汽車(chē)座椅手動(dòng)調(diào)角器卷簧設(shè)計(jì)研究

戰(zhàn)磊,陳麗潔

(長(zhǎng)春富維安道拓汽車(chē)飾件系統(tǒng)有限公司，吉林長(zhǎng)春 130033)

0 引言

汽車(chē)座椅是汽車(chē)上人體軀干直接接觸的唯一零部件，它不僅需要保護(hù)乘員安全和支撐人體重力，同時(shí)還需滿足乘坐的舒適性和功能性。為滿足不同體型乘員的乘坐和駕駛舒適性，汽車(chē)前排座椅通常會(huì)設(shè)置靠背角度調(diào)節(jié)和座椅前后調(diào)節(jié)等基本功能。對(duì)于手動(dòng)調(diào)節(jié)汽車(chē)座椅，靠背角度調(diào)節(jié)采用調(diào)角器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，調(diào)角器上都需要安裝一個(gè)平面渦卷彈簧：一方面，保證座椅靠背在進(jìn)行角度調(diào)節(jié)時(shí)能夠克服靠背重力，使得座椅靠背實(shí)現(xiàn)向前回彈；另一方面，能夠平衡部分靠背重力，使其在向前回彈時(shí)，保證一定的回彈速度，不至于出現(xiàn)座椅靠背快速回彈引起的乘員傷害問(wèn)題。

對(duì)于平面渦卷彈簧，機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994[1]中已經(jīng)給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法與步驟。然而，為保證所設(shè)計(jì)的渦卷彈簧能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用，大多數(shù)汽車(chē)座椅制造公司會(huì)借助計(jì)算軟件或者CAE仿真模擬的方法進(jìn)行汽車(chē)座椅調(diào)角器卷簧設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[2-4]。除此之外，一些零件制造商也會(huì)采用試錯(cuò)法進(jìn)行渦卷彈簧設(shè)計(jì)，即先利用自動(dòng)卷簧機(jī)進(jìn)行樣品試制，隨后進(jìn)行物理測(cè)試以驗(yàn)證卷簧設(shè)計(jì)能否滿足使用要求[5]。無(wú)論應(yīng)用計(jì)算軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)還是試錯(cuò)法，均需要一定的花費(fèi)，也會(huì)延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。

本文作者依據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994[1]，對(duì)汽車(chē)座椅手動(dòng)調(diào)角器卷簧的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，嘗試找出適合汽車(chē)座椅調(diào)角器卷簧設(shè)計(jì)的手工計(jì)算方法，并對(duì)適合渦卷彈簧設(shè)計(jì)的材料進(jìn)行了研究。通過(guò)研究，對(duì)調(diào)角器卷簧的設(shè)計(jì)及材料選擇起到一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.1 原材料

試驗(yàn)用原材料的化學(xué)成分及生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 原材料信息(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

1.2 材料實(shí)驗(yàn)

材料拉伸實(shí)驗(yàn)在美國(guó)Instron公司5585型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM E8、A370。材料硬度檢測(cè)在美國(guó)Instron公司S2000型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行，硬度試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18。材料金相組織檢測(cè)采用Leica MZ12型顯微鏡進(jìn)行，金相檢測(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM E3、E407。

1.3 耐久實(shí)驗(yàn)

采用上述原材料制作成卷簧，隨后按照標(biāo)準(zhǔn)JA_6800-HL-2，在時(shí)代集團(tuán)TNS-W試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐久試驗(yàn)，具體步驟如下：

試驗(yàn)1，調(diào)角器解鎖，最后位置到最前位置，重復(fù)500個(gè)循環(huán)；

試驗(yàn)2，最前位置調(diào)節(jié)到最后位置，鎖止靠背；再將靠背從最后位置調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)位置鎖止靠背，重復(fù)操作2 000個(gè)循環(huán)；

試驗(yàn)3，最前位置調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)位置，鎖止靠背，重復(fù)操作2 000個(gè)循環(huán)。

耐久試驗(yàn)按照J(rèn)A 6800標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

(1)完成600個(gè)循環(huán)后，不允許出現(xiàn)異常噪聲；

(2)在每個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，在試?yàn)完成1/3后，調(diào)節(jié)裝置最大尺寸松馳度不超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的130%。

耐久試驗(yàn)前、后均對(duì)卷簧扭轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 渦卷彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 正向計(jì)算

對(duì)于汽車(chē)座椅，為確保使用過(guò)程中不出現(xiàn)噪聲問(wèn)題，調(diào)角器卷簧材料之間應(yīng)避免相互接觸；另一方面，卷簧的外端需要安裝在座椅靠背骨架上，隨著靠背前后調(diào)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，卷簧內(nèi)端則需要固定在座椅骨架上。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994[1]中的描述，卷簧類(lèi)型可以被確定為非接觸型外端回轉(zhuǎn)類(lèi)平面渦卷彈簧。

在進(jìn)行調(diào)角器卷簧參數(shù)正向計(jì)算時(shí)，有部分參數(shù)是確定的，包含：卷簧承受的轉(zhuǎn)矩T，卷簧變形角ψ，允許安裝的材料寬度b、卷簧的使用壽命ζ及卷簧的系數(shù)K1、K2。根據(jù)某轎車(chē)前排座椅調(diào)角器的工作需求，表2給出了以上參數(shù)的具體數(shù)值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994中非接觸型平面渦卷彈簧的設(shè)計(jì)要求和表1中所列出的已知條件，卷簧材料選用I級(jí)彈簧鋼帶?？梢赃x用的常用材料有65Mn、50CrVA和60Si2Mn三種。具體的材料要求是：熱處理后，材料硬度為40～48HRC，抗拉強(qiáng)度σb=1 275～1 600 MPa，其許用應(yīng)力可計(jì)算為[σ]=0.6σb=765～960 MPa，為方便后續(xù)計(jì)算，取[σ]=960 MPa。

表2 卷簧確定的參數(shù)

依據(jù)公式(1)—(6)，則可以計(jì)算出卷簧的主要參數(shù)：

(1)

(2)

R1=(8～15)h

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：h為卷簧材料厚度；L為卷簧工作長(zhǎng)度；R1為卷簧內(nèi)半徑；R為卷簧外半徑；T為卷簧節(jié)距；n0為卷簧自由狀態(tài)下的圈數(shù)。

將已知條件代入公式(1)—(6)，可以計(jì)算獲得卷簧的主要參數(shù)，如表3所示。

表3 正向計(jì)算卷簧主要參數(shù)

可以看出：按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994中非接觸型卷簧的設(shè)計(jì)方法[公式(1)—(6)順序進(jìn)行計(jì)算]正向計(jì)算出的調(diào)角器卷簧，其材料長(zhǎng)度L、卷簧內(nèi)徑R1和外徑R、卷簧節(jié)距t等關(guān)鍵尺寸已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出汽車(chē)座椅零件的安裝需求，不符合座椅設(shè)計(jì)要求。因此，完全按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994進(jìn)行正向順序計(jì)算，不適合汽車(chē)座椅調(diào)角器卷簧的設(shè)計(jì)。

2.1.2 反向計(jì)算

為了設(shè)計(jì)出在安裝和性能上均滿足汽車(chē)座椅調(diào)角器需求的卷簧，根據(jù)整椅安裝尺寸的要求，先分別對(duì)卷簧材料厚度和節(jié)距進(jìn)行限制，即：材料厚度h設(shè)計(jì)為3.2、3.5、4.0、4.5和5 mm，節(jié)距均為t=5 mm?？筛鶕?jù)公式(2)、(7)對(duì)參數(shù)L和材料的需用應(yīng)力[σ]進(jìn)行計(jì)算

(7)

其中：[σ]為卷簧材料許用應(yīng)力；K2為卷簧系數(shù)；b為卷簧材料寬度。

圖1為不同材料厚度與卷簧基本尺寸以及材料需要的許用應(yīng)力[σ]之間關(guān)系曲線?？梢钥闯觯涸谠O(shè)定的條件下，當(dāng)卷簧材料厚度h≤4.5 mm時(shí)，材料的許用應(yīng)力[σ]≥1 200 MPa，按照[σ]=0.6σb，則材料抗拉強(qiáng)度σb≥2 000 MPa，在JB/T 7366-1994標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)法找到相應(yīng)強(qiáng)度的材料。因此，當(dāng)卷簧尺寸參數(shù)確定時(shí)，應(yīng)盡量選擇厚度h>4.5 mm的材料；除了材料厚度h，卷簧材料寬度b也是影響其設(shè)計(jì)的參數(shù)之一。由于安裝空間的限制，通常需要較薄的材料進(jìn)行卷簧設(shè)計(jì)，以節(jié)省空間，因此，材料厚度h≤4.5 mm時(shí)，在其他卷簧尺寸確定的條件下，增加卷簧寬度b也可實(shí)現(xiàn)卷簧設(shè)計(jì)。圖2為不同厚度材料強(qiáng)度與寬度b間關(guān)系曲線?？梢钥闯觯寒?dāng)材料厚度h一定時(shí)，材料強(qiáng)度值越大，卷簧寬度b值越小。當(dāng)材料強(qiáng)度相同時(shí)，材料厚度h值越大，卷簧寬度值b越小。

圖1 卷簧材料厚度與卷簧尺寸及材料強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖2 不同厚度卷簧材料強(qiáng)度與寬度關(guān)系曲線

以上結(jié)果表明：進(jìn)行調(diào)角器卷簧設(shè)計(jì)，當(dāng)預(yù)先設(shè)定卷簧的部分參數(shù)，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994中非接觸型卷簧的相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，卷簧的尺寸、材料等參數(shù)能夠滿足汽車(chē)座椅調(diào)角器上設(shè)計(jì)需求。

2.2 卷簧材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994中表2和表5[1]，選定65Mn、50CrVA和60Si2Mn三種材料作為汽車(chē)座椅調(diào)角器卷簧設(shè)計(jì)材料。按圖3所示工藝流程進(jìn)行卷簧制造，并對(duì)熱處理前后的材料進(jìn)行了檢測(cè)。熱處理前標(biāo)記為“B”，熱處理后標(biāo)記為“A”。材料金相組織如圖4所示。

圖3 50CrV、60Si2Mn和65Mn材料熱處理工藝流程

圖4 不同材料熱處理前后金相組織

可以看出：3種材料熱處理前均呈現(xiàn)相似的鐵素體與珠光體混雜在一起的組織形貌；熱處理后，材料的金相組織發(fā)生了明顯的變化，轉(zhuǎn)變成為板條狀馬氏體組織；3種材料在熱處理后，微觀組織上也并無(wú)明顯區(qū)別。

隨后，對(duì)3種材料的力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。3種材料在進(jìn)行熱處理之后，力學(xué)性能均有很大程度的提高:硬度基本一致，均能達(dá)到45HRC;50CrV和65Mn材料強(qiáng)度值比較接近，抗拉強(qiáng)度為1 400 MPa左右，屈服強(qiáng)度為1 300 MPa左右;60Si2Mn材料的強(qiáng)度高于其他兩種材料，屈服強(qiáng)度值為1 581 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 720 MPa。根據(jù)第2.1節(jié)中的計(jì)算結(jié)果可知：3種材料熱處理之后，60Si2Mn更適合用于卷簧的設(shè)計(jì)和制造。

表4 熱處理前、后不同材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步確定適用于汽車(chē)座椅調(diào)角器卷簧設(shè)計(jì)的材料，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中所述的簡(jiǎn)易算法和所測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)不同材料疲勞壽命進(jìn)行了估算，結(jié)果如圖5所示。估算的結(jié)果表明：60Si2Mn疲勞壽命高于其他兩種材料，相同條件下，采用60Si2Mn制作的卷簧具有更高的疲勞壽命。

圖5 不同材料計(jì)算S-N曲線

2.3 卷簧測(cè)試

為驗(yàn)證以上結(jié)論，分別采用50CrVA和60Si2Mn兩種材料，按照相同的卷簧尺寸參數(shù)制作了卷簧。在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)兩種卷簧進(jìn)行疲勞耐久實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)前后卷簧的扭轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行了測(cè)量。表5為卷簧不同位置點(diǎn)進(jìn)程和回程扭矩及扭矩衰減率結(jié)果。

表5 不同材料10 000次疲勞實(shí)驗(yàn)前、后回轉(zhuǎn)扭矩對(duì)比

可以看出：進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)后，50CrVA卷簧的進(jìn)程和回程扭矩均出現(xiàn)較大幅度衰減， 60Si2Mn卷簧的扭矩衰減相對(duì)較小，說(shuō)明采用60Si2Mn制作的卷簧更為耐久。此結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了60Si2Mn是設(shè)計(jì)、制造調(diào)角器卷簧的最佳材料。

3 結(jié)論

基于手工計(jì)算的方法，進(jìn)行了汽車(chē)座椅調(diào)角器渦卷彈簧設(shè)計(jì)和材料選擇的研究。結(jié)果表明：

(1)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7366-1994中非接觸型平面渦卷彈簧的正向設(shè)計(jì)方法不適用汽車(chē)座椅調(diào)角器卷簧的設(shè)計(jì)；

(2)根據(jù)安裝空間的尺寸限制，預(yù)先假定一些卷簧參數(shù)，進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)出適合汽車(chē)座椅使用的調(diào)角器卷簧；

(3)通過(guò)對(duì)50CrV、60Si2Mn和65Mn三種卷簧材料的研究，結(jié)果表明：相同設(shè)計(jì)參數(shù)，60Si2Mn材料最適合進(jìn)行調(diào)角器卷簧的設(shè)計(jì)和制造。