在汽車座椅三維建模中將座椅減震裝置簡化為彈簧的分析

郭宇鴻+趙衛國+李淵

摘 要：在重卡汽車座椅豎直方向各項力學分析過程中，減震裝置的三維模型建立工作量大。鑒于此，提出可以忽略座椅減震裝置在水平方向的作用，分析其豎直方向上的性能，通過參數計算，選擇合理的彈簧組件，在一定程度上將減震裝置等效為彈簧組件，從而在不影響仿真效果的同時減少不必要的工作量。

關鍵詞：汽車座椅；三維建模；減震裝置；彈簧

中圖分類號：U463.83+6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.130

隨著社會的發展，汽車在世界各國國民經濟和社會生活中起到越來越重要的作用，它與人們的生活息息相關。對汽車座椅的研究主要通過實體實驗與計算機仿真，在計算機仿真中通常需要建立三維模型，并在此基礎上進行靜力學分析、模態分析等，從而進行座椅的優化設計。在計算機輔助設計的過程中，通常會對構成座椅的一些零件進行選擇性的簡化，以到達減少工作量的目的。本文提出對座椅減震裝置進行等效簡化，通過彈簧組件表達減震裝置的部分功能，并針對等效轉換建立一種數學模型，為之后相關座椅的研究提供方便。

汽車座椅的分類依據一般有4種，分別是根據安裝在車上的位置不同分為前排座椅和后排座椅，根據座椅座位的數量分為單人座椅和多人座椅，根據調節機構的驅動方式可分為手動調節座椅和電動調節座椅，根據功能要求可分為滑動座椅、折疊座椅、翻移式座椅、旋轉座椅、側向座椅等。

一般而言，座椅總成包括頭枕組件、面套組件、靠背骨架組件、靠背海綿組件、調角器組件、坐墊骨架組件、坐墊海綿組件、滑軌組件、塑料裝飾蓋、扶手組件等。

1 等效轉換公式推理

實際的汽車座椅骨架模型由上百個零件組裝而成，在計算機輔助三維建模的過程中，通常需要對汽車座椅骨架模型進行適當簡化，保留靠背骨架、座墊骨架、靠背連接板、座墊連接板、調角器和滑軌等對汽車座椅骨架起主要支撐作用的零部件模型。

首先需要通過實驗確定減震裝置在豎直方向上的彈力的大小，即確定勁度系數k.實驗思路為當不同體重的司機坐在座椅上時，座椅在豎直方向有不同的位移量，將位移量z、座椅質量m與司機體重M代入公式（1）可得到公式（2）：

F=kΔx.

（m+M）g=kz.

不同的重力（m+M）g對應相應的位移量z，通過求差，可得司機重力Mg與位移差Δz，代入式（2）進而可得以下公式：

Mg=kΔz.

則可得：

k=Mg/Δz.

又因為彈簧的勁度系數與彈簧的材料、彈簧絲的粗細、彈簧圈的直徑、單位長度的匝數及彈簧的原長有關，即：

式（5）中：G為線材的剛性模數，N/mm2（即切變模量）；d為線徑，mm，Do=OD=外徑（mm），Dm=MD=中徑=Do-d（mm）；N為總圈數；Nc為有效圈數，Nc=N-2[3].

此外，在模型建立的過程中，可以采用將相同的彈簧進行并聯的方式，則有：

將減震裝置等效代換需要滿足以下公式：

將公式（4）（5）（6）代入公式（7）可得：

一般汽車座椅質量為38 kg，減震行程為30～60 mm，體重調節范圍為40～130 kg，令Mg與Δz對應的一組數據見表1.

擬采用彈簧參數為：線徑3.5 mm，外徑23.5 mm，鋼絲材質為不銹鋼絲，則G=7 300 N/mm2，d=3.5 mm，Do=23.5 mm，Dm=20 mm，令并列彈簧數量為4.可得k=20 N/mm。

令k=k`并=nk`，將k`=5 N/mm代入公式（5），可得：

則Nc=3.42圈，則彈簧圈數應該為5.42.

2 有限元模型仿真實驗

建立仿真模型，彈簧參數設置為：線徑為3.5 mm，外徑為23.5 mm，鋼絲材質為不銹鋼絲，并列彈簧數量為4.令m=38 kg，g=10，分別施加400 N、600 N、800 N、1 000 N、1 200 N的垂直方向均布載荷。

當施加載荷為400 N時，彈簧形變量范圍為16～24 mm；當施加載荷為600 N時，彈簧形變量范圍為24～37 mm；當施加載荷為800 N時，彈簧形變量范圍為32～49 mm；當施加載荷為1 000 N時，彈簧形變量范圍為41～61 mm；當施加載荷為1 200 N時，彈簧形變量范圍為49～74 mm。 通過分析可得表2.

通過對比表1與表2，可以得出結論：仿真結果與理論數據相符。

3 結論

首先通過實驗得出一組Mg與Δz的相應數據，其次確定代替彈簧的種類與型號，就可以得出相應線材的剛性模數、線徑、中徑，分別代入公式（8），最后確定并聯的數量n，這樣即可以確定選用彈簧的圈數。

參考文獻

[1]鐘柳華，孟正華，練朝春.汽車座椅設計與制造[M].北京：國防工業出版社，2015：3-7.

[2]王淑芬，趙旭陽，李玉光.某汽車座椅骨架的動態特性分析[J].機械設計與制造，2015（6）：145-150.