張利、陳述、陳泉

（1.佛吉亞（柳州）汽車座椅有限公司，柳州 535000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，乘用車消費(fèi)市場逐年擴(kuò)大，我國已躍居汽車消費(fèi)第一大國。乘用車作為家用汽車的首選，其座椅必須滿足調(diào)整便利性和舒適性兩大要求。駕駛員通過調(diào)節(jié)操作，可以將座椅調(diào)整到最佳位置，以獲得最好視野、易于操縱方向盤以及方便控制離合器踏板、加速踏板和制動(dòng)踏板等，還可以獲得最舒適和最習(xí)慣的乘坐角度。座椅的位置調(diào)整可以通過手動(dòng)或電動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)，本文主要研究手動(dòng)座椅的調(diào)高機(jī)構(gòu)問題。

1 座椅手動(dòng)調(diào)高機(jī)構(gòu)問題

座椅手動(dòng)調(diào)高機(jī)構(gòu)結(jié)由大量的精沖部件組成（圖1），主要包括前連接板、后連接板、手動(dòng)調(diào)高器、調(diào)高齒板、調(diào)高手柄、側(cè)板以及提升管等多個(gè)零件。各連接板通過鉚釘連接，調(diào)高齒板與調(diào)高器嚙合，調(diào)高手柄裝配在調(diào)高器上。其中，調(diào)高齒板、前后連接板和提升管等零件組成四連桿機(jī)構(gòu)。

圖1 座椅調(diào)高機(jī)構(gòu)示意圖

用戶通過上下操作調(diào)高手柄給調(diào)高器輸入扭矩，調(diào)高器末端的輸出小齒輪與齒板嚙合，通過調(diào)高器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將力矩傳遞到齒板上，使齒板轉(zhuǎn)動(dòng)。齒板的后端與連接板（連接板固定在坐墊骨架側(cè)板上）相連接，但是可以轉(zhuǎn)動(dòng)。齒板轉(zhuǎn)動(dòng)以后，沿著止動(dòng)槽運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)座墊骨架運(yùn)動(dòng)。通過之間相連的連桿，形成四連桿運(yùn)動(dòng)，從而使得座盆達(dá)整體抬升或下降，最終達(dá)到座椅高度調(diào)整的目的。調(diào)高手柄在回復(fù)時(shí)所需的回復(fù)力由調(diào)高器上的回復(fù)彈簧提供。

某乘用車手動(dòng)駕駛員座椅試制期間，操作座椅的高度調(diào)節(jié)手柄進(jìn)行高度調(diào)節(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有2 個(gè)問題：第一，有部分座椅的調(diào)高器齒輪與調(diào)高齒板出現(xiàn)跳動(dòng)式接觸，俗稱跳齒、滑齒（圖2）；第二，有一部分調(diào)高器齒輪與調(diào)高齒板出現(xiàn)齒牙相互頂死的情況，即頂齒（圖3）。

圖2 座椅調(diào)高中出現(xiàn)跳齒

圖3 座椅調(diào)高中出現(xiàn)頂齒

2 座椅調(diào)高跳齒問題分析

2.1 調(diào)高跳齒問題描述

經(jīng)驗(yàn)證，在空載狀態(tài)下，座椅高度調(diào)節(jié)功能正常，無跳齒、頂齒現(xiàn)象。當(dāng)體重60～75 kg 的人員乘坐時(shí)，有3～5 次的跳齒；體重40～60 kg 的人乘坐時(shí)，有1～2 次的跳齒；體重小于40 kg 的人員乘坐時(shí)，跳齒故障現(xiàn)象表現(xiàn)不明顯。通過驗(yàn)證可以看出，不同體重的人乘坐并調(diào)節(jié)座椅高度時(shí)出現(xiàn)跳齒的幾率和表現(xiàn)程度不一，跳齒次數(shù)有0～5 次不等。

2.2 調(diào)高跳齒問題分析

現(xiàn)代齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)越來越精細(xì)化，每個(gè)齒輪的傳動(dòng)半徑、區(qū)域都處于標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)。如果有瑕疵存在，很容易導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生輕微變化，繼而引起局部磨損加劇，導(dǎo)致?lián)p傷加劇。另外，輪輻、齒圈以及輪轂等部分的材料特性、設(shè)計(jì)合理性及工藝可靠性，都可能影響整個(gè)傳動(dòng)裝置的可靠性。

調(diào)高機(jī)構(gòu)的異常涉及齒輪嚙合、沖壓件的沖壓鉚接以及零件的裝配這3 個(gè)方面。根據(jù)現(xiàn)場拆解的故障件并對整個(gè)工藝過程進(jìn)行分析，總結(jié)出以下幾個(gè)導(dǎo)致故障發(fā)生的因素。

分別抽10 個(gè)調(diào)高器和調(diào)高齒板上檢具檢查并進(jìn)行測量，測量結(jié)果結(jié)果顯示（表1），調(diào)高器齒輪齒根圓直徑合格，齒頂圓直徑偏小。齒輪齒板嚙合過程中容易導(dǎo)致齒輪嚙合面積減少，可能出現(xiàn)提前脫齒，產(chǎn)生滑齒現(xiàn)象。

表1 調(diào)高器掃描測量結(jié)果

調(diào)高齒板齒頂圓、齒根圓尺寸合格，但腰型孔不合，齒表面凹凸不平，表面質(zhì)量不合格。經(jīng)評估上述問題對跳齒問題影響不大。

抽四連桿機(jī)構(gòu)各零件10 套上檢具，結(jié)果均符合要求。查看連接板、齒板等四連桿機(jī)構(gòu)鉚接工序，發(fā)現(xiàn)鉚接鉚釘設(shè)備無輔助定位工裝。齒板與提升連桿、連接板以及轉(zhuǎn)動(dòng)板鉚接時(shí)，缺少輔助定位工裝，員工靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行鉚接，鉚接質(zhì)量只能依賴員工的熟練程度。鉚接后各零件的配合零件一致性差，無法保證各“連桿”在同一空間平面，無法保證齒板旋轉(zhuǎn)中心與調(diào)高器的中心距。

拆解跳齒故障件座椅，發(fā)現(xiàn)座椅骨架在調(diào)節(jié)高度的過程中，齒板左右擺動(dòng)明顯，極端情況下齒板甚至與調(diào)高器安裝支架干涉。由此可判定鉚接工序缺乏定位工裝對該問題有貢獻(xiàn)。

查看調(diào)高器裝配工序，坐墊骨架側(cè)板上調(diào)高器螺栓安裝孔和齒輪軸限位套定位孔都是從連接板內(nèi)側(cè)向外側(cè)沖壓而成。在外側(cè)4 個(gè)孔位處，易殘留有毛刺、銳邊。

由于調(diào)高器需和已鉚接的齒板相嚙合，安裝孔毛刺銳邊的存在易造成員工裝配調(diào)高器困難，經(jīng)常需用橡膠錘敲擊，才能確保調(diào)高器齒輪限位裝進(jìn)定位孔。而敲擊后左連接板已變形，影響調(diào)高器齒輪軸與連接板的垂直度以及與3 根安裝螺栓的同軸度。

2.3 齒輪嚙合重合度計(jì)算

根據(jù)機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)可知，齒輪傳動(dòng)是依靠各對齒輪的依次嚙合來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際嚙合線的長度與基圓齒距的比值稱為重合度。為了使齒輪能夠連續(xù)傳動(dòng)，應(yīng)該保證前一對齒輪脫離嚙合時(shí)，后一對齒輪就要進(jìn)入嚙合，因此應(yīng)該使重合度大于1。

調(diào)高器齒輪參數(shù)如表2所示。

表2 調(diào)高器齒輪參數(shù)

齒板為供應(yīng)商按數(shù)模開模精沖件，測量10 件尺寸均合格。齒板參數(shù)按數(shù)模給定，按照其中齒頂圓直徑為120.00 mm、模數(shù)為2、變位系數(shù)為-0.785（按等高變位）作為計(jì)算依據(jù)。齒輪齒

板中心距按理論中心距66.00 mm，π 均按3.14 計(jì)算。

由上述可知齒輪和齒板的分度圓直徑和分別為：

==2×6=12.00 mm

==2×60=120.00 mm

齒輪和齒板的齒頂圓直徑d和d分別為：

d=18.30 mm

d=120.0 mm

齒輪和齒板的基圓直徑d和d分別為：

則齒頂圓壓力角α和α分別為：

由此可計(jì)算出實(shí)際重合度：

計(jì)算結(jié)果表明,齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重合度小于1，不滿足兩齒輪間連續(xù)傳動(dòng)條件。這會(huì)造成傳動(dòng)不平穩(wěn)，齒與齒之間不連續(xù)嚙合，因而產(chǎn)生滑齒、頂死問題。

圖紙中心距偏差計(jì)算：根據(jù)座椅骨架側(cè)板圖紙標(biāo)注的尺寸，齒輪與齒板中心水平方向65.80 mm，垂直方向尺寸5.70mm，根據(jù)勾股定理計(jì)算：

根據(jù)圖紙給出的齒輪齒板安裝孔位置度為0.30 mm，2 個(gè)安裝孔尺寸偏差為0.10 mm，假設(shè)齒板孔軸尺寸鏈的公差為0.1 mm，則中心距的誤差為：

0.30+0.10+0.10=±0.50 mm。

按以上配合公差，中心距最大可達(dá)66.50 mm，計(jì)算齒輪齒板嚙合重合度（圖4）。此時(shí)重合度由0.87 下降到0.651，影響非常明顯，更加不滿足兩齒輪間連續(xù)傳動(dòng)條件，會(huì)造成傳動(dòng)不平穩(wěn)。

圖4 圖紙重合度計(jì)算

按調(diào)高器小齒輪參數(shù)和中心距校核數(shù)模齒板齒形與理論齒形。

理論齒頂圓直徑為：

d=[±2(?+)]=2×[60+2×(1-0.785)]=120.86 mm式中—齒板模數(shù)

—齒板齒數(shù)，為60

?—齒頂高系數(shù)，國標(biāo)上ha?=1

—齒板的變位系數(shù)，為-0.785

數(shù)模齒頂圓直徑為：120.00 mm；實(shí)際和理論齒形除了齒頂圓相差0.43 mm，其余齒廓完全相同。

調(diào)高器齒輪參數(shù)：按表2給定參數(shù)。

中心距：按理論中心距66.05 mm。

齒板參數(shù)：理論的齒頂圓直徑120.86 mm；模數(shù)為2；變位系數(shù)為-0.785（按等高變位）。

計(jì)算齒輪和齒板分度圓直徑：

==2×6=12.00 mm

==2×60=120.00 mm

齒輪和齒板的齒頂圓直徑d和d分別為：

d=18.30 mm

d=[±2(?+)]=2×[60+2×(1-0.785)]=120.86 mm

齒輪和齒板的基圓直徑d和d分別為：

則齒頂圓壓力角α和α分別為：

計(jì)算理論重合度：

理論設(shè)計(jì)重合度大于1，滿足兩齒輪間連續(xù)傳動(dòng)條件。

2.4 原因分析小結(jié)

（1）實(shí)際數(shù)模齒板齒頂圓直徑比理論齒頂圓直徑小0.86 mm，導(dǎo)致嚙合重合度小于1，傳動(dòng)不連續(xù)。

（2）中心距誤差對重合度影響較大，最差重合度僅為0.651，跳齒、頂死的故障更容易出現(xiàn)。

（3）鉚接質(zhì)量、采購件質(zhì)量以及裝配質(zhì)量會(huì)影響齒板與齒輪嚙合的重合度。

3 優(yōu)化方案

3.1 鉚接及裝配工序零件優(yōu)化

（1）開發(fā)專用鉚接設(shè)備，確保齒板、四連桿機(jī)構(gòu)的鉚接一致性。

（2）針對側(cè)板沖壓件安裝孔毛刺銳邊問題，調(diào)整沖壓方向，將銳邊毛刺消除。

3.2 齒輪齒板嚙合優(yōu)化

針對齒輪齒板嚙合問題，提出以下2 個(gè)優(yōu)化方案。

（1）齒板齒形按理論齒形優(yōu)化，即齒頂圓直徑更改至120.86 mm，傳動(dòng)重合度可達(dá)到1.08，滿足穩(wěn)定傳動(dòng)要求。

方案優(yōu)點(diǎn)：只需修改齒板，其余零件不用修改。

方案缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)包容低，要求中心距精度高，容易受加工、裝配誤差而影響重合度，導(dǎo)致傳動(dòng)不連續(xù)。

（2）增加調(diào)高器齒數(shù)，更換供應(yīng)商，采用8 齒調(diào)高器，并重新設(shè)計(jì)配對齒板，增大設(shè)計(jì)包容。使用8 齒調(diào)高器，計(jì)算此時(shí)的傳動(dòng)重合度（圖5），重合度達(dá)到1.32。即使中心距按66.50 mm，計(jì)算出其重合度為1.08，大于1，設(shè)計(jì)包容較大，傳動(dòng)穩(wěn)定性高。

圖5 優(yōu)化后重合度計(jì)算

方案優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)包容較大，即使制造有偏差也不會(huì)出現(xiàn)明顯的跳齒故障。

方案缺點(diǎn)：需要更換新的調(diào)高器，重新開發(fā)新齒板，并重新驗(yàn)證。

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，考慮加工、裝配后中心距誤差對重合度影響較大，最終采用方案二，選用8 齒調(diào)高器，開發(fā)新的齒板，以保證較大重合度，從而徹底解決了座椅調(diào)高過程中跳齒頂齒的問題。

4 結(jié)束語

本文針對駕駛員座椅調(diào)高過程的跳齒、頂齒問題，通過對座椅調(diào)高機(jī)構(gòu)的拆解分析，校核調(diào)高齒輪齒板的嚙合重合度，以此判斷調(diào)高機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)來制定解決方案，再對裝配工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，解決了駕駛員手動(dòng)座椅調(diào)高跳齒、頂齒的問題，對其他類似車型調(diào)高系統(tǒng)開發(fā)有參考意義。