)經(jīng)驗和標(biāo)桿車數(shù)據(jù)確定傾角為80~110。 7、頭枕：頭枕主要對乘員的頸椎起依托作用，緩解乘員的疲勞，同時，在緊急制動時，其吸能性對乘員起保護(hù)作用，防止緊急制動造成乘員受傷。設(shè)計時，根據(jù)人機布置確定頭枕的設(shè)計高度及調(diào)節(jié)范圍。頭枕型面應(yīng)符合舒適性要求。 頭枕安裝在至少與耳朵上緣平齊的地方，后腦與頭枕之間的距離≤20cm。垂直方向拔出力≥250N，頭枕桿解鎖力≤20N，頭枕桿滑動力≤35N，頭枕桿插入力≤70N,且升降調(diào)節(jié)靈活，鎖止可靠，應(yīng)符合GB 11550-1995《汽車座椅頭枕性能要求和試驗方法》中的規(guī)定。 8、座椅骨架：座椅骨架主要包括靠背骨架和坐墊骨架兩部分，通常采用直徑為20-25mm，壁厚為1-2mm的電焊鋼管或無縫鋼管彎曲成型方法制造；也可采用1-3mm厚的鋼板沖壓或滾扎成型的方法制造。 9、調(diào)角器：調(diào)角器安裝在坐墊骨架和靠背骨架之間，不僅起靠背翻轉(zhuǎn)作用，而且還是靠背與坐墊的連接件，所以它也是影響乘車安全的功能件。常見的形式為調(diào)角器采用向心齒板調(diào)節(jié)機構(gòu)限位，用平面渦卷彈簧自動回位式。根據(jù)前面的要求和GB 15083-1994的強度要求，確定靠背設(shè)計角為20，齒距為2，前調(diào)角度為30，后調(diào)角度為90，操作形式為手柄式。 第 3 章 新概念汽車座椅的總體設(shè)計 3.1 調(diào)溫器的概述 在我國，生產(chǎn)調(diào)溫座椅的廠商多是代工廠商，沒有自己的自主知識產(chǎn)權(quán)，因此在中國市場沒有座椅調(diào)溫器的類似產(chǎn)品，但各地的研發(fā)人員對于座椅調(diào)溫器有一些研究。 放在座椅內(nèi)的調(diào)溫裝置主要分為兩大類（如圖 3-1）。單向座椅調(diào)溫裝置主要是指，只可以單向加熱或者制冷的調(diào)溫座椅，不可以實現(xiàn)加熱或者制冷之間的切換，由于單向座椅調(diào)溫裝置具有一定的局限性，雙向座椅調(diào)溫裝置主要是指，可以實現(xiàn)制冷制熱之間的自由切換的調(diào)溫座椅。 單向座椅調(diào)溫裝 外置雙向座椅調(diào)溫裝 座椅調(diào)溫裝置 雙向座椅調(diào)溫裝置 內(nèi)置雙向座椅調(diào)溫裝 圖 3-1座椅調(diào)溫裝置的分類 由上圖可知：雙向調(diào)溫座椅按其實現(xiàn)方式又可分為內(nèi)置座椅調(diào)溫裝置和外置座椅調(diào)溫裝置。內(nèi)置座椅調(diào)溫裝置是指在座椅內(nèi)部安裝的調(diào)溫裝置，同時在座椅內(nèi)部完成氣體的溫度調(diào)節(jié)和將氣體送入座椅的全過程。外置座椅調(diào)溫裝置 是指，在座椅外部完成氣體的溫度調(diào)節(jié)并且通過輸入管道將氣體推入座椅內(nèi)部的裝置。 座椅調(diào)溫裝置的工作原理： 風(fēng)扇將氣體導(dǎo)入調(diào)溫裝置 氣流通過風(fēng)道 溫度調(diào)節(jié)裝置將氣流進(jìn)行加熱/制冷 氣流流調(diào)溫裝置，并吹入座椅內(nèi)部的管子 圖 3-2調(diào)溫器原理 由以上分析可得，座椅調(diào)溫裝置原理如圖 3-2 為：當(dāng)駕駛?cè)藛T打開調(diào)溫器，風(fēng)扇將外界氣體倒入調(diào)溫裝置，再通過風(fēng)道將導(dǎo)入調(diào)溫器內(nèi)部的風(fēng)分散均勻，使其均勻的通過溫度調(diào)節(jié)裝置將氣體進(jìn)行加熱或者制冷，最后將加熱或制冷后的氣體吹入座椅內(nèi)部分布的導(dǎo)管中，通過椅面?zhèn)鬟_(dá)給駕駛?cè)藛T。駕駛員可以在制冷、制熱中隨意調(diào)節(jié)，并可調(diào)節(jié)制冷制熱的等級。 座椅調(diào)溫裝置主要的零部件：座椅調(diào)溫裝置中有兩個必不可少的電器元件：風(fēng)扇和溫度調(diào)節(jié)裝置調(diào)溫裝置。 1.風(fēng)扇 風(fēng)扇主要包括：散熱風(fēng)扇、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)扇、混流風(fēng)扇、貫流式風(fēng)扇。風(fēng)扇的主要作用是將外界氣體倒入調(diào)溫裝置，再通過風(fēng)道將導(dǎo)入調(diào)溫器內(nèi)部的風(fēng)分散均勻使其均勻的通過溫度調(diào)節(jié)裝置將氣體進(jìn)行加熱或者制冷。 2.溫度調(diào)節(jié)裝置 座椅調(diào)溫裝置包括兩個部分的內(nèi)容，分別為半導(dǎo)體制冷/制熱片以及散熱片兩個部分，半導(dǎo)體制冷/制熱片又稱珀爾貼，是一種熱泵，是利用半導(dǎo)體的珀爾貼效應(yīng)，通電后半導(dǎo)體制冷/制熱片一面制冷與其對應(yīng)的一面制熱，半導(dǎo)體制冷/制熱片的一面為需要面另一面為廢棄面。它沒有滑動部件、應(yīng)用部首空間限制、可靠性高、安全無污染等優(yōu)點。 (1)半導(dǎo)體制冷/制熱片原理[21,22] 珀爾貼的具體原理如下：圖 3-3為是一個單片的制冷片，它由兩片陶瓷片組成，其中間有 N 型和 P 型的半導(dǎo)體材料（碲化鉍），半導(dǎo)體元件用串聯(lián)形式在電路上連結(jié)組成當(dāng)一塊 N 型半導(dǎo)體材料和一塊 P 型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對。電路接通直流電流后，隨即產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由 N 型元件流向 P 型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由 P 型元件流向 N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料 N、P 的元件對數(shù)來決定。 N P P N A 陶瓷片 半導(dǎo)體 導(dǎo)體 B 陶瓷片 圖 3-3 珀爾貼原理圖 根據(jù)前面的分析，汽車調(diào)溫座椅應(yīng)當(dāng)有兩部分構(gòu)成：調(diào)溫器和座椅，調(diào)溫器置于座椅靠墊和座椅內(nèi)部，調(diào)溫器將空氣進(jìn)行制冷或制熱，制冷或制熱過的空氣通過管道送入座椅內(nèi)部。 該調(diào)溫裝置如圖3-4包括有：301入口、302-上層散熱片、303-氣流出口、305-廢氣出口、310-風(fēng)道、311-風(fēng)扇、312-隔熱片、313 導(dǎo)風(fēng)片。 圖 3-4調(diào)溫器設(shè)計方案 1 俯視圖 3.2座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計 （1）高度調(diào)整機構(gòu) 高度調(diào)整機構(gòu)是調(diào)整座椅在車廂內(nèi)垂直位置上下移動的機構(gòu)，有機械調(diào)整機構(gòu)、可控空氣彈簧調(diào)整機構(gòu)、氣動調(diào)整機構(gòu)和電動調(diào)整機構(gòu)等。高度調(diào)整的范圍應(yīng)根據(jù)人機工程學(xué)原理，以能滿足大部分人群的使用要求為目標(biāo)進(jìn)行確定，一般調(diào)整范圍為0～100 mm 。 高度調(diào)節(jié)機構(gòu)主要由一套鉸接桿件和調(diào)整螺桿組成，當(dāng)高度調(diào)節(jié)機構(gòu)下端和上端分別固定在底座側(cè)板與軌道上時，鉸接的桿件便與底座側(cè)板、軌道呵調(diào)整螺桿組成了上下兩個等腰梯形，具有穩(wěn)定的整體性，防止其自由變形。如圖3.4降機構(gòu) 圖3.4高度調(diào)節(jié)示意圖 其中，鉸接桿件 2 與調(diào)整螺桿連接部分為光滑通孔，與調(diào)整螺桿無螺 紋一端相接合，在調(diào)整螺桿有螺紋部分與連接桿件 2 的接觸處，焊有有固定螺母，將鉸接桿件 2 固定在調(diào)整螺桿有螺紋處和無螺紋處的中間，限制其沿調(diào)整螺桿軸向的自由度。鉸接桿件 1 與調(diào)整螺桿連接部分為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，與調(diào)整螺桿的外螺紋相連接，當(dāng)調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)動時，鉸接 桿件1會沿調(diào)整螺桿軸向移動，改變鉸接桿件上下桿與調(diào)整螺桿的角度，從而使底座得到垂直方向的的位移改變。如圖3.5 調(diào)整過程中高度調(diào)節(jié)機構(gòu)主調(diào)整一側(cè)的垂直方向位移改變會通過座椅左右 兩側(cè)鉸接桿件間的前后桿，帶動另一側(cè)的鉸接機構(gòu)產(chǎn)生垂直位移，達(dá)到底座在垂直方向位移整體改變的目的。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)鉸接桿件部分材料為 45 鋼。 圖3.5連接圖 （2）滑道 滑道是調(diào)整座椅在車廂縱向水平位置前后位移的機構(gòu)，有單鎖止滑道和雙鎖止滑道之分，滑道的選用一般根據(jù)鎖止強度確定。例如：當(dāng)安全帶固定點不在座椅上時，一般選用單鎖止滑道；當(dāng)安全帶固定點在座椅上時，選用雙鎖止滑道或加強雙鎖止滑道?；牢灰频某叽缂醋吻昂笳{(diào)整的距離需根據(jù)相應(yīng)人體尺寸和人機工程學(xué)原理確定，一般前后調(diào)整距離為0～ 100 mm 。本設(shè)計中采用的的是雙鎖止滑道，調(diào)整距離為0～ 100 mm。 （3）調(diào)角器 調(diào)角器是對靠背、座墊夾角進(jìn)行調(diào)整和鎖止的機構(gòu)。鎖止強度必須能滿足GB 15083-1994《汽車座椅系統(tǒng)強度要求及實驗方法》的規(guī)定。調(diào)角器分為機械調(diào)角器和電動調(diào)角器，機械調(diào)角器又包括機械板式調(diào)角器、機械桿式調(diào)角器、雙聯(lián)動調(diào)角器等。機械板式調(diào)角器一般是采用棘輪棘爪或齒條齒板工作原理及板簧式復(fù)位結(jié)構(gòu)，最大能夠?qū)崿F(xiàn)180范圍有級調(diào)節(jié)及折疊，適用于各類汽車駕駛員座椅。機械桿式調(diào)角器由可控氣彈簧和連接件組成，適用于大客車乘客座椅。雙聯(lián)動調(diào)角器是指左右兩套調(diào)整鎖止機構(gòu)在一套調(diào)整機構(gòu)控制下同時動作，同時鎖止，具有鎖止強度高等優(yōu)點，適用于各類載重汽車駕駛員座椅。電動調(diào)角器一般采用齒差行星齒輪傳動原理或齒差雙聯(lián)擺線針輪行星齒輪傳動原理，具有傳動平穩(wěn)、強度高、調(diào)解范圍大等優(yōu)點，適用于高檔汽車駕駛員座椅。本設(shè)計中采用的調(diào)角器為機械板式調(diào)角器，其結(jié)構(gòu)如下圖3.3所示。 第4章 座椅部件設(shè)計 4.1 板簧的設(shè)計 板簧是控制座椅靠背自動回位的重要部件。座椅調(diào)角器板簧，由板條繞制而成，板條的橫截面呈圓弧形，如圖5.1。65Mn彈簧鋼，錳提高淬透性，φ12mm的鋼材油中可以淬透，表面脫碳傾向比硅鋼小，經(jīng)熱處理后的綜合力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，但有過熱敏感性和回火脆性。用作小尺寸各種扁、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發(fā)條，也可制作彈簧環(huán)、氣門簧、離合器簧片、剎車彈簧及冷拔鋼絲冷卷螺旋彈簧。65mn 強度.硬度.彈性和淬透性均比65號鋼高，具有過熱敏感性和回火脆性傾向，水淬有形成裂紋傾向。退火態(tài)可切削性尚可，冷變形塑性低，焊接性差。 受中等載荷的板彈簧，直徑達(dá)7-20mm的螺旋彈簧及彈簧墊圈.彈簧環(huán)。因此，板簧的材料選用65Mn彈簧鋼。 抗拉強度 σb (MPa)：≥980(100) 　　 屈服強度 σs (MPa)：≥784(80) 　　 伸長率 δ10 (％)：≥8 　　 斷面收縮率 ψ (％)：≥30 硬度 ：熱軋,≤302HB;冷拉+熱處理,≤321HB 4.2 齒板與調(diào)角器手柄的設(shè)計 齒板是連接手柄、板簧、平衡彈簧的重要部件如圖4.4。齒板的材料選用45號鋼。 圖4.4 齒板 手柄是調(diào)節(jié)調(diào)角器的重要零件如圖4.5。手柄材料選用45號鋼。 圖4.5 手柄 熱處理:推薦熱處理溫度：正火850，淬火840，回火600 45號鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼 ,硬度不高易切削加工,模具中常用來做 模板,梢子,導(dǎo)柱等,但須熱處理。45號鋼不要采用滲碳淬火的熱處理工藝。 　　調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨?？捎谜{(diào)質(zhì)＋表面淬火提高零件表面硬度。 4.3滑軌的設(shè)計 滑軌的材料選擇ST12， ST12是普通冷軋剛，ST13沖壓級冷作剛，ST14是深拉伸級的。 滑軌分為上滑軌和下滑軌兩部分，如圖4.6為上滑軌，圖4.7為下滑軌。ST12：表示為最普通的鋼號，與q195、SPCC、DC01牌號材質(zhì)基本相同 ST12力學(xué)性能：屈服強度a MPa≤280;抗拉強度 MPa≤270～410;斷后伸長率（L0=80mm，b=20mm）％≥28 圖4.6 上滑軌示意圖 　　冷軋鋼是我們最常見和最常用的冷軋產(chǎn)品。其牌號一般可分為：ST12，ST13，ST14，ST25，ST16等；機械性能：其是最普通的，最基礎(chǔ)的鋼號，原則上（鋼廠規(guī)定）只能折彎，成形，不允許沖壓。 　　冷軋板帶用途很廣，如汽車制造、電氣產(chǎn)品、機車車輛、航空、精密儀表、食品罐頭等。 　　ST12成分：碳(C)≤0.10,錳(Mn)≤0.50,磷(P)≤0.035,硫(S)≤0.035,Alt a≥0.020 圖4.7 下滑軌示意圖 第5章 座椅骨架的強度校核 5.1 有限元算法在汽車座椅安全性研究中的應(yīng)用 座椅安全性設(shè)計的研究手段有很多。初期人們在試驗室中利用座椅靜態(tài)特性試驗、臺車碰撞試驗等方法模擬各種工況，雖然取得了巨大的成功，但是耗資巨大、耗時較長以至于每一次修改設(shè)計的周期都很長。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元算法逐漸運用到了汽車座椅安全性的研究中。 汽車座椅骨架屬于空間桿系結(jié)構(gòu)。對于駕駛員座椅，由于裝有各種調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是非對稱的；同時，汽車在行駛過程中，座椅上承受著復(fù)雜的載荷，結(jié)構(gòu)的各個桿件既受彎曲又受扭轉(zhuǎn)。對于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，運用有限元法進(jìn)行力學(xué)分析具有明顯的優(yōu)越性。早期的汽車座椅骨架大都采用簡單的鋼管結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計人員最早采用空間梁單元進(jìn)行強度分析。受硬件設(shè)備與軟件水平的限制，當(dāng)時的座椅有限元模型都比較簡單，單元和節(jié)點數(shù)目較少。隨著座椅結(jié)構(gòu)形式的不斷變化，單純用梁單元已不足以精確地描述座椅骨架的結(jié)構(gòu)，于是，設(shè)計人員越來越多地使用了其他的單元形式建模，如空間板殼單元、實體單元等。 隨著人們對安全性要求的不斷提高，沖擊載荷作用下座椅的強度問題越來越受到人們的重視。碰撞試驗是進(jìn)行座椅安全性研究最早采用的方法，但是碰撞試驗費用的昂貴和耗費時間，使每一次修改設(shè)計的周期變得很長。于是，人們轉(zhuǎn)向另外一條研究座椅安全性的途徑——模擬計算方法，隨著計算機模擬計算的應(yīng)用和發(fā)展，它的優(yōu)點逐漸展現(xiàn)出來。例如在方案設(shè)計階段就可以對座椅的沖擊強度特性有一個基本的認(rèn)識，避免低劣的方案投入設(shè)計和開發(fā)；計算所得的詳細(xì)數(shù)據(jù)，可以反映出每一細(xì)微部分的變形過程，為設(shè)計人員提供更詳細(xì)的資料，這是碰撞試驗無法做到的。 5.2 轎車座椅的強度要求 汽車座椅的強度特性是影響座椅安全性的主要因素。汽車座椅強度直接關(guān)系到座椅的安全性，是座椅安全性設(shè)計的首要內(nèi)容。汽車行駛中，座椅要承受復(fù)雜的載荷，汽車座椅必須有足夠的強度，以確保座椅上的人所受的傷害最小;座椅的壽命應(yīng)該足夠長，不至于過早變形或損壞;受沖擊載荷作用時，座椅不應(yīng)發(fā)生斷裂、嚴(yán)重變形等損壞現(xiàn)象。從座椅所受載荷的形式上分，汽車座椅的強度可分為座椅的靜強度，沖擊強度和疲勞強度。座椅靜強度特性直接影響座椅的安全性和乘坐舒適性，是座椅設(shè)計中的重要問題。在靜態(tài)載荷作用下，座椅軟墊對強度特性的影響很小，因此座椅的靜強度特性主要是針對座椅骨架而言的。 5.2.1 座椅的靜強度 為了確保汽車的安全，世界各國都制定了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)。 ⑴座椅總成靜強度法規(guī)： 美國 FMVSS-207 對座椅總成靜強度規(guī)定，在座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后，施加 20 倍座椅總成質(zhì)量的載荷，座椅應(yīng)能承受以上載荷。在歐洲 ECE-R17中對座椅總成靜強度的規(guī)定與之類似。我國 GB15083-1994 汽車座椅系統(tǒng)強度要求及實驗方法》中對座椅總成靜強度也作了類似規(guī)定，要求在座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后對其施加 20倍座椅總成質(zhì)量的載荷，座椅及固定點應(yīng)能承受以上載荷，座椅不得與車體分離。對于可調(diào)式座椅，調(diào)節(jié)裝置應(yīng)能使座椅保持原調(diào)節(jié)位置，在試驗后允許失去調(diào)節(jié)功能。 ⑵座椅靠背靜強度法規(guī)： 在 FMVSS-207 法規(guī)中對靠背靜強度規(guī)定，對座椅靠背施加相對于座椅參考點 R 點，大小為 372Nm 的載荷時，座椅應(yīng)能承受以上載荷。其它法規(guī)規(guī)定雖然與之有所差別，但中心思想是一致的；在 ECE-R17 中對靠背靜強度的規(guī)定是對座椅靠背施加相對于座 椅參考點 R 點，大小為 530Nm 的載荷，座椅應(yīng)能承受以上載荷，試驗后及試驗中，座椅骨架、座椅固定點及位移系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎖止系統(tǒng)不得失效，我國也根據(jù)本國實際情況，制定了座椅靠背靜強度法規(guī)，在 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 373Nm 的載荷時，座椅應(yīng)能承受以上載荷。座椅及座椅固定點應(yīng)能承受以上載荷；鎖止機構(gòu)不得打開；位移及角調(diào)節(jié)機構(gòu)不得松脫。 5.2.2 座椅的沖擊強度 座椅的沖擊強度是隨著安全性研究的開展而逐漸受到人們重視的，它的主要內(nèi)容是通過實驗和仿真分析相結(jié)合的方法，研究座椅在沖擊載荷作用下的強度特性，使其在碰撞事故中為乘員提供良好的保護(hù)作用。汽車座椅安全性研究始于上世紀(jì)五十年代，美國南加州大學(xué)最早使用志愿者進(jìn)行了低速追尾碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時的低靠背座椅在碰撞事故中不能提供良好的支持，容易導(dǎo)致乘員的頸部損傷。研究人員還發(fā)現(xiàn)，座椅靠背向后的屈服變形有助于保持頭、頸和軀干的對齊，可以降低乘員受傷害的程度，在中等或者高強度的追尾碰撞事故中，柔性靠背不足以為乘員提供有效的保護(hù)，可能會導(dǎo)致靠背破壞，因此需要提高座椅靠背的強度。在近些年的研究中，汽車座椅的安全性研究主要集中在汽車尾部碰撞的乘員保護(hù)上，并逐漸形成了座椅設(shè)計中的柔性設(shè)計和剛性設(shè)計兩種概念。按照上述兩種方法設(shè)計的各種座椅結(jié)構(gòu)形式，在可控的試驗條件下都得到了肯定性的結(jié)論。但這兩種強度設(shè)計概念是針對不同強度的碰撞條件形成的，如何做到各種在條件下保護(hù)作用都能夠兼顧仍然是座椅強度設(shè)計中的重要課題。 5.2.3 座椅的疲勞強度 座椅的疲勞強度分為座墊的疲勞壽命和骨架的疲勞強度兩個部分。座椅的疲勞強度關(guān)乎座椅的安全性舒適性。 PatrickGlance 于 1986 年提出了座椅軟墊的簡化模型，把座墊分成許多個高度與座墊等厚的柱體單元，柱體在承受壓力是不產(chǎn)生橫向變形，柱體之間靠剪應(yīng)力相互 作用。這個模型不但可以用于座墊的強度分析，還可以應(yīng)用于體壓力分布計算。此外，在工程實踐中，人們也嘗試著通過疲勞試驗的方法研究座墊材料的性能，骨架的疲勞強度問題則涉及到可靠性設(shè)計、金屬材料的累積損傷理論等方面的內(nèi)容，一般采取以試驗為主的方法進(jìn)行研究。 5.3結(jié)果分析 通過對轎車座椅有限元模型的靜力分析，在以下方面對其結(jié)果進(jìn)行分析： ⑴靠背結(jié)構(gòu)形式上，在除靠背外其他座椅骨架部件均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的理想前提下，采用兩側(cè)板上橫梁的沖壓殼體結(jié)構(gòu)，其中側(cè)板沖壓殼體厚度為 0.7mm，上橫梁沖壓殼體厚度為 1.4mm，基本可以滿足國際和國內(nèi)法規(guī)對靠背強度的要求。 ⑵材料選擇上，對于靠背骨架，選定的 Q215A 沖壓鋼板在靜力分析中，材料屬性基本滿足相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對座椅骨架強度的要求。座椅靠背骨架所受最大的應(yīng)力約為70MPa左右，滿足材料Q215A的強度要求。 ⑶對靠背骨架施加規(guī)定載荷時，靠背骨架的最大位移量出現(xiàn)在靠背骨架上橫梁處，其位移量約為 0.7mm，靠背骨架沒有出現(xiàn)嚴(yán)重變形，不會影響其強度和使 用性能。 由座椅靠背骨架結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性有限元仿真分析的結(jié)果來看，其整體結(jié)構(gòu)及材 料選擇均基本滿足法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對其強度的要求 小結(jié) 汽車座椅是汽車重要的部件，它嚴(yán)重影響乘員的安全性。通過本次設(shè)計，座椅的的對結(jié)構(gòu)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。此次設(shè)計在傳統(tǒng)座椅設(shè)計的基礎(chǔ)上，有以下幾點改進(jìn)。 （1）選材方面拋棄了傳統(tǒng)座椅中使用的鋼板和鋼管等鋼質(zhì)材料，運用了新型鎂鋁合金材料，大大減輕了座椅的質(zhì)量，這也是今后座椅輕量化的一個研究方向。 （2）通過研究發(fā)現(xiàn)，滑道、調(diào)節(jié)連接板應(yīng)力比較大，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募雍瘛? （3）上框、下框和座盆對整個座椅結(jié)構(gòu)影響較少，合理布置能提供很大的輕量化空間。 （4）本次設(shè)計在力求座椅結(jié)構(gòu)簡單的前提下，使其功能盡可能全面，使其具有前后調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)和后背傾角調(diào)節(jié)的基本功能。 參考文獻(xiàn) [1] 作者:蘇振東,等.國產(chǎn)轎車人性化設(shè)計的市場需求[J]. 汽車工業(yè)研究,2002,11. 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