汽車座椅輔助翻轉裝置設計

王俊

(貴州長江汽車有限公司，貴州貴陽 550009)

0 引言

汽車座椅作為汽車內飾的重要組成部分，對駕乘人員提供支撐、定位，并保護人員的安全。作為乘員與整車發生關系的介體，在保證方便進出和駕駛操作的前提下，還應提供駕乘人員預期的可調節性和長途駕駛的舒適感[1]。對于設置有3排座椅的乘用車，由于最后排座椅空間不僅用于乘坐，還用于物品的存放，所以需要對該排座椅進行翻轉調節，使座椅處于乘坐狀態或儲物狀態，為提高座椅使用時的舒適性及操作性，需要設計一些輔助裝置。根據調節機構的驅動方式，汽車座椅可分為手動調節和電動調節座椅(也稱電動座椅)[2]。出于制造成本及使用頻率考慮，文中介紹了汽車后排座椅翻轉輔助裝置的設計流程及思路，并結合相關已知條件，設計出一種輔助翻轉裝置結構供參考。

1 設計條件及要求

1.1 設計條件分析

為使多排座椅(最后排座椅為3座或2座的整體式座椅)布置乘用車輛有更多的儲物空間，將后排座椅設計成可翻轉的，使座椅不僅能滿足乘坐要求，還在需要時，可將座椅翻轉至與地板一個平面(圖1)，保證車輛空間的實時利用效率。

圖1 后排座椅工作位置

由于座椅自身固有的重力特性、座椅相關法規及整車外圍條件的限制，設計的輔助翻轉裝置在滿足相關法規及邊界條件基礎上，需要實現操作者能輕松舒適地對座椅進行翻轉，即要求座椅由圖1所示的狀態6→狀態8及狀態4→狀態8過程中，輔助裝置提供翻轉助力，克服部分重力，減少操作者對座椅作用力，由狀態8→狀態6及狀態8→狀態4過程中，輔助裝置提供阻力，克服部分重力，減緩下落速度。由圖1(b)中座椅重心位置及座椅翻轉過程，可得出圖2座椅重心相對旋轉中心的運動軌跡曲線。

圖2 座椅重心軌跡曲線

設座椅質量為m，結合圖2可得座椅重心相對于旋轉中心力矩為

N=mgLcosα

(1)

式中：L為座椅重心至旋轉中心距離；α為座椅重心和旋轉中心連線與水平面(車身地板)之間的夾角。參照現有一款座椅建模測量，得出相關參數值為L=300 mm、m=30 kg、α∈[45°，195°]，可得式(1)函數曲線如圖3所示。

圖3 重力相對旋轉中心力矩曲線

由圖3及式(1)可得，座椅在狀態6和狀態4的運動過程中，狀態8處力矩為0，狀態6處為前置力矩最大為Nq=62.4 N·m，狀態4前15°處后置力矩最大，為Nmax=88.2 N·m，狀態4處力矩值為Nh=85.2 N·m。

1.2 核心零件分析

基于成本及加工便利性考慮，結合座椅對旋轉中心的力矩關系，擬采用彈性儲能零件來克服重力產生的力矩。結合整車邊界條件，將儲能零件布置在座椅旋轉中心處。

彈簧是常見的機械儲能零件中的一種，為保證座椅翻轉的舒適性，所選用彈簧對旋轉中心產生扭矩需與重力對旋轉中心產生扭矩大小實時相近、方向相反。由于該裝置翻轉角度變化較大，所以宜選擇拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉彈簧或平面渦卷彈簧等運動行程較大的彈簧作為儲能零件。根據幾種彈簧特性，結合相關邊界條件，此次設計選用扭轉彈簧作為彈性儲能零件。要使座椅翻轉可操作性增強，需將彈簧分段設計，并以狀態8為分界點。

1.2.1 前段(狀態6→狀態8)彈簧分析

座椅由圖1中狀態8翻轉至狀態6時需要在前端上鎖，此時重心翻轉運動角度為45°，在解鎖后，彈簧要產生足夠扭矩將座椅微微抬起，為滿足上述條件，彈簧與重力產生扭矩不能過大或過小。又因上鎖力相對于彈簧及重力產生力矩影響非常小，可忽略不計，同時考慮到彈簧的衰減及制作誤差，將彈簧力矩Nt與重力力矩N的平衡點設計至最前角度α+5°(記為θ)，此時彈簧工作角旋轉40°，即：

Ntqp=mgLcosθ=mgLcos(α+5°)

(2)

Ntqp=62.4 N·m

式中：Ntqp為前段彈簧在平衡時產生的扭矩。

座椅在狀態8時，重力相對旋轉中心無扭矩產生，此時彈簧扭矩應為0，考慮彈簧的制作誤差(一般為5%)及彈簧定位機構的制作誤差，且彈簧需要有一定的預緊力，所以在此處設計有一定的彈簧扭矩以吸收制造誤差，根據經驗，設計為平衡扭矩的15%，即約10 N·m。為使座椅在翻轉時，左右側受力均勻，將所需彈簧扭矩由左右兩側均分，即單側彈簧平衡扭矩Ntqp=31.2 N·m，預緊力矩為5 N·m，結合第1.1節可知前段彈簧最大工作扭轉角為αq=45°，后續設計依照單側彈簧受力進行。

1.2.2 后段(狀態4→狀態8)彈簧分析

座椅由狀態8翻轉至狀態4的過程時，重力產生力矩變化過程為小→大→小，即在力矩最大時，座椅還未翻轉至狀態4進行收納，同時，為保證座椅在狀態4至狀態8過程中便于操作者操作，需座椅上彈一定角度γ(圖4，輸入γ=25°，此時α角度記為δ)，即在該位置時彈簧力矩與重力力矩平衡，此時彈簧工作角已旋轉55°。即：

圖4 后段彈簧力矩平衡位置

Nthp=mgLcosδ=mgLcos(180°-25°)

(3)

Nthp=80 N·m

式中：Nthp為后段彈簧在平衡時產生的扭矩。

同第1.2.1節，對彈簧設計(平衡力矩的15%)12 N·m的預緊力矩，并將彈簧受力左右均分，即單側彈簧平衡力矩為Nthp=40 N·m，預緊力矩為6 N·m。結合第1.1節可知，后段彈簧最大工作扭轉角為αh=105°。

2 翻轉裝置結構及彈簧參數設計

2.1 彈簧參數確定

根據車身及座椅相關邊界要求與第1.2節中對彈性零件的要求分析，結合《機械設計手冊》及相關設計軟件，進行多次設計校核，最終確定出彈簧參數(表1)及彈簧對旋轉中心的扭矩與重力對旋轉中心單側的扭矩關系(圖5)。由于彈簧在該裝置中屬于易損件，故對其壽命有較高要求，已選定的參數雖滿足法規及客戶要求，但由于該裝置所選用彈簧線徑較大，需保證有更大的安全系數，查閱資料得知，經噴丸處理的彈簧，能提高疲勞強度或疲勞壽命，其許用應力可提高20%[3]。故所有彈簧采用噴丸處理，并對其涂抹潤滑脂，用于提高疲勞壽命并消除異音。

表1 彈簧參數

圖5 彈簧扭矩與重力單側的扭矩關系

2.2 結構設計

根據第2.1節驗算后的彈簧參數與第1.2節中對彈簧的要求分析，結合車身及座椅邊界條件，經多次設計優化，最終確認翻轉裝置結構如圖6所示。

該結構中，除前、后段彈簧外，另有前后段彈簧撥動套筒(圖7)也是該裝置功能得以實現的關鍵點，通過該組件與前、后段彈簧活動端相互接觸運動關系，使彈簧實現能量的儲存及釋放，也可通過對該組件的調整，實現前、后段彈簧力矩的微調，從而滿足了座椅翻轉輔助的要求。

圖6 翻轉裝置結構

圖7 前后段彈簧撥動套筒詳細視圖

針對第1.1節中對座椅的各種運動狀態的要求，翻轉裝置的輔助工作原理如下：

狀態6→狀態8→狀態4：解鎖座椅后，操作者外力翻轉座椅，同時前段彈簧克服重力做功并撥動前后段彈簧撥動套筒，帶動與座椅連接組件，從而給翻轉座椅(狀態6→狀態8)提供助力，直至狀態8；由于重力及操作者作用力慣性作用，座椅做后半段運動過程，此時座椅重力傳遞至與座椅連接組件及前后段彈簧撥動套筒，前后段彈簧撥動套筒撥動后段彈簧克服重力做功，給座椅的下落(狀態8→狀態4)提供阻力，防止座椅快速下落，下落至圖4狀態后，由于此時彈簧與重力對旋轉中心產生扭矩平衡，所以操作者使用外力下壓座椅直至狀態4并上鎖。

狀態4→狀態8→狀態6：解鎖座椅后，后段彈簧克服重力做功并撥動前后段彈簧撥動套筒，帶動與座椅連接組件，從而給翻轉座椅(狀態4→狀態8)提供助力，座椅翻轉至圖4所示平衡狀態，此時使用外力翻轉座椅，后段彈簧繼續克服重力做功，直至狀態8；由于重力作用，座椅做后半段運動過程，此時座椅重力傳遞至與座椅連接組件及前后段彈簧撥動套筒，前后段彈簧撥動套筒撥動前段彈簧克服重力做功，給座椅的下落(狀態8→狀態6)提供阻力，防止座椅快速下落，隨著運動慣性直至狀態6實現自動上鎖。

綜上，該輔助裝置通過彈簧對能量的儲存與釋放，實現對座椅向上翻轉提供助力和座椅下落阻力，通過限位結構(圖8)的設計，同時對前后段彈簧撥動套筒進行適當調整后，可實現翻轉角度的調整[4]，防止座椅過翻轉。

通過對圖8所示結構及前后段彈簧撥動套筒的調整，可使輔助裝置在座椅處于狀態8時，前、后段彈簧均不作用或使前，后段彈簧存在一定力矩重疊區間，以減小或消除該處產生的異音。結合圖5可知，無輔助翻轉裝置時，操作者在翻轉座椅時，需要操作者的作用力去克服座椅重力，即需要與座椅重力相當的反作用力來進行翻轉；在使用輔助裝置后，由于大部分重力做功已被彈簧力所克服，則操作者只需要較小的作用力便可以將座椅進行翻轉折疊。圖9所示為使用輔助翻轉裝置前后操作者作用力力矩對比(參照座椅數據，結合人機工程要求，設定操作者作用力點距旋轉中心距離為700 mm)。由圖9可知：使用輔助翻轉裝置后，操作者作用力對旋轉中心產生的最大力矩由原來的85.2 N·m減小至41.8 N·m，其最大操作力相差約40 N·m，可為座椅整體翻轉提供最大助力60 N，且所需最大力的作用方向由上拉變為下壓，更有利于操作者翻轉操作。

圖9 作用力力矩圖

3 結論

設計的汽車座椅輔助翻轉裝置，經實物制作、測試，其結論與設計相符，滿足客戶要求，提高了座椅翻轉的舒適性。可將其思路與方案運用于生活中需要類似汽車座椅翻轉操作的場合，使各種翻轉操作易于實現，提高舒適性。