汽車座椅手動調角器卷簧設計研究

戰磊,陳麗潔

(長春富維安道拓汽車飾件系統有限公司，吉林長春 130033)

0 引言

汽車座椅是汽車上人體軀干直接接觸的唯一零部件，它不僅需要保護乘員安全和支撐人體重力，同時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，汽車前排座椅通常會設置靠背角度調節和座椅前后調節等基本功能。對于手動調節汽車座椅，靠背角度調節采用調角器來實現。通常，調角器上都需要安裝一個平面渦卷彈簧：一方面，保證座椅靠背在進行角度調節時能夠克服靠背重力，使得座椅靠背實現向前回彈；另一方面，能夠平衡部分靠背重力，使其在向前回彈時，保證一定的回彈速度，不至于出現座椅靠背快速回彈引起的乘員傷害問題。

對于平面渦卷彈簧，機械行業標準JB/T 7366-1994[1]中已經給出了相應的設計方法與步驟。然而，為保證所設計的渦卷彈簧能夠滿足實際的應用，大多數汽車座椅制造公司會借助計算軟件或者CAE仿真模擬的方法進行汽車座椅調角器卷簧設計和驗證[2-4]。除此之外，一些零件制造商也會采用試錯法進行渦卷彈簧設計，即先利用自動卷簧機進行樣品試制，隨后進行物理測試以驗證卷簧設計能否滿足使用要求[5]。無論應用計算軟件進行開發還是試錯法，均需要一定的花費，也會延長開發的進度。

本文作者依據機械行業標準JB/T 7366-1994[1]，對汽車座椅手動調角器卷簧的設計進行了研究，嘗試找出適合汽車座椅調角器卷簧設計的手工計算方法，并對適合渦卷彈簧設計的材料進行了研究。通過研究，對調角器卷簧的設計及材料選擇起到一定的指導作用。

1 實驗方法與步驟

1.1 原材料

試驗用原材料的化學成分及生產廠家如表1所示。

表1 原材料信息(質量分數)%

1.2 材料實驗

材料拉伸實驗在美國Instron公司5585型拉伸試驗機上進行，拉伸試驗執行標準ASTM E8、A370。材料硬度檢測在美國Instron公司S2000型洛氏硬度計上進行，硬度試驗執行標準ASTM E18。材料金相組織檢測采用Leica MZ12型顯微鏡進行，金相檢測執行標準ASTM E3、E407。

1.3 耐久實驗

采用上述原材料制作成卷簧，隨后按照標準JA_6800-HL-2，在時代集團TNS-W試驗機上進行耐久試驗，具體步驟如下：

試驗1，調角器解鎖，最后位置到最前位置，重復500個循環；

試驗2，最前位置調節到最后位置，鎖止靠背；再將靠背從最后位置調節到設計位置鎖止靠背，重復操作2 000個循環；

試驗3，最前位置調節到設計位置，鎖止靠背，重復操作2 000個循環。

耐久試驗按照JA 6800標準進行評價：

(1)完成600個循環后，不允許出現異常噪聲；

(2)在每個試驗模式下，在試驗完成1/3后，調節裝置最大尺寸松馳度不超過設計標準值的130%。

耐久試驗前、后均對卷簧扭轉力矩進行測量。

2 結果與討論

2.1 渦卷彈簧設計計算

2.1.1 正向計算

對于汽車座椅，為確保使用過程中不出現噪聲問題，調角器卷簧材料之間應避免相互接觸；另一方面，卷簧的外端需要安裝在座椅靠背骨架上，隨著靠背前后調節進行轉動，卷簧內端則需要固定在座椅骨架上。根據標準JB/T 7366-1994[1]中的描述，卷簧類型可以被確定為非接觸型外端回轉類平面渦卷彈簧。

在進行調角器卷簧參數正向計算時，有部分參數是確定的，包含：卷簧承受的轉矩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K1、K2。根據某轎車前排座椅調角器的工作需求，表2給出了以上參數的具體數值。根據標準JB/T 7366-1994中非接觸型平面渦卷彈簧的設計要求和表1中所列出的已知條件，卷簧材料選用I級彈簧鋼帶。可以選用的常用材料有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，抗拉強度σb=1 275～1 600 MPa，其許用應力可計算為[σ]=0.6σb=765～960 MPa，為方便后續計算，取[σ]=960 MPa。

表2 卷簧確定的參數

依據公式(1)—(6)，則可以計算出卷簧的主要參數：

(1)

(2)

R1=(8～15)h

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：h為卷簧材料厚度；L為卷簧工作長度；R1為卷簧內半徑；R為卷簧外半徑；T為卷簧節距；n0為卷簧自由狀態下的圈數。

將已知條件代入公式(1)—(6)，可以計算獲得卷簧的主要參數，如表3所示。

表3 正向計算卷簧主要參數

可以看出：按照標準JB/T 7366-1994中非接觸型卷簧的設計方法[公式(1)—(6)順序進行計算]正向計算出的調角器卷簧，其材料長度L、卷簧內徑R1和外徑R、卷簧節距t等關鍵尺寸已經遠遠超出汽車座椅零件的安裝需求，不符合座椅設計要求。因此，完全按照標準JB/T 7366-1994進行正向順序計算，不適合汽車座椅調角器卷簧的設計。

2.1.2 反向計算

為了設計出在安裝和性能上均滿足汽車座椅調角器需求的卷簧，根據整椅安裝尺寸的要求，先分別對卷簧材料厚度和節距進行限制，即：材料厚度h設計為3.2、3.5、4.0、4.5和5 mm，節距均為t=5 mm。可根據公式(2)、(7)對參數L和材料的需用應力[σ]進行計算

(7)

其中：[σ]為卷簧材料許用應力；K2為卷簧系數；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力[σ]之間關系曲線。可以看出：在設定的條件下，當卷簧材料厚度h≤4.5 mm時，材料的許用應力[σ]≥1 200 MPa，按照[σ]=0.6σb，則材料抗拉強度σb≥2 000 MPa，在JB/T 7366-1994標準中無法找到相應強度的材料。因此，當卷簧尺寸參數確定時，應盡量選擇厚度h>4.5 mm的材料；除了材料厚度h，卷簧材料寬度b也是影響其設計的參數之一。由于安裝空間的限制，通常需要較薄的材料進行卷簧設計，以節省空間，因此，材料厚度h≤4.5 mm時，在其他卷簧尺寸確定的條件下，增加卷簧寬度b也可實現卷簧設計。圖2為不同厚度材料強度與寬度b間關系曲線。可以看出：當材料厚度h一定時，材料強度值越大，卷簧寬度b值越小。當材料強度相同時，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度之間的關系

圖2 不同厚度卷簧材料強度與寬度關系曲線

以上結果表明：進行調角器卷簧設計，當預先設定卷簧的部分參數，然后根據標準JB/T 7366-1994中非接觸型卷簧的相關計算公式進行反向設計，卷簧的尺寸、材料等參數能夠滿足汽車座椅調角器上設計需求。

2.2 卷簧材料實驗結果

根據標準JB/T 7366-1994中表2和表5[1]，選定65Mn、50CrVA和60Si2Mn三種材料作為汽車座椅調角器卷簧設計材料。按圖3所示工藝流程進行卷簧制造，并對熱處理前后的材料進行了檢測。熱處理前標記為“B”，熱處理后標記為“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，材料的金相組織發生了明顯的變化，轉變成為板條狀馬氏體組織；3種材料在熱處理后，微觀組織上也并無明顯區別。

隨后，對3種材料的力學性能進行了檢測，結果如表4所示。3種材料在進行熱處理之后，力學性能均有很大程度的提高:硬度基本一致，均能達到45HRC;50CrV和65Mn材料強度值比較接近，抗拉強度為1 400 MPa左右，屈服強度為1 300 MPa左右;60Si2Mn材料的強度高于其他兩種材料，屈服強度值為1 581 MPa，抗拉強度為1 720 MPa。根據第2.1節中的計算結果可知：3種材料熱處理之后，60Si2Mn更適合用于卷簧的設計和制造。

表4 熱處理前、后不同材料力學性能檢測結果

為進一步確定適用于汽車座椅調角器卷簧設計的材料，根據文獻[6]中所述的簡易算法和所測得的相關數據，對不同材料疲勞壽命進行了估算，結果如圖5所示。估算的結果表明：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 不同材料計算S-N曲線

2.3 卷簧測試

為驗證以上結論，分別采用50CrVA和60Si2Mn兩種材料，按照相同的卷簧尺寸參數制作了卷簧。在試驗機上對兩種卷簧進行疲勞耐久實驗，并對實驗前后卷簧的扭轉力矩進行了測量。表5為卷簧不同位置點進程和回程扭矩及扭矩衰減率結果。

表5 不同材料10 000次疲勞實驗前、后回轉扭矩對比

可以看出：進行了疲勞實驗后，50CrVA卷簧的進程和回程扭矩均出現較大幅度衰減， 60Si2Mn卷簧的扭矩衰減相對較小，說明采用60Si2Mn制作的卷簧更為耐久。此結果進一步驗證了60Si2Mn是設計、制造調角器卷簧的最佳材料。

3 結論

基于手工計算的方法，進行了汽車座椅調角器渦卷彈簧設計和材料選擇的研究。結果表明：

(1)標準JB/T 7366-1994中非接觸型平面渦卷彈簧的正向設計方法不適用汽車座椅調角器卷簧的設計；

(2)根據安裝空間的尺寸限制，預先假定一些卷簧參數，進行反向設計，可以設計出適合汽車座椅使用的調角器卷簧；

(3)通過對50CrV、60Si2Mn和65Mn三種卷簧材料的研究，結果表明：相同設計參數，60Si2Mn材料最適合進行調角器卷簧的設計和制造。