汽车电动可调节座椅设计

汽车电动可调节座椅设计[20191208101700]
摘要
汽车座椅是车辆与乘员接触最直接的部件,所以乘员通常会根据座椅的舒适性来判定整辆汽车的舒适性程度。当今大多数汽车上的座椅都是电动可调节的。人们对汽车舒适性的要求越来越高,汽车制造厂商正在不断努力设计生产出更舒适、便捷的电动座椅。
电动座椅操作简便和舒适度高是两个最基本的要素。乘员只需按动按钮,就能够把座椅固定在能够获取更为广阔的视野,能够更加轻松、便捷的掌控一些需要操控的部件,也能够保持最为正确的乘坐姿势。
本设计是设计能够通过按动按钮实现前后水平调节和上下垂直调节以及改变靠背倾角的电动座椅。首先电机选型,然后分配传动比,对蜗杆蜗轮的设计和滚珠丝杠的设计,并进行传动装置性能和强度验算,使该机构能够实现预期的调节作用。

关键字:电动座椅传动调节机构设计
目录
1.绪论 1
1.1综述 1
1.2电动座椅设计研究的现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.3电动座椅设计的背景 3
1.4设计的思路以及主要的研究工作 3
2. 研究方案的选取 5
2.1综述 5
2.2座椅坐垫升降部分 6
2.3座椅坐垫前后移动部分 7
2.4座椅靠背倾斜部分 8
3. 选用传动的特点 9
3.1齿轮传动 9
3.1.1齿轮传动特点 9
3.1.2齿轮传动类型 9
3.2螺旋传动 10
3.2.1螺旋传动特点 10
3.2.2螺旋传动类型 10
3.3空间连杆机构 11
4. 座椅前后调节机构设计 12
4.1 滚珠丝杠选型 12
4.1.1工作条件 12
4.1.2 选择滚珠丝杠型号 12
4.1.3滚珠丝杠的转速 12
4.1.4 刚度计算 12
4.2电动机的选择计算 13
4.2.1选择电动机的转速 13
4.2.2工作机的有效功率 13
4.2.3选择电动机型号 14
4.3传动比分配 14
4.4蜗轮蜗杆设计 14
4.4.1选择材料与传动类型 14
4.4.2 按蜗轮接触疲劳强度进行设计 15
4.4.3蜗杆和蜗轮的主要参数和几何尺寸 17
4.4.4 齿根弯曲疲劳强度 18
4.4.5蜗杆的强度和稳定性计算 19
5. 电动座椅性能验证 21
5.1电动机力矩计算 21
5.1.1 惯量计算 21
5.1.2 电动机力矩计算 21
5.2蜗轮蜗杆效率 验算 21
5.3滚珠丝杠支承轴承验算 21
结语 23
参考文献 24
致 谢 25
1.绪论
1.1综述
近年来,人们生活质量提高的速度越来越快,而且汽车售价还不停降低,更多汽车进入了多数普通家庭。与此同时,不停上升的人们还有对汽车舒适性标准的寻觅。以前,人们可能只是单单在乎出行是否方便,如今却是要求汽车的舒适程度也要达到很高的标准,人们希望能够尽可能简单、便捷的实现调节汽车座椅的位置。
就单个家庭拥有的汽车而言,很多时候它是被家庭中几个不同的人员驾驶的。当相同的座椅被不一样的乘员坐上,乘员是存在体形差异的,个人觉得最为舒适的座椅位置当然也就不一样,这就导致了频繁调节座椅。基于此,能够快速、便捷实现调节的电动座椅就出现了,只要做出一些简便的动作,座椅位置就可以随着不同乘员的不同需求而调整。
汽车座椅位置没有调节到位,导致司机驾驶不舒适,短时间内就进入疲劳驾驶阶段。这样,在驾驶过程中是十分危险的,司机的反应时间会延长,很容易发生驾车事故。
在实际驾驶过程中,会有许许多多的因素影响到整车的舒适感,图1就是整理的可能影响乘员舒适性的结构图,从图中我们应该不难看出乘员驾驶舒适性受座椅影响是十分巨大的。
图1 汽车舒适性结构图
要实现当今乘员与汽车相互融合的设计理念,电动座椅的存在是必不可少的。在当今汽车座椅的设计与制造中,汽车座椅是一个极其讲究的部分,结构也不再如以前般简单。近年来,汽车设计和生产技术不停的发展,其涉足的领域也越来越广。
各个厂家的汽车工程师都将电动座椅看的很重,不管是外型还是用料,都非常讲究。就外型而言,需要考虑的因素就有很多,身高、体重、姿势和体压分布都要列入考虑的范畴。只有这样,制造出的座椅才能乘坐舒适,引导乘员达到正确的坐姿,(如图2、图3)。例如雪铁龙C4L轿车的多向调节电动座椅就是依照人体参数设计、生产制造的,这款车型的电动座椅能提供最为舒适驾驶环境给乘员。因为汽车座椅也是作为装饰部件而存在,所以材料上,其颜色必须要和汽车内部基本保持相同,其次还要有不错的质感,这样才能保证当乘员坐上座椅,会产生很强的舒适感。
座椅调节最初的过程是手工调节,这种调解方式操作起来复杂、繁琐。之后,便是电动调节取代了纯手工调节,使得过程简便了很多。
手动调节的座椅要求乘员按压手柄使锁定机构解锁,再将座椅调整到需要的位置上,最后锁定。当然,这种调节方式很不方便。
在中高档次的轿车上基本都会配置可电动调节的座椅。
这种电动调节的方式,比起手动调节就相对方便、快捷很多了,乘员能够容易的找到最适合自己,最令自己感到舒适的位置,这一切都只要简单的按动按键就可以实现。
图2 正确的坐姿 图3 不正确的坐姿
1.2电动座椅设计研究的现状
1.2.1国外研究现状
1921年,能够手动调节的汽车座椅被设计、生产。这种座椅要求乘员按压手柄使锁定机构解锁,再将座椅调整到需要的位置上,最后锁定。当然,这种调节方式很不方便。1954年的时候,凯迪拉克汽车面向市场推广了电动调节座椅。
电动可调节座椅能适应乘员的不同需求,从而提升乘员的驾驶体验,改善舒适性。国外在80年代已经运用此种座椅在部分车型上。
其实座椅的调节大部分是依赖蜗杆传动完成的。在上世纪五十年代,日本开始了平面直齿蜗杆传动技术的研究,这种蜗杆就是享誉世界的“威氏蜗杆”,这大大提高了日系车在市场上的知名度。此后又有凹圆弧齿圆柱蜗杆传动和一些新型蜗杆传动的发明,这些都促进了电动可调节座椅技术的快速发展。
1.2.2国内研究现状
丰田普瑞维亚最早进入中国市场,从而中国汽车电动座椅制造得以高速发展,经过二十多年的研究及发展,国内汽车制造电动座椅的技术越来越成熟,也越来越完善,同时电动座椅的功能也更加的齐全。
1991年,国内提出要大力推行车载电器设备的自动化,而在推行过程中,汽车座椅的电动调节就是急需发展的一个部分。
现在,国内汽车制造商都认为电动调节座椅对高端汽车而言是必不可少的。同时,由于电动座椅设计与生产技术在不断改进,生产成本一再降低,所以,汽车电动可调节座椅正逐渐向普通车型转移。
1.3电动座椅设计的背景
座椅不仅是汽车基本的部件,更是乘员直观感受乘坐舒适度的判断依据,人们的生活水准不断在改善,随之上升的还有对舒适度要求更严苛的标准,人们希望可以尽可能简单、便捷的实现调节汽车座椅。
电动座椅如今已经是衡量轿车档次的一个重要依据,是汽车生产不可缺失的一个部分。同时,由于制造技术的不断成熟,生产成本也在不断的降低,所以汽车市场上配有电动座椅的车型也越来越多。如今汽车座椅能够大致分成二向、四向以及六向的电动调节。
1.4设计的思路以及主要的研究工作
思路是电动机产生的动力驱动传动机构,传动机构连接座垫和靠背,乘员就能够按照自己的需求调节座椅位置和靠背倾角。电动座椅不仅舒适,便捷也是其一大要素,乘员只要按动按键,就能把座椅固定在令自己感到最为舒适的位置,不但能得到最良好的视野,而且操纵车载部件时也更加的便捷、舒适。
本设计是设计能够通过按动按钮实现前后水平调节和上下垂直调节以及改变靠背倾角的电动座椅。首先滚珠丝杠的设计,电机选型,然后分配传动比,对蜗杆蜗轮的设计并进行传动装置性能和强度验算,使该机构能够实现预期的调节作用。
2. 研究方案的选取
2.1综述
电动座椅由很多部件组成。其中,最为核心的部分是调节机构,而最初的动力来源又是可逆直流电动机。由于座椅内部空间有限,这就要求可逆直流电动机又小又大,所谓小就是指的体积小,大便是本身的负荷要大。其次,传动部件也必不可少,而传动部件在工作的时候,要求发出噪音低,具备不错的平稳性能。最后,控制器也很关键,乘员接触最直接的就是控制器的控制开关,一般会被安排在座椅边上或是门的内侧。
控制器操控电动机,然后驱动传动部件,以这种方式达到调整的效果。传动部件的组成也有多个部件。做出调节时,电动机促使蜗杆轴运动,蜗杆轴又会带动蜗轮,与其相连的齿轴便会运动,座椅就可以升降了。因为齿条是和蜗轮啮合的,所以蜗轮的转动就带动齿条的前后移动,座椅也就实现了前后的运动。
当前大部分电动座椅能够通过按动按钮实现前后水平调节和上下垂直调节,有的甚至能改变靠背倾角。乘员可以依照不同的体形要求调整座椅,达到最高的舒适度。图4即为电动座椅的完整模型。图5为控制调节机构图。
图4 电动座椅完整模型
图5 电动座椅控制调节机构
2.2座椅坐垫升降部分
方案1:坐垫升降传动机构的构成中有一个心轴,蜗轮以及蜗杆轴等。调节的时候,电动机的能源使蜗杆轴运动,带动蜗轮转动,进一步牵动蜗轮中的心轴运动,从而让座椅做垂直的升降运动。图6即为坐垫升降部分该种传动方案机构图。
图6 座椅升降调节传动机构图
1—铣平面 2—止推垫片 3—心轴 4—蜗轮 5—挠性驱动蜗杆轴
方案2:坐垫升降传动机构的组成部分有滚珠丝杠,蜗轮以及蜗杆轴等。调节的时候,电动机的动力通过蜗杆轴传送给蜗轮,蜗轮转动并进一步使得与滚珠丝杠相配的螺母运动,导致与螺母相连的连杆机构做升降运动,座椅就能够升高或者降低。
现代工业技术成熟,汽车配件完整,运动部件可靠。所以应该着重考虑汽车坐垫上下重复运动对传动机构安全以及寿命的需求。所以选择方案2会更加合理。
2.3座椅坐垫前后移动部分
方案1:坐垫前后移动传动机构构成部分有蜗轮,蜗杆,齿条等。导轨有齿条与之连接,调节的时候,电动机的动力通过蜗杆输送给蜗轮,蜗轮与齿条相连,座椅随着齿条就能够实现前后水平移动。如图7即为此种传动机构图。
图7 方案1传动机构图
1—导轨,2—齿条,3—蜗轮
方案2:坐垫前后移动传动机构构成部分有蜗杆轴,蜗轮,滚珠丝杠,螺母等。调节的时候,电动机的动力通过蜗杆轴转送给蜗轮,蜗轮转动并进一步使得与滚珠丝杠相配的螺母运动。座椅上轨和滚珠丝杠相配的螺母连接,所以当螺母运动,座椅也能随着螺母前后移动。如图8就是该种传动方案的传功机构图。
图8 方案2传动机构
现代工业技术成熟,汽车配件完整,运动部件可靠。所以应该着重考虑汽车坐垫前后重复运动对传动机构安全以及寿命的需求。所以选择方案2会更加合理。
2.4座椅靠背倾斜部分
方案1:靠背倾斜传动机构组成部分中包含有电动机、蜗轮蜗杆、调节轴等。控制开关能够决定电机的转动。电机轴与蜗杆相连,力矩又通过蜗杆传递给蜗轮,蜗轮轴内部的槽口和调节轴相互连接。按动开关按钮,使蜗杆转动,与其啮合的蜗轮也跟着转动,产生的力又通过蜗轮轴传递给调节轴,使座椅靠背前倾或者后仰运动。
方案2:靠背倾角调节传动部件组成有铰链销钉、电动机、内外齿轮等。凸轮装置在销钉上,同时,凸轮轴1也就是外齿轮的中间轴,而外齿轮又连接着座垫;凸轮轴2也是链轮和内齿轮的中心轴,链轮与座椅靠背连接。倾角调节按钮在1或2方向的时候,电动机产生力矩,使链轮转动,同轴的铰链销钉随链轮同向转动。因为外齿轮连接座垫,所以凸轮轴2以凸轮轴1为圆心做圆周运动。
经过仔细的研究和反复的对比,方案2的实施过程中要投入大量的零件和专门的生产设计,而方案1实施起来相对简单、易操作,能够利用旧汽车的部件,所以选择方案1会更加合理。
3. 选用传动的特点
3.1齿轮传动
3.1.1齿轮传动特点
主动轮转动将动力传递给与之啮合的一个或多个从动轮,使之运动叫做齿轮传动。齿轮传动相互之间结构紧密、寿命长久、而且工作效率也很高。
齿轮传动是利用齿轮转动带动与之啮合的从动轮的传动方式。在日常生活的使用当中,为了能够传递动力或是运动,利用齿轮传动这种机械传动方式的情况非常普遍。
工作稳定性好,相比其他机械传动精确度高,工作效率高,结构紧密,这些都是齿轮传动的优点。但是齿轮传动的缺点也是显而易见的,首先制造过程中对生产设备要求高,其次由于齿轮之间传递动力是依靠轮齿相互啮合,所以很容易发出噪音。
3.1.2齿轮传动类型
1)圆柱齿轮传动
处于平行状态的两根轴之间需要传递动力一般会应用圆柱齿轮传动。根据齿轮排布的方式又可以分为直齿轮传动、斜齿轮传动和人字齿轮传动,可以根据实际传递的要求选择。而根据轮齿的啮合形式不同又可以分为齿轮齿条传动、外啮合传动和内啮合传动,前者能把转动转换为水平运动,或把水平运动转换为转动,后两种则不能改变运动方式。
齿轮传动的优点是工作稳定性好,使用寿命长,载荷和传动速度的需用范围大,相比其他机械传动精确度高,工作效率高,结构紧密。齿轮传动的缺点是首先制造过程中对生产设备要求高,且很容易发出噪音。
2)蜗杆传动
任意夹角两轴之间相互传输动力的机械传动方式被称作蜗杆传动。蜗杆传动被运用的范围非常广泛。利用蜗杆传动这种机械传动方式能够得到非常大的传动比,而且十分准确。同时,蜗杆传动是能够自锁的,不过在这种状态下的效率也会随之降低。正是由于蜗杆传动结构紧凑,在工作时稳定,所以在很多时候能够将其做为自锁蜗杆。但是自锁蜗杆也有其特有的缺点,最大的不足就是效率极低,多数还不足0.5,而且由于齿面滑动,所以会产生大量的热量,在中高速传动下需要精确度高、耐磨好的材料作为蜗杆齿圈,当然制作过程也相对复杂。

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好棒文