楊占文　甄良品

摘 要：汽車是人們短途出行的首選方式，其安全性和舒適性已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注。座椅調(diào)角器就是調(diào)節(jié)座椅，保持座椅和汽車穩(wěn)固連接的重要結(jié)構(gòu)，其能夠使座椅和車體保持最佳的角度，在受到外力時也能保證座椅的穩(wěn)定性?？墒怯行┳握{(diào)角器的結(jié)構(gòu)不規(guī)范，在汽車行駛的過程中容易發(fā)生座椅脫落現(xiàn)象，嚴重危害乘客的安全。本文將利用有限元方法對調(diào)角器中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行計算分析，并提出對其結(jié)構(gòu)進行改進的策略，以提高座椅調(diào)角器的使用性能。

關(guān)鍵詞：汽車座椅；調(diào)角器；增加強度；措施

當乘客坐在座椅上時，調(diào)角器需要承受較大的應(yīng)力，當應(yīng)力超過零件的最大荷載時，調(diào)角器結(jié)構(gòu)就會被破壞，座椅也會發(fā)生松動，此時乘客將面臨巨大的安全風(fēng)險。一般來說，造成調(diào)角器失效的原因有兩個：一是調(diào)角器的質(zhì)量不符合標準，所能承受的應(yīng)力較小；二是調(diào)角器的設(shè)計不合理，結(jié)構(gòu)強度不夠。第一點比較容易控制，只要選擇優(yōu)質(zhì)的零件即可，下面將從第二點因素入手，從技術(shù)角度出發(fā)探討提高調(diào)角器結(jié)構(gòu)強度的方法。

1 調(diào)角器的結(jié)構(gòu)

雖然調(diào)角器的尺寸很小，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)角器在結(jié)構(gòu)上包括抱箍、內(nèi)齒輪圈、凸輪軸、固定座、鎖齒板、凸輪和彈性墊圈等。這些都是調(diào)角器中必不可少的零件，每一個部分都有著重要的作用，而調(diào)節(jié)座椅背靠角度主要是由各個結(jié)構(gòu)的共同運動決定的。在座椅背靠角度不變的情況下，鎖齒板和內(nèi)齒輪圈會緊密地嚙合在一起，如果需要調(diào)節(jié)背靠角度，那么就需要轉(zhuǎn)動凸輪軸，在外力的作用下，凸輪軸會帶動凸輪一起轉(zhuǎn)動，那么鎖齒板和內(nèi)齒輪圈就會分離；當調(diào)整到合適的角度后，彈性墊圈會施加給凸輪軸一個作用力，在此力的影響下凸輪會重新轉(zhuǎn)動，帶動鎖齒板和內(nèi)齒輪圈的運動，使二者牢牢嚙合。

從調(diào)角器的工作情況可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)角器在工作時主要受到兩個力，一個是乘客施加的力，另一個是彈性墊圈的作用力，雖然凸輪軸和凸輪在轉(zhuǎn)動，可是他們主要是起到傳遞力的作用，而抱箍是保護和支撐內(nèi)齒輪圈和固定座的結(jié)構(gòu)，由此可以看出調(diào)角器中主要的受力結(jié)構(gòu)為固定座、鎖齒板和內(nèi)齒輪圈，因此，它們是最容易損壞的部位，也是改善調(diào)角器性能的切入點。下面將為固定座、鎖齒板和內(nèi)齒輪圈這三個部分建立有限元模型，并對其受力情況進行計算分析。

2 調(diào)角器有限元模型

通過對調(diào)角器進行多次的受力實驗，發(fā)現(xiàn)其固定座、鎖齒板和內(nèi)齒輪圈在實驗中經(jīng)常發(fā)生不同程度的損壞，且損壞次數(shù)比較多，同時其他結(jié)構(gòu)仍然保持完好，這驗證了上文的觀點，證明該觀點具有科學(xué)性。接下來就應(yīng)該建立有限元分析模型。為保證有限元計算結(jié)果的精度，選用六面體單元輔以少量五面體單元，嚙合齒的齒高為0.7mm，為保證齒形的連續(xù)性在嚙合部位單元的尺寸選取0.1mm。為減小有限元模型的規(guī)模同時保證計算精度，鎖齒板和內(nèi)齒圈其他部位的單元尺寸選取0.5mm。固定座單元尺寸選取1.5mm。鎖齒板和內(nèi)齒圈、固定座之間定義接觸，計算齒接觸和彎曲應(yīng)力。固定座、內(nèi)齒圈和鎖齒板的材料均為鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。但是固定座選用的是45鋼，屈服強度為335MPa；內(nèi)齒圈和鎖齒板為合金鋼，屈服強度為820MPa。以上就是座椅調(diào)角器有限元分析模型的具體參數(shù)，在確定所有數(shù)據(jù)都符合實驗要求后，對其進行求解。

3 有限元分析結(jié)果

通過求解可以得到鎖齒板的最大應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，其中，一號鎖齒板的最大應(yīng)力為611.6MPa，最大接觸應(yīng)力為591.5MPa，最大剪應(yīng)力為375.7MPa；二號鎖齒板的最大應(yīng)力為612MPa，最大接觸應(yīng)力為513.7MPa，最大剪應(yīng)力為348.7MPa；三號鎖齒板的最大應(yīng)力為613.2MPa，最大接觸應(yīng)力為596.6MPa，最大剪應(yīng)力為319.4MPa。

由計算結(jié)果可以看出，三個鎖齒板的最大應(yīng)力比較接近，而且鎖齒板和內(nèi)齒輪圈在轉(zhuǎn)動時承受最大應(yīng)力的是發(fā)生接觸作用的齒，如果外力過大，齒受力超過了屈服強度，那么零件就會發(fā)生損壞。在齒板和內(nèi)齒輪圈嚙合部位，齒板兩側(cè)的齒應(yīng)力較大，中間部位齒的應(yīng)力較小。這是由于齒板與固定座凸臺的高度不同，在嚙合時齒板會受其阻擋，導(dǎo)致位移受限，所以才會發(fā)生該類現(xiàn)象。值得注意的是，該計算結(jié)果考慮的是理想情況，也就是零件制造和裝配不存在誤差，此時三個齒板同時均勻的承擔(dān)應(yīng)力，零件不會因受力過大而變形。在實際的生產(chǎn)中，調(diào)角器的制造或裝配偶爾會出現(xiàn)問題，導(dǎo)致受力發(fā)生偏差，在此情況下某個齒板的受力會遠遠超過另外兩個，那么該齒板就會發(fā)生損壞，從而引發(fā)安全事故。因此，對調(diào)角器的結(jié)構(gòu)進行改進是十分必要的。

4 結(jié)構(gòu)改進

通過分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)角器失效的主要原因為制造工藝不佳和調(diào)角器自身的結(jié)構(gòu)存在偏差，主要體現(xiàn)就是調(diào)角器的各個零部件無法協(xié)調(diào)作用，在轉(zhuǎn)動時受力不均，因局部受力過大造成零件損壞。為了提高調(diào)角器的性能，可以改良制造工藝，按照行業(yè)標準嚴格操作，并加強監(jiān)督管理，杜絕粗制濫造現(xiàn)象的發(fā)生。在結(jié)構(gòu)方面，則要調(diào)整鎖齒板的厚度和固定座凸臺的高度，使鎖齒板與固定座凸臺保持在同一水平線上。為了保證鎖齒板在轉(zhuǎn)動時各個齒的受力均勻，可以減少鎖齒板的翻轉(zhuǎn)或縮小齒間的摩擦力，從而減小齒的接觸應(yīng)力。

將鎖齒板的結(jié)構(gòu)按照上述方法調(diào)整后重新進行實驗，發(fā)現(xiàn)改進后的鎖齒板的最大應(yīng)力有了明顯的減少，僅為447.2MPa，比原來減少了166MPa，而且鎖齒板在轉(zhuǎn)動時齒的受力也更加均勻，局部應(yīng)力遠遠小于結(jié)構(gòu)調(diào)整之前，說明這種改進方法是十分有效的。

5 小結(jié)

由于調(diào)角器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體積小，不利于直接觀察和測量，本文為調(diào)角器的主要受力結(jié)構(gòu)固定座、鎖齒板和內(nèi)齒輪圈建立了有限元模型，并通過計算分析得出該調(diào)角器在結(jié)構(gòu)上的缺陷，從而得出改進措施：只需使鎖齒板與固定座凸臺高度保持一致，同時減少鎖齒板的偏轉(zhuǎn)，那么就會使鎖齒板的受力趨于均勻，不會輕易發(fā)生損壞。這種改進方法經(jīng)過測試具備很高的實用價值，而且易于操作，符合經(jīng)濟性，可以有效解決目前調(diào)角器性能不佳的問題。

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