汽車兒童安全座椅調(diào)角器設(shè)計(jì)及有限元分析

徐肖

摘 要：本文結(jié)合市面上汽車兒童安全座椅調(diào)角器的優(yōu)缺點(diǎn)對調(diào)角器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并采用CATIA軟件對所設(shè)計(jì)的調(diào)角器建模。為了驗(yàn)證強(qiáng)度和材料可靠性，利用ANSYS Workbench軟件對調(diào)角器進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真分析。分析結(jié)果表明：汽車安全座椅反向安裝情況下，汽車發(fā)生正面碰撞，所設(shè)計(jì)的調(diào)角器未超過材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)不會被破壞，符合設(shè)計(jì)要求，能夠保護(hù)兒童的安全。

關(guān)鍵詞：調(diào)角器;建模;有限元分析;等效應(yīng)力

中圖分類號：U491.61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

目前私家車普及率很高，家長一般會在汽車座椅上安裝汽車兒童安全座椅來約束孩子，以確保孩子安全。然而市面上的很多汽車兒童安全座椅的靠背角度不能調(diào)節(jié)，與汽車座椅椅背不夠貼合;反向安裝時無法調(diào)整椅背傾斜度，會降低孩子乘坐舒適度。還有一些汽車兒童安全座椅雖然帶有調(diào)整椅背功能，但現(xiàn)有的調(diào)角器結(jié)構(gòu)繁瑣，調(diào)節(jié)時不容易控制力度，可能發(fā)生椅背脫位情況，安全性較差，對孩子身體造成損傷。汽車兒童安全座椅調(diào)角器需要有足夠的強(qiáng)度，當(dāng)汽車發(fā)生事故時不斷裂，而且不發(fā)生較大變形的情況。

1 調(diào)角器設(shè)計(jì)

市面上有的汽車兒童安全座椅應(yīng)用了辦公座椅的調(diào)角器，觸動辦公座椅調(diào)角器的調(diào)節(jié)扳手，人向后躺憑借背部的力量會使靠背傾斜。如果人坐直，椅背角度會在彈簧的推動下回位。但是不可以把辦公座椅調(diào)角器直接用于汽車兒童安全座椅，原因是調(diào)椅背角度時稍不注意，椅背在彈簧的推動下回位，力量很大，容易使孩子脆弱的骨骼造成損傷。

因此，需要研制專門用于汽車兒童安全座椅上的調(diào)角器，來滿足兒童不同的姿勢需要，椅背能在90至180度之間調(diào)整;乘客不小心碰到調(diào)角器解鎖器或汽車出事故時能避免座椅靠背傾倒;操作方便省力。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種兒童安全座椅調(diào)角器，包括以下零部件：1、下片;2、上片;3、上蓋;4、軸承;5、解鎖塊;6、彈簧;7、扳手;8、定位塊;9、螺釘。調(diào)角器外觀及其解鎖機(jī)構(gòu)如圖1、圖2。

結(jié)合圖2說明汽車兒童安全座椅調(diào)角器的工作原理：圖2調(diào)角器處在鎖止?fàn)顟B(tài)，在調(diào)整椅背角度時，把解鎖塊向外拔出，解鎖塊跟下片上的擋板分離，這時轉(zhuǎn)動鎖塊60度，定位塊在彈簧的推動下朝著中心平移，上片上的齒和定位塊上的齒分開，此時上片自由，把椅背調(diào)整到需要的角度后，反向轉(zhuǎn)動解鎖塊到原位置，定位塊朝著遠(yuǎn)離中心的方向平移，定位塊上的齒與上片上的齒咬合，將解鎖塊推回，此時上片定位，完成汽車兒童安全座椅靠背角度調(diào)節(jié)操作。

2 調(diào)角器有限元模型建立

2.1 有限元模型處理

對調(diào)角器進(jìn)行簡化來減少有限元分析時間，例如去掉一些小孔，小倒角和不承受載荷的零件[1]，將簡化后的調(diào)角器模型保存成stp格式，并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench進(jìn)行有限元模型的建立。

對有限元模型進(jìn)行材料定義，調(diào)角器的材料采用45鋼，其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269，密度為7 890 kg/m3，屈服強(qiáng)度為355 MPa。

ANSYS Workbench系統(tǒng)會自動產(chǎn)生接觸對，對所有系統(tǒng)自動產(chǎn)生的接觸對進(jìn)行排查，并將錯誤接觸對進(jìn)行調(diào)整，建立模型的接觸約束。

本文使用ANSYS Workbench中的自動網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格生成[2]，網(wǎng)格自動劃分完成后，再對孔面、孔的周圍、圓弧等關(guān)鍵位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。最后得到網(wǎng)格劃分完成的調(diào)角器模型，具有165 287個節(jié)點(diǎn)，69 215個單元。調(diào)角器網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 載荷計(jì)算

汽車兒童安全座椅調(diào)角器一般是在正面車禍中損壞，因此選擇正面碰撞的情況進(jìn)行有限元求解[3]。本文研究的是汽車兒童安全座椅反向安裝時調(diào)角器的強(qiáng)度分析，一般3歲以下兒童需要反向安裝，所以選取3歲兒童的參數(shù)進(jìn)行仿真分析，質(zhì)量為15 kg。如果汽車發(fā)生正面碰撞事故突然減速時，汽車兒童安全座椅調(diào)角器所受力來自于兒童和安全座椅靠背所受慣性力的總和。調(diào)角器適用的汽車兒童安全座椅靠背質(zhì)量大約為2 kg。根據(jù)GB27887-2011機(jī)動車兒童乘員約束系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)可知，發(fā)生正面碰撞事故時孩子的加速度是28g，g是標(biāo)準(zhǔn)重力加速度[4]。

汽車兒童安全座椅椅背和兒童受到的慣性力總和為：

F=（m1+m2）×28g （1）

式中，F(xiàn)為慣性力，m1為兒童質(zhì)量;m2為汽車兒童安全座椅椅背質(zhì)量;g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。

經(jīng)計(jì)算，汽車兒童安全座椅椅背和兒童受到的慣性力總和為4 665 N，這個力作用在兩側(cè)對稱布置的兩個調(diào)角器上，所以每個調(diào)角器受力為2 333 N。

3 調(diào)角器有限元求解

將2 333 N水平方向的力作用在上片的孔上，調(diào)角器下片上的兩個孔調(diào)整成固定約束[5]。經(jīng)軟件計(jì)算得到調(diào)角器的等效應(yīng)力云圖，見圖4。

由調(diào)角器等效應(yīng)力云圖得到，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上片與鎖止塊接觸處，大小是194.43 MPa。調(diào)角器選用45鋼，屈服強(qiáng)度355 MPa，最大應(yīng)力沒有超出屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了汽車兒童安全座椅調(diào)角器，為驗(yàn)證強(qiáng)度和材料可靠性，對其進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。綜合仿真得出的等效應(yīng)力云圖可知，調(diào)角器最大應(yīng)力沒有超出屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求，能夠保護(hù)兒童的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]浦廣益.ANSYS Workbench12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解（第二版）[M].中國水利水電出版社，2013.

[2]買買提明·艾尼，陳華磊.ANSYS Workbench 14.0仿真技術(shù)與工程實(shí)踐[M].清華大學(xué)出版社，2013.

[3]呂金美.可調(diào)節(jié)兒童安全座椅的開發(fā)設(shè)計(jì)[D].煙臺大學(xué)，2014.

[4]GB27887-2011 機(jī)動車兒童乘員約束系統(tǒng)[S].

[5]閆石林，劉慧玲.基于ANSYS Workbench的銷軌輪靜力學(xué)仿真分析[J].煤炭技術(shù)，2015，34（04）：312-314.