汽車兒童安全座椅調角器設計及有限元分析

徐肖

摘 要：本文結合市面上汽車兒童安全座椅調角器的優缺點對調角器進行創新設計，并采用CATIA軟件對所設計的調角器建模。為了驗證強度和材料可靠性，利用ANSYS Workbench軟件對調角器進行有限元靜力學仿真分析。分析結果表明：汽車安全座椅反向安裝情況下，汽車發生正面碰撞，所設計的調角器未超過材料的屈服強度，結構不會被破壞，符合設計要求，能夠保護兒童的安全。

關鍵詞：調角器;建模;有限元分析;等效應力

中圖分類號：U491.61 文獻標識碼：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節，與汽車座椅椅背不夠貼合;反向安裝時無法調整椅背傾斜度，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整椅背功能，但現有的調角器結構繁瑣，調節時不容易控制力度，可能發生椅背脫位情況，安全性較差，對孩子身體造成損傷。汽車兒童安全座椅調角器需要有足夠的強度，當汽車發生事故時不斷裂，而且不發生較大變形的情況。

1 調角器設計

市面上有的汽車兒童安全座椅應用了辦公座椅的調角器，觸動辦公座椅調角器的調節扳手，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角器直接用于汽車兒童安全座椅，原因是調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度之間調整;乘客不小心碰到調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，本文設計了一種兒童安全座椅調角器，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。調角器外觀及其解鎖機構如圖1、圖2。

結合圖2說明汽車兒童安全座椅調角器的工作原理：圖2調角器處在鎖止狀態，在調整椅背角度時，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，把椅背調整到需要的角度后，反向轉動解鎖塊到原位置，定位塊朝著遠離中心的方向平移，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節操作。

2 調角器有限元模型建立

2.1 有限元模型處理

對調角器進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]，將簡化后的調角器模型保存成stp格式，并將其導入到ANSYS Workbench進行有限元模型的建立。

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

ANSYS Workbench系統會自動產生接觸對，對所有系統自動產生的接觸對進行排查，并將錯誤接觸對進行調整，建立模型的接觸約束。

本文使用ANSYS Workbench中的自動網格劃分功能進行網格生成[2]，網格自動劃分完成后，再對孔面、孔的周圍、圓弧等關鍵位置進行網格細化。最后得到網格劃分完成的調角器模型，具有165 287個節點，69 215個單元。調角器網格劃分如圖3所示。

2.2 載荷計算

汽車兒童安全座椅調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角器的強度分析，一般3歲以下兒童需要反向安裝，所以選取3歲兒童的參數進行仿真分析，質量為15 kg。如果汽車發生正面碰撞事故突然減速時，汽車兒童安全座椅調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。調角器適用的汽車兒童安全座椅靠背質量大約為2 kg。根據GB27887-2011機動車兒童乘員約束系統國家標準可知，發生正面碰撞事故時孩子的加速度是28g，g是標準重力加速度[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為慣性力，m1為兒童質量;m2為汽車兒童安全座椅椅背質量;g為標準重力加速度。

經計算，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，這個力作用在兩側對稱布置的兩個調角器上，所以每個調角器受力為2 333 N。

3 調角器有限元求解

將2 333 N水平方向的力作用在上片的孔上，調角器下片上的兩個孔調整成固定約束[5]。經軟件計算得到調角器的等效應力云圖，見圖4。

由調角器等效應力云圖得到，最大應力出現在上片與鎖止塊接觸處，大小是194.43 MPa。調角器選用45鋼，屈服強度355 MPa，最大應力沒有超出屈服強度，滿足設計要求。

4 結論

本文設計了汽車兒童安全座椅調角器，為驗證強度和材料可靠性，對其進行有限元靜力學分析。綜合仿真得出的等效應力云圖可知，調角器最大應力沒有超出屈服強度，滿足設計要求，能夠保護兒童的安全。

參考文獻：

[1]浦廣益.ANSYS Workbench12基礎教程與實例詳解（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仿真技術與工程實踐[M].清華大學出版社，2013.

[3]呂金美.可調節兒童安全座椅的開發設計[D].煙臺大學，2014.

[4]GB27887-2011 機動車兒童乘員約束系統[S].

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