汽車座椅抬高調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器有限元強(qiáng)度分析及優(yōu)化

倪晨鋒

摘要：針對(duì)汽車座椅抬高調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩偏低的問(wèn)題，基于ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點(diǎn)，提出了提高材料強(qiáng)度和局部尺寸優(yōu)化的方案。有限元計(jì)算結(jié)果表明：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的輸出扭矩增大了70N.m，滿足了設(shè)計(jì)需求，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析的正確性。

Abstract： In order to solve the problem of low output torque of actuator for automobile seats height adjuster， finite element strength analysis（FEA） was carried out based on ANSYS Workbench， and according to the characteristics of structural stress distribution， measures for improving material strength and local size optimization are proposed. The finite element calculation results show that the output torque of the optimized structure increases by 70N.m， which meets the design requirements. The experimental results further verify the correctness of finite element analysis.

關(guān)鍵詞：有限元;ANSYS;強(qiáng)度;優(yōu)化;驅(qū)動(dòng)器

Key words： FEA;ANSYS;strength;optimization;actuator

0 ?引言

漸開線少齒差行星齒輪傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)比大、噪聲低和效率較高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、農(nóng)機(jī)、輕工、冶金、礦山、機(jī)械汽車行業(yè)，有著廣闊的前景[1]。

本文以汽車座椅抬高調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為研究對(duì)象，針對(duì)輸出扭矩偏低的問(wèn)題，通過(guò)有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)應(yīng)力分布的特點(diǎn)，提出優(yōu)化方案。研究成果可為驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化提供參考價(jià)值。

1 ?驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)分為兩大部分：電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器;其爆炸圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)器部分為K-H-V（N）型少齒差行星齒輪傳動(dòng)（1個(gè)齒），輸出機(jī)構(gòu)采用十字滑塊聯(lián)軸器把外齒輪（行星輪）與低速軸聯(lián)接起來(lái)[2]。

2 ?驅(qū)動(dòng)器有限元模型的建立

利用CATIA V5R21軟件建立驅(qū)動(dòng)器三維模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，零部件中塑料箱體、金屬十字滑塊以及金屬十字擋圈會(huì)出現(xiàn)斷裂、變形過(guò)大等失效模式，因此重點(diǎn)關(guān)注這三個(gè)零部件的受力情況，幾何和有限元模型如圖2所示。

在ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。材料選擇：金屬齒/十字滑塊/十字擋圈的材料為scm415;輸出齒為20CrMnTi;箱蓋為DC01;塑料箱體為PBT GF30，材料力學(xué)參數(shù)如表1所示，表2為塑料PBT GF30非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。邊界條件設(shè)定：根據(jù)實(shí)際安裝情況，對(duì)相應(yīng)的安裝孔位進(jìn)行位移固定處理，零部件之間的接觸采用光滑接觸。荷載施加：在輸出齒上面施加扭矩，如圖2所示[3-5]。

3 ?有限元計(jì)算結(jié)果分析

重點(diǎn)分析驅(qū)動(dòng)器中塑料箱體、金屬十字滑塊以及金屬十字擋圈的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力云圖如圖4所示，可以看出原始驅(qū)動(dòng)器中塑料箱體與金屬十字擋圈接觸的兩個(gè)位置應(yīng)力比較集中，且金屬十字滑塊和十字擋圈也有變形大、應(yīng)力集中現(xiàn)象。

為了提高驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)最大輸出扭矩，滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，對(duì)金屬十字滑塊和十字擋圈幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化[6-8]，如圖3，同時(shí)把scm415替換為強(qiáng)度更高的42CrMo材料。

從表3結(jié)果可以看出：原始結(jié)構(gòu)的最大輸出扭矩為150N.m，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)輸出扭矩為220N.m，比原始增大了70N.m，滿足180N.m的設(shè)計(jì)要求。

4 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)優(yōu)化方案選取6個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，設(shè)備如圖5所示[9]，其中藍(lán)線表示扭矩隨加載時(shí)間的變化圖，紅線表示是轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨加載時(shí)間的變化圖。測(cè)試結(jié)果如表4所示：可以看出6個(gè)樣品的輸出扭矩都要大于180N.m，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的正確性。

5 ?結(jié)論

本文基于ANSYS Workbench平臺(tái)對(duì)汽車座椅抬高調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)應(yīng)力分布的特點(diǎn)，提出了提高材料強(qiáng)度和局部尺寸優(yōu)化的方案。結(jié)果表明：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的輸出扭矩比原始的增大了70N.m，滿足了設(shè)計(jì)需求。該研究方法和成果可為汽車座椅抬高調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化提供參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳婷.漸開線少齒差行星參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第一研究院，2018.

[2]戴紅娟，周紅良，曾勵(lì).少齒差行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].機(jī)械工程師，2005（12）.

[3]吳素珍，周集祥，李金超，陳旭.工業(yè)機(jī)器人用漸開線少齒差行星齒輪接觸強(qiáng)度分析[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，32（01）：29-33.

[4]馮曉寧，葉思穎.漸開線少齒差行星齒輪傳動(dòng)超載能力的有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2016，37（02）：70-72.

[5]田建忠.少齒差行星齒輪傳動(dòng)的虛擬裝配與動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)動(dòng)[J].山西科技，2016（05）.

[6]Multi-objective optimization design of precise planetary reducer with small tooth difference. Wu S，He W， Zhang Y，et al. Academic Journal of Manufacturing Engineering. 2018.

[7]翟聰.新型漸開線少齒差行星減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].機(jī)械科學(xué)研究總院，2017.

[8]劉丹，唐德威，鄧宗全，姜生元.少齒差齒輪傳動(dòng)承載能力分析及體積優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（12）.

[9]陳世超，易偉，李程.動(dòng)態(tài)扭矩檢測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)測(cè)試， 2016（11）.