摘 要

随着我国经济和科学技术的不断发展，家庭轿车也越来越普及，相应地，人们对于包括汽车座椅在内的各项性能也越来越关注。如今，在中高档家庭汽车中普遍配备了电动座椅，而与电动汽车座椅调节性能密不可分的就是其座椅电机了。本文所研究的就是一款电动座椅靠背调节电机的机械结构部分，即蜗轮蜗杆传动机构。由于座椅电机的主要服役的是高荷载低频率的工况，这对于其蜗轮蜗杆传动机构的传动连续性、稳定性以及材料强度要求十分之高。本文先通过Pro/E三维建模软件建立了蜗轮蜗杆的实体模型并完成了其装配，然后将得到的实体模型导入到ADAMS动力学仿真软件中建立了符合电机各项参数的虚拟样机，接着进行了运动学和动力学仿真，从分析结果中得到了其啮合传动比，啮合频率及其啮合力。在和理论数据进行了对比后发现仿真结果和理论数据高度吻合，说明了所建三维模型的准确和虚拟样机的可靠性。最后，将三维模型导入到ANSYS workbench中对蜗轮进行了静力学有限元分析，对整个蜗轮蜗杆进行了非线性接触分析和模态分析，得到了在正常工况下蜗轮蜗杆上的应力应变大小和分布情况以及传动机构的振动特性。在与实际材料强度对比后表明蜗轮蜗杆强度满足正常工况要求，且其振动特性对于电机乃至整椅的结构设计和优化都有重要的参考作用。

关键字：座椅电机；蜗轮蜗杆；Pro/E；ADAMS；ANSYS有限元分析

Abstract

With the continuous development of China's economy and science and technology, family cars are becoming more and more popular. Accordingly, people are paying more and more attention to the performance of car seats, including car seats. Nowadays, electric seats are widely equipped in medium and high-grade family cars, and the seat motor is closely related to the adjustment performance of electric vehicle seats. This paper studies a mechanical part of the electric seat backrest regulating motor, that is worm gear drive mechanism. The main service of the seat motor is the low frequency of high load, which is very high for the transmission continuity, stability and material strength of the worm gear transmission mechanism. In this paper, the solid model of worm wheel and worm is established by Pro/E 3D modeling software, and its assembly is completed. Then the entity model is introduced into the ADAMS dynamic simulation software to establish a virtual prototype which meets the parameters of the motor, then the kinematics and dynamics simulation are carried out, and the meshing is obtained from the analysis result. The transmission ratio, the meshing frequency and the meshing force. Compared with the theoretical data, it is found that the simulation results are highly consistent with the theoretical data, indicating the accuracy of the 3D model and the reliability of the virtual prototype. Finally, the three-dimensional model was introduced into the ANSYS workbench for the static finite element analysis of the worm wheel. The nonlinear contact analysis and modal analysis of the worm wheel and worm were carried out. The size and distribution of the stress and strain on the worm wheel and worm in the normal working condition and the vibration characteristics of the transmission mechanism were obtained. The strength of the worm wheel and worm can meet the requirements of the normal condition after comparing the actual strength of the material, and the vibration characteristics of the worm and worm have important reference for the structure design and optimization of the motor and the whole chair.

Key words: seat motor; worm gear; Pro/E; ADAMS; ANSYS finite element analysis

目录

汽车座椅电机传动机构的仿真和有限元分析 1

摘 要 1

第1章 绪论 1

1.1 电动汽车座椅及其座椅电机的研究背景，现状和意义 1

1.2 微特电机和虚拟样机的发展及现状 2

1.2.1 微特电机的发展及现状 2

1.2.2 虚拟样机技术的发展和现状 3

1.3论文拟用方法及研究内容 4

1.3.1 论文拟用方法 4

1.3.2 研究内容和研究流程 4

第2章 蜗轮蜗杆实体模型的建立 7

2.1蜗轮蜗杆传动机构的参数选取 7

2.2 实体建模 8

2.2.1蜗轮实体模型的建立 8

2.2.2蜗杆建模 14

2.2.3.装配图的建立 14

第3章 基于ADAMS的虚拟样机的建立和动力学仿真分析 16

3.1导入Pro/E模型 16

3.2 虚拟样机的建立 16

3.2.1 定义材料参数 16

3.2.2 定义碰撞接触 17

3.2.3 定义运动副 17

3.2.4 定义驱动 19

3.2.5 定义荷载 21

3.3 仿真分析 22

3.4 小结 25

第4章 基于ANSYS的蜗轮蜗杆有限元分析 26

4.1 蜗轮蜗杆的破坏形式 26

4.2 蜗轮的静力学分析 26

4.2.1 静力学分析理论原理 26

4.2.2 静力学分析的步骤 26

4.2.3 定义材料属性 27

4.2.4 网格划分 28

4.2.5 定义约束和荷载 30

4.2.6 求解 30

4.2.7 结果后处理 30

4.2.8总结 32

4.3 蜗轮蜗杆非线性分析 32

4.3.1非线性分析简介 33

4.3.2 分析步骤 33

4.3.3 求解 36

4.3.4 结果后处理及分析 36

4.4 蜗轮蜗杆模态分析 38

4.4.1 模态分析理论 38

4.4.2 分析步骤 38

4.4.3结果后处理和分析 38

4.5 有限元分析综述 40

第5章 论文的总结和展望 41

5.1 工作总结 41

5.2 不足和展望 41

参考文献： 42

致 谢 44

第1章 绪论

1.1 电动汽车座椅及其座椅电机的研究背景，现状和意义

这些年来，随着我国经济实力的飞速增长和汽车工业技术的迅速发展，汽车作为一重要代步工具也逐渐成为越来越多普通家庭的常规消费项目。与此同时，人们对于汽车品质的追求也越来越高，不可避免的，包括安全，舒适，节能，环保在内的各项性能也成为了汽车开发商的关注重点。单从舒适性来说，汽车座椅作为与驾乘人员联系最为紧密的部件，也是汽车内部装饰极为重要的一环，自然十分具有研究的价值。而汽车电动座椅作为时代发展的潮流和必然，当然是汽车座椅研究的重中之重。

相比于传统汽车座椅，汽车电动座椅除了能提供最基本的支撑，防护功能外，驾驶人员和乘客还能通过调节按钮选择最为舒适的座椅位置，十分的方便，精密，甚至，现有许多电动座椅还能提供位置记忆功能，自动为乘客记忆最为舒适，安全的位置，保证更加舒心的乘坐体验。汽车电动座椅的智能，安全，舒适的重要调节部件就是座椅电机，而与一般电机不同的是，（座椅电机的特点（由于座椅调节的特性，座椅电机必须要满足轻便，小巧，高荷载，低频率，微震动，小噪音等特点，还要有自锁功能）如何在不同的工况中保持高荷载，低频率的稳定工作并产生尽量小的噪声，其内部结构的各项参数配置就显得十分重要了。电机包括电子元件部分和机械结构部分，电子元件部分主要负责信息传递和控制功能，而机械结构部分是电机进行有效传动的核心，也是在实际工作中最容易发生损坏的部分，正是本文研究的重点。在此之前，已经有非常多的前辈、学者针对汽车电动座椅及其座椅电机的研究做出了许多贡献；

郭少波，等^[9]研究了基于CAN总线的座椅调节模块的开发。文章采用CAN总线技术，在实现分布式车身自动控制的前提下，另外专门设计了一种调节模块来针对汽车座椅的控制，通过CAN控制器和收发芯片以及霍尔位置传感器等诸多硬件的组合，成功实现了车身控制系统中座椅模块的自动控制。另外，还对座椅中一种直流电机进行了仿真，验证了该系统中座椅自动调节模块的可行性和可靠性。

童文骏^[10]做了基于DSP的车内智能座椅控制系统的研究。其中也运用到了CAN总线技术，对汽车内智能调节座椅部分进行了深入探讨，与前面有所差别的是，文章主要的研究方向为在振动系统下的PID控制的具体实现流程，比较详细地分析了在减震系统中的电流控制，也做了更多测试，包括但不仅限于电机的PWN波形以及PID控制过程中的电信号变化，对汽车电动座椅的自动控制有极大的参考作用。

陈立强，等^[11]对汽车电动座椅和后视镜的自动控制进行了讨论。文章在讨论汽车整体电子控制系统的组成的情况下还介绍了一种具有记忆储存式控制器的具体工作原理。利用该控制系统实现了电动座椅和后视镜的多角度自动调节，并且在通过一定的实验验证后，表明该系统的控制精度和控制逻辑比较符合大多驾驶员的日常习惯，具有一定的应用价值。

张昕宇，等^[12]进行了座椅腰部支撑结构的设计和座椅的有限元分析。文章针对一般座椅骨架在驾驶过程中对腰部支撑的缺点提出并设计了一种新的腰部支撑方案。运用了UG建模软件完成了对该方案结构的建模，并将该模型导入到有限元软件中进行了模态分析和谐响应分析，在理论验证结构的合理性之后又利用有限元分析保证了该结构在汽车正常行驶时不会受到路况振动频率的影响。

陈志平，等^[13]做了基于人机工程学的纯电动汽车舒适性研究。文章在通过一系列调查和较为严密的人机工程学研究以后得出，汽车座椅的舒适性更能受到消费者的关注，于是作者设计了一种新型机电式减振器，并将其改装为一种悬架模型置于纯电动汽车骨架上，并设计了LQG最优控制器和保性能控制器，经过多级测试和评价后验证了该减震系统良好的平衡性和可靠性。

武海强，等^[14]研究了汽车座椅噪声在线检测的研究与实现。文中设计了一种汽车座椅振动噪声的检测以及评价系统，根据振动的基本理论对振动的传动路径进行了理论分析，并用三维建模软件Solidworks建立了电动座椅的几何模型，并导入ANSYS workbench中对座椅滑轨等结构进行了振动分析，并通过实验结果和有限元结果进行比较，验证了该检测系统的可行性。

戴超，等^[15]研究了基于ARM的PEPS及驾驶座椅智能调节系统的设计。文章围绕汽车PEPS及汽车电动座椅智能调节这一方面提出了一种基于CAN总线技术的解决方案。其中，方案基于ARM嵌入式系统和PEPS技术建立应用层协议，通过数据采集、数据传输等模块实现了车内硬件资源共享。另外还构建了通过识别驾驶人员指纹从而控制座椅的智能调节的系统，最后通过一系列的调试实验验证了该系统调节的准确性和可靠性。

1.2 微特电机和虚拟样机的发展及现状

1.2.1 微特电机的发展及现状

微特电机一般是指体积和输出功率较小，结构、原理、或用途和常规电机有所区别的小型电机或特种精密电机，但业界暂时没有一个统一、明确的定义。维特电机技术是融合了电机、计算机、自动化技术和新材料新工艺的一种新型高新技术，且随着计算机技术和信息自动化技术的飞速发展，微特电机的发展也将越来越快。目前，微特电机技术已经被广泛应用于航空航天、现代军事装备、现代工农业以及众多信息与电子产品，当然，也包括汽车制造业。随着家庭汽车拥有量的不断增长，汽车用微特电机在数量、品种上都有了很大的提升。据不完全统计，每辆中低档家庭轿车至少用到15台微特电机，而用到电动座椅，电动天窗等自动化程度较高的零部件的高档、豪华轿车则每辆至少搭载40-80台微特电机。截止到2014年，我国汽车用微特电机的拥有量已经超过6000万台。

而我国的微特电机经过了起步阶段、自行发展阶段和初步壮大阶段，现已进入了快速发展阶段，而微特电机的发展方向主要有无刷化、微型化，集成化和智能化。其中，采用新材料新工艺对于电机的微型化和轻型化十分重要，例如本文采用的塑料POM蜗轮代替传统的金属蜗轮与蜗杆啮合的蜗轮蜗杆传动电机，在汽车电动天窗，电动座椅等方面应用的十分广泛。

1.2.2 虚拟样机技术的发展和现状

  虚拟样机技术是90年代随着计算机普及而发展起来的一项全新的工程设计概念和技术，这是一种基于计算机软件辅助设计能在一定程度上代替真实物理样机的先进的数字化设计方法。自发展以来，虚拟样机技术已经涉及汽车及其零部件制造，航空航天，工业设计，机械工程等多种领域。它总体上是以计算机建模仿真技术为前提，基于计算机理论的运动学，动力学以及控制理论和有限元理论为核心，融合了计算机图形技术，交互式界面和信息提取集成技术等，在几何外观，材料性能，力学物理功能上模拟真实物理产品并对其分析和优化的设计理念。自发展以来，虚拟样机技术已经改变甚至颠覆了传统的设计理念，并且随着计算机技术的继续发展，它将更加完善，全面，在不远的将来，它或许能完全取代传统的物理样机技术。

早在上世纪90年代，美国戴姆勒-克莱斯勒（DAIMLERCHRYSLER）汽车公司就将虚拟样机技术应用到其新型汽车开发中，并成功将开发周期缩短了十个月。

世界上最大的工程机械设备制造商--美国卡特彼勒（CATERPILLAR）公司为了提高产品竞争力，更快的反应市场，同时缩短研发周期和研发成本，将巨大的反铲装载机物理样机转化为虚拟样机，并成功的完成了产品的优化设计和内部可视化评价，获得了巨大的成功。另外国外许多虚拟样机相关技术已经实现了商业化应用和生产，例如日本Matsushita公司开发的虚拟厨房设备系统，允许消费者在购买商品前在计算机软件虚拟厨房中体验不同的功能，并按照自己的喜好来选择不同的设备组合，最后储存为数据发送至生产部门进行生产。

在我国，由于计算机普及较晚，虚拟样机技术的研发和应用还处于萌芽阶段，主要还是借鉴国外已经成熟的软件和技术，但也早已覆盖到汽车零部件，航空航天，高铁研发等诸多方面，并且随着我国科技的进步和计算机技术的不断发展，虚拟样机必将更加成熟并普及到商用民用各个领域。

1.3论文拟用方法及研究内容

1.3.1 论文拟用方法

在汽车零部件设计的早期，座椅及其电机的设计普遍是经过用户需求和市场分析～方案设计～结构设计～物理样机的制造～实验监测，然后根据实验结构再对方案和结构进行优化，一直循环往复直到满足最初的要求，这样的过程缺点十分明显，研发周期长，成本高，且许多物理力学参数（如特殊位置的应力，应变等）无法直接获取，仅凭实验无法全面观察和验证，这些都极大地限制了汽车工业的发展。直到近年来cad辅助设计技术的和虚拟样机技术的普及，通过在物理样机之前建立虚拟样机，并针对性的在计算机软件中进行虚拟仿真，结构分析和评估等一系列的虚拟设计优化方案，极大地缩短了研发周期和成本.如今计算机辅助设计技术已经成为了包括汽车工业设计在内的几乎所有工程设计研发的选择。以下是传统物理样机设计流程图和融合了虚拟样机技术的设计流程图；

图1.1 传统物理样机设计流程 图1.2 虚拟样机技术设计流程

1.3.2 研究内容和研究流程

本文对参考文献^[1]中的一种新型座椅电机的机械结构部分进行了研究，首先，通过三维画图软件Pro/E的参数化建模功能建立了蜗轮蜗杆的三维模型，并完成了其装配。然后，将建立好的三维模型保存为stp格式，导入到动力学仿真分析软件ADAMS中，进行了模型的（传动比，啮合力，啮合频率的）仿真，并与理论结果和实验结果相比较，验证了虚拟样机的可靠性并得出了啮合力的方向，大小，为后续的有限元分析做准备。最后，再将蜗轮蜗杆模型导入到ANSYS有限元分析软件中进行蜗轮（蜗杆）的静力学分析，模态分析和非线性接触有限元分析，得出了蜗轮蜗杆在稳定工作状态下的应力，应变分布情况以及可能发生的最大位移和变形，还有蜗轮蜗杆传动机构的基本振型和频率，并和蜗轮蜗杆的材料参数特行进行对比验证，做出一定的优化和改进，以期对蜗轮蜗杆的设计起到参考和指导的作用。

本研究方法极大限度地结合了三个工程软件的优点，将计算机辅助设计技术完美地应用到了实际工程研发中，以下是本文研究的核心框架和主要流程图。

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