在汽车座椅三维建模中将座椅减震装置简化为弹簧的分析

郭宇鸿+赵卫国+李渊

摘 要：在重卡汽车座椅竖直方向各项力学分析过程中，减震装置的三维模型建立工作量大。鉴于此，提出可以忽略座椅减震装置在水平方向的作用，分析其竖直方向上的性能，通过参数计算，选择合理的弹簧组件，在一定程度上将减震装置等效为弹簧组件，从而在不影响仿真效果的同时减少不必要的工作量。

关键词：汽车座椅；三维建模；减震装置；弹簧

中图分类号：U463.83+6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.130

随着社会的发展，汽车在世界各国国民经济和社会生活中起到越来越重要的作用，它与人们的生活息息相关。对汽车座椅的研究主要通过实体实验与计算机仿真，在计算机仿真中通常需要建立三维模型，并在此基础上进行静力学分析、模态分析等，从而进行座椅的优化设计。在计算机辅助设计的过程中，通常会对构成座椅的一些零件进行选择性的简化，以到达减少工作量的目的。本文提出对座椅减震装置进行等效简化，通过弹簧组件表达减震装置的部分功能，并针对等效转换建立一种数学模型，为之后相关座椅的研究提供方便。

汽车座椅的分类依据一般有4种，分别是根据安装在车上的位置不同分为前排座椅和后排座椅，根据座椅座位的数量分为单人座椅和多人座椅，根据调节机构的驱动方式可分为手动调节座椅和电动调节座椅，根据功能要求可分为滑动座椅、折叠座椅、翻移式座椅、旋转座椅、侧向座椅等。

一般而言，座椅总成包括头枕组件、面套组件、靠背骨架组件、靠背海绵组件、调角器组件、坐垫骨架组件、坐垫海绵组件、滑轨组件、塑料装饰盖、扶手组件等。

1 等效转换公式推理

实际的汽车座椅骨架模型由上百个零件组装而成，在计算机辅助三维建模的过程中，通常需要对汽车座椅骨架模型进行适当简化，保留靠背骨架、座垫骨架、靠背连接板、座垫连接板、调角器和滑轨等对汽车座椅骨架起主要支撑作用的零部件模型。

首先需要通过实验确定减震装置在竖直方向上的弹力的大小，即确定劲度系数k.实验思路为当不同体重的司机坐在座椅上时，座椅在竖直方向有不同的位移量，将位移量z、座椅质量m与司机体重M代入公式（1）可得到公式（2）：

F=kΔx.

（m+M）g=kz.

不同的重力（m+M）g对应相应的位移量z，通过求差，可得司机重力Mg与位移差Δz，代入式（2）进而可得以下公式：

Mg=kΔz.

则可得：

k=Mg/Δz.

又因为弹簧的劲度系数与弹簧的材料、弹簧丝的粗细、弹簧圈的直径、单位长度的匝数及弹簧的原长有关，即：

式（5）中：G为线材的刚性模数，N/mm2（即切变模量）；d为线径，mm，Do=OD=外径（mm），Dm=MD=中径=Do-d（mm）；N為总圈数；Nc为有效圈数，Nc=N-2[3].

此外，在模型建立的过程中，可以采用将相同的弹簧进行并联的方式，则有：

将减震装置等效代换需要满足以下公式：

将公式（4）（5）（6）代入公式（7）可得：

一般汽车座椅质量为38 kg，减震行程为30～60 mm，体重调节范围为40～130 kg，令Mg与Δz对应的一组数据见表1.

拟采用弹簧参数为：线径3.5 mm，外径23.5 mm，钢丝材质为不锈钢丝，则G=7 300 N/mm2，d=3.5 mm，Do=23.5 mm，Dm=20 mm，令并列弹簧数量为4.可得k=20 N/mm。

令k=k`并=nk`，将k`=5 N/mm代入公式（5），可得：

则Nc=3.42圈，则弹簧圈数应该为5.42.

2 有限元模型仿真实验

建立仿真模型，弹簧参数设置为：线径为3.5 mm，外径为23.5 mm，钢丝材质为不锈钢丝，并列弹簧数量为4.令m=38 kg，g=10，分别施加400 N、600 N、800 N、1 000 N、1 200 N的垂直方向均布载荷。

当施加载荷为400 N时，弹簧形变量范围为16～24 mm；当施加载荷为600 N时，弹簧形变量范围为24～37 mm；当施加载荷为800 N时，弹簧形变量范围为32～49 mm；当施加载荷为1 000 N时，弹簧形变量范围为41～61 mm；当施加载荷为1 200 N时，弹簧形变量范围为49～74 mm。 通过分析可得表2.

通过对比表1与表2，可以得出结论：仿真结果与理论数据相符。

3 结论

首先通过实验得出一组Mg与Δz的相应数据，其次确定代替弹簧的种类与型号，就可以得出相应线材的刚性模数、线径、中径，分别代入公式（8），最后确定并联的数量n，这样即可以确定选用弹簧的圈数。

参考文献

[1]钟柳华，孟正华，练朝春.汽车座椅设计与制造[M].北京：国防工业出版社，2015：3-7.

[2]王淑芬，赵旭阳，李玉光.某汽车座椅骨架的动态特性分析[J].机械设计与制造，2015（6）：145-150.