驅動器斷裂失效分析及優化

王國軍 王軍武

摘要：針對汽車座椅調節驅動器斷裂失效的問題，通過試驗和有限元分析相結合的方法，根據失效的特征提出了優化方案。試驗和有限元仿真的結果表明：在設計荷載范圍內，優化后結構沒有出現斷裂現象且結構的輸出扭矩增大了75N.m。同時試驗結果與有限元結果的誤差為5.74%，進一步驗證了分析的正確性。

Abstract： In order to solve the problem of fracture failure of actuator for automobile seats adjuster， through the combination of experiment and finite element analysis， and according to the characteristics of failure， local size optimization are proposed. The results of experiment and finite element simulation show that： within the design load range， the optimized structure has no fracture phenomenon， and the output torque of the structure increases by 75N.m. At the same time， the error between the experimental results and the finite element results is 5.74%， which further verifies the correctness of the analysis.

關鍵詞：有限元;強度;優化;驅動器

Key words： FEA;strength;optimization;actuator

中圖分類號：TP333.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0039-02

0 ?引言

驅動器在汽車座椅上有廣泛的應用，主要調節座椅的高度、角度、前后距離等，以滿足駕駛人員開車的舒適性。其中，漸開線少齒差行星齒輪傳動有許多優點：如效率高、體積小、傳動比大等[1，2]。本文以汽車座椅調節驅動器為研究對象，針對斷裂失效的問題，通過試驗和仿真分析，提出優化方案，提高了驅動器的強度。

1 ?驅動器的結構

該款驅動器為K-H-V（N）型少齒差行星齒輪傳動，由電機提供動力。根據反饋，該結構出現功能失效，拆機分析如圖1所示，可以明顯看出：金屬滑塊出現斷裂。該金屬滑塊聯軸器把行星齒與輸出軸聯結起來，材料為scm415，表面硬度HRC50～55/芯部硬度HRC35～40。

2 ?建立模型

利用3D軟件建立驅動器幾何模型如圖2所示，根據失效模式重點關注金屬滑塊的應力分布。

利用ANSYS Workbench進行有限元分析[3-5]。邊界條件按照安裝方式進行施加，荷載為扭矩。原始金屬滑塊材料為scm415;優化方案中替換的材料為42CrMo。塑料箱體為PBT GF30，材料力學參數如表1所示，圖3為塑料PBT GF30非線性應力應變關系圖。

3 ?結果分析

重點分析失效斷裂滑塊的應力分布情況，應力云圖如圖4所示。從圖中可以看出金屬滑塊凸出部位變形大且應力比較集中，最大應力為1193.5MPa，超過斷裂強度818.91MPa，結構的最大承受扭矩為158.4N.m。

根據仿真的結果，對應力集中的兩個地方進行優化，同時將金屬滑塊scm415材料替換強度更高的42CrMo材料。幾何優化方案和對應的應力云圖如圖5，仿真的結果如表2所示，可以看出優化后結構的荷載約為220N.m，提高了62N.m，同時結構的最大應力為1153.7MPa，小于42CrMo材料的斷裂強度1166.165MPa。

4 ?試驗分析

將原始和優化方案的樣品分為2組，原始方案：1#，2#，3#;優化方案：4#，5#，6#。對樣品進行強度實驗測試，旋轉方向緩慢施加荷載，測試如圖6所示[6，7]。試驗結果如圖7和表3所示。圖7為樣品1#和4#的荷載扭矩與時間曲線。從結果可以看出：原始方案的最大扭矩為150N.m;優化方案1的最大扭矩為225N.m，提高了75N.m。可見：優化方案可以滿足設計要求（大于175N.m），增大了結構的強度。

對優化樣品施加設計荷載175N.m后，實物拆機如圖8所示，金屬滑塊沒有出現失效。

表4為試驗結果與有限元結果的對比，誤差為5.74%，進一步驗證了分析的正確性。

5 ?結論

本文基于試驗和有限元分析相結合的方式，對汽車座椅調節驅動器斷裂失效進行分析。根據有限元應力分布的特點，對結構進行局部尺寸優化，同時把scm415材料替換為強度更高的42CrMo材料。結果表明：優化后結構沒有出現斷裂現象且結構的輸出扭矩增大了75N.m。同時試驗結果與有限元結果的誤差較小，僅為5.74%，進一步驗證了分析的正確性。

參考文獻：

[1]陳婷.漸開線少齒差行星參數優化設計研究[D].中國航天科技集團公司第一研究院，2018.

[2]吳素珍，周集祥，李金超，陳旭.工業機器人用漸開線少齒差行星齒輪接觸強度分析[J].河南工程學院學報（自然科學版），2020，32（01）：29-33.

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

[4]李正勝.CHC型少齒差減速器動力學特性研究與仿真[D].武漢理工大學，2012.

[5]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.

[6]劉丹，唐德威，鄧宗全，姜生元.少齒差齒輪傳動承載能力分析及體積優化[J].機械設計與制造，2012（12）.

[7]翟聰.新型漸開線少齒差行星減速器的優化設計研究[D].機械科學研究總院，2017.

作者簡介：王國軍（通訊作者）（1982-），男，湖南永州人，本科，研究方向為機械設計研究;王軍武（1990-），男，湖南長沙人，本科，研究方向為機械設計研究。