王国军 王军武

摘要：针对汽车座椅调节驱动器断裂失效的问题，通过试验和有限元分析相结合的方法，根据失效的特征提出了优化方案。试验和有限元仿真的结果表明：在设计荷载范围内，优化后结构没有出现断裂现象且结构的输出扭矩增大了75N.m。同时试验结果与有限元结果的误差为5.74%，进一步验证了分析的正确性。

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.

關键词：有限元;强度;优化;驱动器

Key words： FEA;strength;optimization;actuator

中图分类号：TP333.3                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0039-02

0  引言

驱动器在汽车座椅上有广泛的应用，主要调节座椅的高度、角度、前后距离等，以满足驾驶人员开车的舒适性。其中，渐开线少齿差行星齿轮传动有许多优点：如效率高、体积小、传动比大等[1，2]。本文以汽车座椅调节驱动器为研究对象，针对断裂失效的问题，通过试验和仿真分析，提出优化方案，提高了驱动器的强度。

1  驱动器的结构

该款驱动器为K-H-V（N）型少齿差行星齿轮传动，由电机提供动力。根据反馈，该结构出现功能失效，拆机分析如图1所示，可以明显看出：金属滑块出现断裂。该金属滑块联轴器把行星齿与输出轴联结起来，材料为scm415，表面硬度HRC50～55/芯部硬度HRC35～40。

2  建立模型

利用3D软件建立驱动器几何模型如图2所示，根据失效模式重点关注金属滑块的应力分布。

利用ANSYS Workbench进行有限元分析[3-5]。边界条件按照安装方式进行施加，荷载为扭矩。原始金属滑块材料为scm415;优化方案中替换的材料为42CrMo。塑料箱体为PBT GF30，材料力学参数如表1所示，图3为塑料PBT GF30非线性应力应变关系图。

3  结果分析

重点分析失效断裂滑块的应力分布情况，应力云图如图4所示。从图中可以看出金属滑块凸出部位变形大且应力比较集中，最大应力为1193.5MPa，超过断裂强度818.91MPa，结构的最大承受扭矩为158.4N.m。

根据仿真的结果，对应力集中的两个地方进行优化，同时将金属滑块scm415材料替换强度更高的42CrMo材料。几何优化方案和对应的应力云图如图5，仿真的结果如表2所示，可以看出优化后结构的荷载约为220N.m，提高了62N.m，同时结构的最大应力为1153.7MPa，小于42CrMo材料的断裂强度1166.165MPa。

4  试验分析

将原始和优化方案的样品分为2组，原始方案：1#，2#，3#;优化方案：4#，5#，6#。对样品进行强度实验测试，旋转方向缓慢施加荷载，测试如图6所示[6，7]。试验结果如图7和表3所示。图7为样品1#和4#的荷载扭矩与时间曲线。从结果可以看出：原始方案的最大扭矩为150N.m;优化方案1的最大扭矩为225N.m，提高了75N.m。可见：优化方案可以满足设计要求（大于175N.m），增大了结构的强度。

对优化样品施加设计荷载175N.m后，实物拆机如图8所示，金属滑块没有出现失效。

表4为试验结果与有限元结果的对比，误差为5.74%，进一步验证了分析的正确性。

5  结论

本文基于试验和有限元分析相结合的方式，对汽车座椅调节驱动器断裂失效进行分析。根据有限元应力分布的特点，对结构进行局部尺寸优化，同时把scm415材料替换为强度更高的42CrMo材料。结果表明：优化后结构没有出现断裂现象且结构的输出扭矩增大了75N.m。同时试验结果与有限元结果的误差较小，仅为5.74%，进一步验证了分析的正确性。

参考文献：

[1]陈婷.渐开线少齿差行星参数优化设计研究[D].中国航天科技集团公司第一研究院，2018.

[2]吴素珍，周集祥，李金超，陈旭.工业机器人用渐开线少齿差行星齿轮接触强度分析[J].河南工程学院学报（自然科学版），2020，32（01）：29-33.

[3]冯晓宁，叶思颖.渐开线少齿差行星齿轮传动超载能力的有限元分析[J].煤矿机械，2016，37（02）：70-72.

[4]李正胜.CHC型少齿差减速器动力学特性研究与仿真[D].武汉理工大学，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]刘丹，唐德威，邓宗全，姜生元.少齿差齿轮传动承载能力分析及体积优化[J].机械设计与制造，2012（12）.

[7]翟聪.新型渐开线少齿差行星减速器的优化设计研究[D].机械科学研究总院，2017.

作者简介：王国军（通讯作者）（1982-），男，湖南永州人，本科，研究方向为机械设计研究;王军武（1990-），男，湖南长沙人，本科，研究方向为机械设计研究。