摘 要

本文通过对汽车座椅及其性能的分析，介绍了疲劳试验的原理和要求，在充分理解了疲劳试验的前提下，对完成该实验的试验台整体结构进行了简单的介绍和设计 ，并且完成了试验台加载系统这一部分具体结构的设计。加载系统的结构主要包括四个部分，升降装置、左右移动装置、稳定装置和砝码托盘装置。

设计的过程中，将多种结构方案的设计对比检验 ，选择出最为合理美观并且节约成本的方案。对于关键部位和零件进行了相关结构或者强度上的校核，确保整体结构合理安全，在许用范围之内。最终借助CAD制图软件绘制出加载装置的装配图，复杂部件图以及相关零件图。

关键词：汽车座椅；疲劳试验；加载系统；结构设计

Abstract

In this paper, through the analysis of the car seat and its performance, the principle and requirements of the fatigue test are introduced. Under the premise of fully understanding the fatigue test, the overall structure of the test rig to complete the experiment is briefly introduced and designed, and is completed. The design of the specific structure of this part of the test bed loading system. The structure of the loading system mainly includes four parts, a lifting device, a left and right moving device, a stabilizing device and a weight tray device.

During the design process, the design of various structural schemes is compared and checked to select the most reasonable and aesthetically pleasing scheme. For the key parts and components, check the relevant structure or strength to ensure the overall structure is reasonable and safe within the allowable range. Finally, using CAD drawing software to draw the assembly drawing of the loading device, the complex part drawing and the related parts drawing.

Key Words：Car seat；fatigue test；loading system； Structural design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题及其背景 1

1.2 设计疲劳试验台的目的及意义 1

1.3 轿车座椅及疲劳试验的发展趋势 2

1.4 疲劳试验台加载系统设计的基本内容包括工作要求、设计思路以及设计目标 2

第2章 轿车座椅及疲劳耐久性实验 3

2.1 轿车座椅结构及性能要求 3

2.2疲劳试验 4

2.2.1 振动及相关技术要求 4

2.2.2 座椅颠簸蠕动耐久性试验 5

第3章 汽车座椅疲劳试验台总体设计 8

3.1激振系统 8

3.2加载系统 10

3.3信息采集分析系统 10

第4章 汽车座椅疲劳试验台加载系统结构设计 12

4.1加载模拟系统设计 12

4.1.1 砝码托盘装置的结构设计 12

4.1.2 砝码托盘装置的尺寸设计 13

4.2加载稳定系统设计 14

4.3升降调节系统设计 15

4.3.1丝杠传动副设计 16

4.3.2滚动导轨设计 19

4.3.3减速机的选择 21

4.3.4电动机的选择 22

4.4水平调节系统设计 25

4.4.1传动件设计 25

4.4.2 手轮设计 28

第5章 毕业设计总结 30

参考文献 31

致谢 33

附 录 34

第1章 绪论

轿车座椅与驾驶员的安全直接相关，轿车座椅已经不仅仅局限于要满足乘坐和美观，更加注重的是汽车座椅的舒适度和安全性能，国内外的相关法规更是明确规定了轿车座椅的安全性和疲劳强度的要求。因此，必须要对汽车座椅的疲劳强度进行检测试验，也就意味着需要有专门完成该项实验的试验台装备。

1.1 选题及其背景

本次毕业设计选题为“轿车座椅疲劳试验台加载系统设计”，轿车座椅是轿车中一个重要的部件，其性能好坏直接影响汽车的舒适性。本次选题的试验台用于成型汽车座椅的疲劳试验即反复振动耐久性测试。

自1896年福特研发出第一台汽车之后，随着科技和工业的不断发展，人们生活水平的不断提高，轿车也逐渐普及。国内外的轿车市场，特别是一些发达国家，都是以经济型轿车作为市场的主流。发展到现在的阶段，经济原因已经不是唯一限制人们购买轿车的原因，例如节能，环保，舒适度，车型样式等也成为人们考虑的因素。其中轿车座椅的舒适度必然是一个重要的考虑对象，轿车座椅是与驾驶员驾驶轿车直接相关的，轿车座椅性能的检测和研究也必然要不断发展。更重要的是，无论是国内还是国外，都有相关法律法规对座椅的安全性和疲劳强度提出了明确的要求。如今，国内外对于轿车座椅疲劳耐久性的研究也不趋于少数，疲劳试验台也在不断改进和发展。我国的汽车工业发展较国外相对缓慢，对于疲劳试验台的自主研发能力还有待提高^[1]。

1.2 设计疲劳试验台的目的及意义

轿车在行驶过程中会遇到各式各样的状况，这些情况多而复杂，例如紧急制动，转弯，加速刹车以及意外摩擦等等。要想让轿车座椅在这些复杂的情况下依然能够保持良好的性能和舒适度，并具有一定的寿命，那就需要座椅有足够的疲劳强度，能够经受得住过多的振动和摩擦而不至于性能下降。我们必须了解同时也要让顾客了解座椅的这一性能，那么驾驶的人可以根据实际情况和座椅的寿命对座椅适时的做出修整和改进，避免由于过度疲劳而导致在行驶过程中发生不适从而发生意外。鉴于轿车在长期复杂的行驶条件下行驶，要想汽车在行驶中保持安全和平稳，必须对座椅进行严格的试验。因此，有一套完善的疲劳实验台意义重大，间接的关系着轿车和驾驶员的安全。而此次，对轿车座椅疲劳试验台的设计，可以让座椅在试验台上模拟轿车在实际行驶中的振动状况，而不必进行实地试验，既节省时间也减少人力物力，进从而简化试验条件和周期，提高轿车座椅疲劳实验的试验效率。

1.3 轿车座椅及疲劳试验的发展趋势

首先，随着科技的不断发展，人们对座椅的要求已经从最初基础功能的实现，转向一些其他的要求，例如安全性，在振动或者意外事故时，汽车座椅对于人体的保护作用是非常巨大而且关键的，可以减少损伤，起到决定性作用，安全性是越来越受到人们的关注。再比如美观性，在安全的同时很多人也希望座椅可以更加的美观，具有观赏性。还有就是舒适性，舒适性也与安全性密不可分，汽车座椅的舒适性与很多因素相关，比如材料的柔软程度还有包覆性等等，更与悬挂系统和座椅的减振性密切相关，所以现在舒适性也是用户选择座椅的一大关键因素^[2]。

疲劳试验的发展趋势，实验的完整性和装置的先进性都在不断发展进步。振动的合理性，仿真的完全度是在逐渐的增加，力求更加接近轿车在行驶过程中的真实情况。实验的装置也在不断的升级，从简单的试验台到产生五自由度的振动台再到六自由度的振动台，试验装置越来越先进。相关设备也是不断有所提升，比如伺服控制器、液压控制系统还有传感器等等，这些装备的改进能够使得试验更加准确顺利的进行的同时，也间接地推进了疲劳试验的进步^[3]。

1.4 疲劳试验台加载系统设计的基本内容包括工作要求、设计思路以及设计目标

工作要求：该轿车座椅疲劳试验台属于试验测试设备，主要由三个子系统组成，主要包括激振控制系统、加载系统、以及数据采集和分析系统。本次设计只需完成加载系统装置部分的设计，主要包括加载升降装置，水平调整装置，稳定装置还有砝码托盘装置四个部分。试验台的结构设计要求尽量做到合理简单、使得能耗较低而且方便维修，操作更加简单。

设计思路：首先理解选题并且确定加载装置的作用，分析整个加载装置的功能原理，理解加载系统的工作方式，设计确定疲劳试验台加载系统可以分为几个部分，根据每个部分结构的作用，按照工作方式给每个部分设计具体的结构，设计的同时选择合适的材料和确定合理的外形尺寸，最后校核相关零件的性能要求，确保结构的合理性和安全性。

设计目标：

（1）熟悉轿车疲劳试验台系统及其工作原理；

（2）熟悉并掌握CAD二维建模软件的使用，并利用CAD绘制出疲劳试验台的装配图以及相关零件图。

（3）完成轿车疲劳试验台加载系统的设计及计算，编写好对应的设计说明书。

第2章 轿车座椅及疲劳耐久性实验

2.1 轿车座椅结构及性能要求

座椅是轿车中的重要功能构件之一，轿车座椅主要由头枕、靠背和坐垫构成，有些还有扶手^[4]。如图2.1所示：

图2.1 汽车座椅

从轿车座椅的结构来看，座椅是由骨架、泡沫软垫和椅套三个部分组成的。骨架用于支撑人体和座椅的重量,一般会采用钢材作为基材。近年来，为了使得汽车的重量更轻，行业一直在研究碳纤维复合材料，希望能够代替钢材作为基材。泡沫软垫的作用是分散载荷，改善座椅的舒适度，常用的泡沫软垫的材料是聚氨酷^[5]。与驾驶员以及乘客直接接触的是轿车座椅的椅套部分，椅套可以保护坐垫的泡沫，同时在外观上也会影响到轿车座椅的整体风格和质量，所以轿车座椅的椅套也是比较关键的。

在轿车行驶的过程中，驾驶员或乘客会在轿车不同的运动情况下受到不一样的力，基础的运动就是即使在路面上平稳的行驶，我们的人体也会存在微弱的颠簸和振动；如果轿车需要加速或减速时，人体会产生前后俯仰运动；轿车运动的过程还会引起其他元件的简谐振动。在这些运动中，轿车座椅对人体的保护作用至关重要^[6]。因此，座椅的好坏极大的影响了人体的感受，轿车座椅的寿命和疲劳强度也间接影响着轿车行驶过程中的安全。

轿车座椅在使用时会发生各种状况，轿车启动和刹车必然带来极大的惯性力，在这种的惯性力的作用下，人体会随着惯性做向前或向后的运动；如果轿车发生碰撞，会产生巨大的力，这时候座椅起到的作用就十分关键，因为冲击力在经过座椅之后会产生衰减，到达人体时已经减少了很多，间接地起到了保护乘客和驾驶员的作用。轿车座椅的重要性要求在制造时满足三个基本功能：

（1）保护乘客的功能。轿车座椅需要起到防止乘客无意识的滑移作用，或者在发生交通事故时能够尽量阻止乘客产生较大的位移，这就要求座椅要能够和其他轿车系统一起提供保护乘客的功能，涉及到人员安全的问题都是首要问题。

（2）支撑及定位功能。支撑作用，顾名思义就是作为一个载体，而定位才是关键的一步，不同的位置就会产生不一样的感觉，因为驾驶员操控车辆的时候，不同的舒适感会影响操作从而带来不一样的后果，能够较好的定位就可以提高驾驶的安全性。

（3）舒适性功能。轿车座椅是否舒适需要依靠整个座椅系统来保证，如发泡海绵等各种机构都要有良好的性能^[7]。

轿车座椅有很大的重要性和功能性，座椅与人是直接接触的，对于座椅性能的检测是必须的，疲劳耐久性实验是其中一个很重要的检测项目。因此，必然要有一套完善的检测试验台完成项目的检测。

2.2疲劳试验

一般的疲劳实验是指检查人体疲劳程度的实验，通过人体疲劳检测仪器对人体的舌面或者唾液得到的PH值，来判断人体的疲劳程度。但是今天我们这里所说的疲劳试验并非传统意义上的疲劳试验，对于汽车座椅来说，他的疲劳极限就是座椅或者部件损坏的时刻，失去了座椅应该发挥的功能的时候，也就是寿命极限^[8]。因此，汽车座椅的疲劳试验实际上是一种耐久性实验，也是一种振动实验，疲劳试验台即振动试验台。

2.2.1 振动及相关技术要求

首先，关于振动的来源，车辆在行驶的过程中，道路、车辆和座椅会形成一个相互关联的振动系统，它们之间的振动频率对座椅的舒适性影响很大。当座椅处于空载状态的时候，如果其固有频率和车辆的固有频率重叠，座椅容易产生共振，振幅明显变大。这时候，如果驾驶员或者乘客坐在座椅上，那么座椅会放大振动能量，导致人体因为共振而产生肌肉、骨骼还有神经系统的过度运动，人体会产生不适感^[9]。

振动频率对人体的影响是主要的，人体的器官存在空腔和弹性系统，每一个东西都有固有频率，人体器官也不例外，当外部振动和器官振动频率一致时，就要发生共振，从而对人体造成伤害。因此，人体各部分器官的振动频率在设计座椅时一定要格外注意，这样才能避免在行驶过程当中对人体造成较大的伤害，下面是人体主要器官的固有频率^[3]，如表2.1：

表2.1人体主要部位的共振频率

不仅仅是振动频率有影响，像振幅、加速度、时间等因素也影响甚多，振动对于不同的人体部位会产生不同的作用，所以振动的问题在汽车座椅的设计中是重要的一环。

轿车座椅开发时，通过计算车辆和座椅的固有频率，改变座椅的固有振动频率，避免座椅与车辆发生共振或者抑制隔绝振动，就可以解决座椅振动的问题，下面是车辆座椅以及人体的频率分布^[5]，如表2.2：

表2.2振动频率分布表

2.2.2 座椅颠簸蠕动耐久性试验

轿车座椅的耐久性试验是为了模拟座椅在实际使用过程当中发生的状况，收集产生的试验数据，来检验考核轿车座椅的设计要求以及生产工艺的合理性。轿车座椅耐久性试验需要测试的项目指标如表2.3。

本次设计的试验台主要是用来进行其中的颠簸蠕动耐久性试验的，该试验主要是用于考核汽车座椅坐垫和靠背的耐久性，该测试能够模拟轿车在实际行驶过程中振动的真实情况，在车身路面颠簸与标准配重情况下，检测出轿车座椅坐垫泡沫以及靠背的疲劳耐久性和寿命情况^[10]。颠簸蠕动试验可以验证座椅骨架、泡沫和面套的疲劳寿命，能够对面料、发泡、骨架以及辅助加热系统等进行有效的模拟考核。座椅颠簸蠕动耐久性试验的试验设置和试验考核指标见表2.4。

表2.3耐久性试验测试项目^[6]

表2.4试验设置以及试验考核指标列表

表2.5坐垫和靠背对应的试验设置

注：H点是指人体的主干身躯和大腿的连接点（即为人们所说的跨点）和座椅的纵向垂直的平面的交点。具体情况如图2.2：

图2.2 H点示意图

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