汽车座椅手动调角器卷簧设计研究

战磊,陈丽洁

(长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司，吉林长春 130033)

0 引言

汽车座椅是汽车上人体躯干直接接触的唯一零部件，它不仅需要保护乘员安全和支撑人体重力，同时还需满足乘坐的舒适性和功能性。为满足不同体型乘员的乘坐和驾驶舒适性，汽车前排座椅通常会设置靠背角度调节和座椅前后调节等基本功能。对于手动调节汽车座椅，靠背角度调节采用调角器来实现。通常，调角器上都需要安装一个平面涡卷弹簧：一方面，保证座椅靠背在进行角度调节时能够克服靠背重力，使得座椅靠背实现向前回弹；另一方面，能够平衡部分靠背重力，使其在向前回弹时，保证一定的回弹速度，不至于出现座椅靠背快速回弹引起的乘员伤害问题。

对于平面涡卷弹簧，机械行业标准JB/T 7366-1994[1]中已经给出了相应的设计方法与步骤。然而，为保证所设计的涡卷弹簧能够满足实际的应用，大多数汽车座椅制造公司会借助计算软件或者CAE仿真模拟的方法进行汽车座椅调角器卷簧设计和验证[2-4]。除此之外，一些零件制造商也会采用试错法进行涡卷弹簧设计，即先利用自动卷簧机进行样品试制，随后进行物理测试以验证卷簧设计能否满足使用要求[5]。无论应用计算软件进行开发还是试错法，均需要一定的花费，也会延长开发的进度。

本文作者依据机械行业标准JB/T 7366-1994[1]，对汽车座椅手动调角器卷簧的设计进行了研究，尝试找出适合汽车座椅调角器卷簧设计的手工计算方法，并对适合涡卷弹簧设计的材料进行了研究。通过研究，对调角器卷簧的设计及材料选择起到一定的指导作用。

1 实验方法与步骤

1.1 原材料

试验用原材料的化学成分及生产厂家如表1所示。

表1 原材料信息(质量分数)%

1.2 材料实验

材料拉伸实验在美国Instron公司5585型拉伸试验机上进行，拉伸试验执行标准ASTM E8、A370。材料硬度检测在美国Instron公司S2000型洛氏硬度计上进行，硬度试验执行标准ASTM E18。材料金相组织检测采用Leica MZ12型显微镜进行，金相检测执行标准ASTM E3、E407。

1.3 耐久实验

采用上述原材料制作成卷簧，随后按照标准JA_6800-HL-2，在时代集团TNS-W试验机上进行耐久试验，具体步骤如下：

试验1，调角器解锁，最后位置到最前位置，重复500个循环；

试验2，最前位置调节到最后位置，锁止靠背；再将靠背从最后位置调节到设计位置锁止靠背，重复操作2 000个循环；

试验3，最前位置调节到设计位置，锁止靠背，重复操作2 000个循环。

耐久试验按照JA 6800标准进行评价：

(1)完成600个循环后，不允许出现异常噪声；

(2)在每个试验模式下，在试验完成1/3后，调节装置最大尺寸松驰度不超过设计标准值的130%。

耐久试验前、后均对卷簧扭转力矩进行测量。

2 结果与讨论

2.1 涡卷弹簧设计计算

2.1.1 正向计算

对于汽车座椅，为确保使用过程中不出现噪声问题，调角器卷簧材料之间应避免相互接触；另一方面，卷簧的外端需要安装在座椅靠背骨架上，随着靠背前后调节进行转动，卷簧内端则需要固定在座椅骨架上。根据标准JB/T 7366-1994[1]中的描述，卷簧类型可以被确定为非接触型外端回转类平面涡卷弹簧。

在进行调角器卷簧参数正向计算时，有部分参数是确定的，包含：卷簧承受的转矩T，卷簧变形角ψ，允许安装的材料宽度b、卷簧的使用寿命ζ及卷簧的系数K1、K2。根据某轿车前排座椅调角器的工作需求，表2给出了以上参数的具体数值。根据标准JB/T 7366-1994中非接触型平面涡卷弹簧的设计要求和表1中所列出的已知条件，卷簧材料选用I级弹簧钢带。可以选用的常用材料有65Mn、50CrVA和60Si2Mn三种。具体的材料要求是：热处理后，材料硬度为40～48HRC，抗拉强度σb=1 275～1 600 MPa，其许用应力可计算为[σ]=0.6σb=765～960 MPa，为方便后续计算，取[σ]=960 MPa。

表2 卷簧确定的参数

依据公式(1)—(6)，则可以计算出卷簧的主要参数：

(1)

(2)

R1=(8～15)h

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：h为卷簧材料厚度；L为卷簧工作长度；R1为卷簧内半径；R为卷簧外半径；T为卷簧节距；n0为卷簧自由状态下的圈数。

将已知条件代入公式(1)—(6)，可以计算获得卷簧的主要参数，如表3所示。

表3 正向计算卷簧主要参数

可以看出：按照标准JB/T 7366-1994中非接触型卷簧的设计方法[公式(1)—(6)顺序进行计算]正向计算出的调角器卷簧，其材料长度L、卷簧内径R1和外径R、卷簧节距t等关键尺寸已经远远超出汽车座椅零件的安装需求，不符合座椅设计要求。因此，完全按照标准JB/T 7366-1994进行正向顺序计算，不适合汽车座椅调角器卷簧的设计。

2.1.2 反向计算

为了设计出在安装和性能上均满足汽车座椅调角器需求的卷簧，根据整椅安装尺寸的要求，先分别对卷簧材料厚度和节距进行限制，即：材料厚度h设计为3.2、3.5、4.0、4.5和5 mm，节距均为t=5 mm。可根据公式(2)、(7)对参数L和材料的需用应力[σ]进行计算

(7)

其中：[σ]为卷簧材料许用应力；K2为卷簧系数；b为卷簧材料宽度。

图1为不同材料厚度与卷簧基本尺寸以及材料需要的许用应力[σ]之间关系曲线。可以看出：在设定的条件下，当卷簧材料厚度h≤4.5 mm时，材料的许用应力[σ]≥1 200 MPa，按照[σ]=0.6σb，则材料抗拉强度σb≥2 000 MPa，在JB/T 7366-1994标准中无法找到相应强度的材料。因此，当卷簧尺寸参数确定时，应尽量选择厚度h>4.5 mm的材料；除了材料厚度h，卷簧材料宽度b也是影响其设计的参数之一。由于安装空间的限制，通常需要较薄的材料进行卷簧设计，以节省空间，因此，材料厚度h≤4.5 mm时，在其他卷簧尺寸确定的条件下，增加卷簧宽度b也可实现卷簧设计。图2为不同厚度材料强度与宽度b间关系曲线。可以看出：当材料厚度h一定时，材料强度值越大，卷簧宽度b值越小。当材料强度相同时，材料厚度h值越大，卷簧宽度值b越小。

图1 卷簧材料厚度与卷簧尺寸及材料强度之间的关系

图2 不同厚度卷簧材料强度与宽度关系曲线

以上结果表明：进行调角器卷簧设计，当预先设定卷簧的部分参数，然后根据标准JB/T 7366-1994中非接触型卷簧的相关计算公式进行反向设计，卷簧的尺寸、材料等参数能够满足汽车座椅调角器上设计需求。

2.2 卷簧材料实验结果

根据标准JB/T 7366-1994中表2和表5[1]，选定65Mn、50CrVA和60Si2Mn三种材料作为汽车座椅调角器卷簧设计材料。按图3所示工艺流程进行卷簧制造，并对热处理前后的材料进行了检测。热处理前标记为“B”，热处理后标记为“A”。材料金相组织如图4所示。

图3 50CrV、60Si2Mn和65Mn材料热处理工艺流程

图4 不同材料热处理前后金相组织

可以看出：3种材料热处理前均呈现相似的铁素体与珠光体混杂在一起的组织形貌；热处理后，材料的金相组织发生了明显的变化，转变成为板条状马氏体组织；3种材料在热处理后，微观组织上也并无明显区别。

随后，对3种材料的力学性能进行了检测，结果如表4所示。3种材料在进行热处理之后，力学性能均有很大程度的提高:硬度基本一致，均能达到45HRC;50CrV和65Mn材料强度值比较接近，抗拉强度为1 400 MPa左右，屈服强度为1 300 MPa左右;60Si2Mn材料的强度高于其他两种材料，屈服强度值为1 581 MPa，抗拉强度为1 720 MPa。根据第2.1节中的计算结果可知：3种材料热处理之后，60Si2Mn更适合用于卷簧的设计和制造。

表4 热处理前、后不同材料力学性能检测结果

为进一步确定适用于汽车座椅调角器卷簧设计的材料，根据文献[6]中所述的简易算法和所测得的相关数据，对不同材料疲劳寿命进行了估算，结果如图5所示。估算的结果表明：60Si2Mn疲劳寿命高于其他两种材料，相同条件下，采用60Si2Mn制作的卷簧具有更高的疲劳寿命。

图5 不同材料计算S-N曲线

2.3 卷簧测试

为验证以上结论，分别采用50CrVA和60Si2Mn两种材料，按照相同的卷簧尺寸参数制作了卷簧。在试验机上对两种卷簧进行疲劳耐久实验，并对实验前后卷簧的扭转力矩进行了测量。表5为卷簧不同位置点进程和回程扭矩及扭矩衰减率结果。

表5 不同材料10 000次疲劳实验前、后回转扭矩对比

可以看出：进行了疲劳实验后，50CrVA卷簧的进程和回程扭矩均出现较大幅度衰减， 60Si2Mn卷簧的扭矩衰减相对较小，说明采用60Si2Mn制作的卷簧更为耐久。此结果进一步验证了60Si2Mn是设计、制造调角器卷簧的最佳材料。

3 结论

基于手工计算的方法，进行了汽车座椅调角器涡卷弹簧设计和材料选择的研究。结果表明：

(1)标准JB/T 7366-1994中非接触型平面涡卷弹簧的正向设计方法不适用汽车座椅调角器卷簧的设计；

(2)根据安装空间的尺寸限制，预先假定一些卷簧参数，进行反向设计，可以设计出适合汽车座椅使用的调角器卷簧；

(3)通过对50CrV、60Si2Mn和65Mn三种卷簧材料的研究，结果表明：相同设计参数，60Si2Mn材料最适合进行调角器卷簧的设计和制造。