1、汽车座椅几何变形试验机设计开题报告汽车座椅几何变形试验机设计1 开题报告依据 近一个世纪以来，汽车行业得到飞速发展，从1770年法国人尼古拉斯古诺，将蒸汽机装在板车上，制造出第一辆蒸汽板车，成为世界上第一辆利用机器为动力的车辆开始，汽车已在我们身边发生着翻天覆地的变化。操控性、安全性、舒适性等一系列因素已成为衡量一部汽车好坏的标准。为了更为准确的在汽车上市前对其各项性能指标进行测定，一系列测试设备应运而生，而汽车座椅几何变形试验机就是一个典型试验设备。 一个合格的汽车座椅必须接受各种各样的考验：比如司机的重量、行驶条件和环境条件。为了找到解决问题的答案、为了满足制造标准、设计要求等技术指标，汽
2、车制造商们不得不对汽车的座椅在不同环境中进行的模拟负载测试。从中得到科学可靠的试验数据，用于改善座椅结构，力学性能，选择更为合适的材料，从而优化设计，保证产品的技术标准、安全性、舒适性。而汽车座椅几何变形试验机就是汽车座椅众多试验设备的其中之一。 因此，为保证座椅作为一个合格产品，在其工作环境中更为稳定的工作，满足设计要求与试用要求。汽车座椅几何变形试验机对座椅力学性能有着至关重要的意义。2 文献综述几何变形试验机工作的目的、要求试验机作为静、动态力学性能试验仪器、试验设备、 试验装置和无损检测仪器设备应用范围越来约广泛，种类也越来越多。现代大型制造企业，为提高产品的质量、提高生产效率、保证产
3、品出厂的安全性与标准性。例如：如今在汽车座椅生产领域广泛采用座椅几何变形测试机进行模拟负载及力学性能测试，以适应汽车对零部件的要求及符合相关的生产标准。试验机的主要工作目的与要求是：模拟人体对汽车座椅的载荷，分别测试汽车座椅在模拟载荷的作用下的最大弹性变形与消除模拟载荷后的最大间隙变形。试验机主要由工作平台、试验座椅安装台架、试验机机架、模拟加载机构、模拟加载机构动作控制部分、模拟加载机构调整部分、模拟加载力测试部分、几何变形量测试部分、计算机数据采集部分、测试数据分析、处理、储存部分等组成。其中机械硬件部分即工作平台、试验座椅安装台架、试验机机架、模拟加载机构等主要承担试验座椅的安装、调节与
4、模拟加载机构的安装、调节和模拟载荷的施加。测试系统的硬件部分既模拟加载力测试部分、几何变形量测试部分、计算机数据采集部分等主要完成试验过程中的模拟载荷的实时检测与汽车座椅在模拟载荷作用下的最大几何变形量。测试系统的软件部分主要用于测试数据的处理分析试验程序的控制以及测试数据的储存测试报告的完成等。2.1 传感器在几何变形试验机上的运用 随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成电量
5、信号的变换器。在几何变形试验机上采用位移传感器和力传感器为主要测试元器件。力传感器：其作用是将加载力这一非电量的物理量转换成电量。在几何变形试验机上即将模拟载荷转换成电量信号。位移传感器，：其作用是将位移这一非电量的物理量转换成电量。在几何变形试验机上即将最大变形量转换成电量信号。传感器作为几何变形测试机上主要部件，它直接影响测试技术性能的发挥与测试的准确性。这些传感器主要分布在汽缸模拟负载系统、测座椅变形检测系统等。同时作为传感器应具有一下特点：1 ）灵敏度高（ 输出增量与所加的负荷增量之比）、电压输出信号与负荷之间对应关系的精确程度高的参数成线性（输出与输入的对应关系）、重复性好（在同一负
6、荷在同样条件下反复施加时，其输出值能重复一致）。几何测试传感器的精度直接影响测试精度及实验数据分析结果。2 ）稳定性好，可靠性高。几何测试传感器可以准确完成试验要求动作保证其工作过程稳定可靠。3 )抗干扰能力强。几何测试传感器对环境要求不高，可以在任何恶劣环境中工作，保证试验安全进行。4 )质量小、体积小、安装方便可靠。几何测试传感器安装空间少，安装方便，便于操作，大大简化测试设备体积，可以更为合理配置空间。2.2 几何变形试验机主要性能参数技术要求与测试参数：技术要求：按照试验标准对试验座椅施加模拟人体载荷。其载荷的作用点在座椅的指定试验点上。为满足各个类型的座椅试验要求，加载机构可以多向调
7、节。试验中的座椅变形量的测试点应在加载力的作用点的同一轴线上，测试值为在试验加载值的范围内沿加载方向的最大变形值。其值分为两个部分一是在模拟载荷的作用下的最大弹性变形值，另一是消除模拟载荷后的最大间隙变形值。每一试验座椅应有两个试验加载点，在试验中分别对其加载。加载控制系统实现计算机控制，两套加载系统的工作状态可自由切换。试验过程由控制软件控制。对试验数据进行自动处理、分析与储存，形成试验报告。测试参数：加载点汽车座椅最大几何弹性变形3mm加载点汽车座椅最大几何塑性变形（间隙变形）0.5mm最大加载值1000N加载点2点（分别加载）。加载点位置可调。最大调整值：500mm几何变形试验机设计要求
8、：1） 模拟负载压力，即汽缸模拟人体重量对汽车座椅进行力学测试，模拟人体自身重量对座椅产生几何变形的影响。在设计时往往要考虑在一定的载荷速度下惯性力对测试力的影响，使汽缸负载模拟缓慢加大。2） 行程：Z方向汽缸在进行测试时对不同尺寸座椅及不同加载点垂直距离确定。3） 定位精度：汽缸力加载点定位的精确性。4） 定位方法：采用伺服电机驱动执行机构的移动及工作定位设定。5） 传动方式：动力源或传动系统的选择。6） 大小和重量：机械机构尺寸和重量，需考虑到价格及型材力学性能。7） 安全性：要考虑控制系统及传感部分的故障及失效及工作的可靠性。10）程序控制方式及容量：工作状态的设计、控制与运行方式，以及
9、拓展空间。11）其它：如寿命、使用电源、成本等。3 设计方案论证试验机的基本要求及技术指标:1) 加载点汽车座椅最大几何弹性变形3mm (模拟负载在施压载荷撤除后，座椅测试点产生弹性变形位移不大于3mm)2) 加载点汽车座椅最大几何塑性变形0.5mm(模拟负载在施压载荷撤除后，座椅测试点产生不可逆变形位移不大于0.5mm)3) 最大加载值1000N(汽缸模拟负载大小为1000N)4) 加载点2点（分别加载）(按照标准试验要求确定加载点)6) 加载点位置可调(对不同尺寸座椅，测试点位置将产生变化，固加载点位置必须灵活可调)7) 最大调整值：500mm(加载点位移调整范围为500mm) 测试加载
10、图3.13.1 几何测试变形试验机整体结构设计 根据汽车座椅几何变形测试机基本要求及技术指标，确定整体结构概念。主体支架结构采用四方框架，模拟加载系统采用气动形式，而调整机构采用以滚珠丝杠为主体的结构来实现完成，测试系统采用由力传感器及相应的信号调理、采集等组成，几何变形量采用以位移传感器及相应的信号调理、采集等组成，数据分析、处理、储存等部分及动作控制选择理想的测控软件完成。3.2 传感器选择与设计方案根据试验要求在试验机中的传感器主要为力传感器和位移传感器两种作为测量元器件，力传感器主要用来对试验载荷在试验过程中的加载值进行检测与控制，位移传感器主要用来对试验载荷在试验过程中的汽车座椅在试
11、验载荷的作用下的几何变形进行检测.3.2 .1加载力传感器选择与设计方案 力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，智能建筑、生产自控、研发测试、机床等众多行业，它具有较低的价格和较高的精度以及较好的线性特性，是最为常用的测量力学性能的传感器。 位移传感器的应用范围十分广泛，如冶金行业的轧钢设备，机械行业等。并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线或测试系统中对模拟量的智能控制与检测。力传感器 压电式力传感器 由物理学知，一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极
12、化现象。即： 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比;当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 图3.2 圆柱式力传感器传感器结构圆柱式传感器是测力传感器应用较普遍的一种形式。它分为
13、圆筒形和柱形两种。图3.3画出了传感器的结构示意图和外形。其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式贴上应变计。圆筒或圆柱在外力F作用下产生的应变为 （c）图3.3圆柱式传感器 (a)圆柱; (b)圆筒; (c)外形圆柱式传感器工作原理一般将应变计对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分,如图1.2(a)所示,并连接成图(b)所示的桥路:T1和T3,T2和T4分别串联,放在相对臂内。当一方受拉时,则另一方受压。由此引起的电阻应变计阻值的变化大小相等符号相反,从而减小弯矩的影响。横向粘贴的应变计作为温度补偿片。电桥输出电压为 其中：图3.4 筒式传感器应变计粘贴和桥路连接由上式可知,横向粘贴的应变计既作为温
14、度补偿,也起到提高灵敏度的作用。筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面上来,改善了应力线分布;在筒壁上还能开孔,如图1.3(c)所示,形成许多条应力线,从而与载荷在端面的分布无关,并可减少偏心载荷、非均布载荷的影响,使引起的误差更小。图3.5 筒式传感器弹性体的不同剖面特点与不足筒式测力传感器是一种体积小、结构紧凑、构造简单的传感器。由于在实际测量中力F的作用点往往并不恰好落在弹性体的轴线上，力F的方向也有可能与该轴线不平行，这样会造成弹性体受到横向力作用而产生附加弯矩，从而造成测力误差。 应变梁式传感器 应变梁式，悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以多用
15、于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力F以如图所示的垂直方向作用于的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压，通过其线性关系就可以得到位移量。 应变梁式传感器 图 3.6 测量汽缸模拟负载，由于汽缸负载是逐步加到到预设值，固必须选用适合动态测量的传感器，另一方面须考虑到测试过程中应避免偏心状态，而产生的测试误差。综上所述，固采用应变型圆柱式力传感器，其结构简单，规格多，易于采购，价格便宜。位移传感器 直线电阻位移传感器功能原理 直线
16、位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比，从而可以准确的测量位移值。 激光测距传感器工作原理 激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。 当物体沿激光线
17、方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。 激光测距传感器 图 3.7 光纤光栅传感器 光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示位移结果。光纤光栅传感器与传统的应变片相比优点如下：1 光纤光栅传感器采用波长编码，可以在一根光纤上串联多个传感器，容易组网2 光纤光栅传感器
18、和分析仪器之间采用的是光纤连接，信号不受电磁干扰。3 光纤光栅传感器主要材料是石英，更适合在恶劣腐蚀环境中使用。4 使用寿命长，可达15年以上 综上所述，测试座椅几何变形，考虑其要求精度高，安装简便（安装于汽缸），使用寿命长受环境影响小，固采用激光测距传感器为测量座椅几何变形的传感器。3.3 机械系统 支架部分材料选择内容钢材灰铸铁铝材抗压强度较好较好较好抗拉强度较好较差较好刚度较好较好一般塑性、韧性较低较低较好焊接性较好较差较差价格较高较低较高适用范围钢板、钢管、焊接件机床，主轴箱，铸件适用于各个行业 表 1.1通过对上述表格比较，支架结构采用铝材，由于考虑铝材质量轻，应用范围广泛，采购方便
19、，由于其材料成型方便，其横截面积可做成不同尺寸以弥补在刚性方面上的不足。且如今已大量应用与制造不同支架，技术成熟，固采用铝材为支架材料。结构确定 参考广泛应用于行车的支架结构，考虑到由于此结构构造简单，可承受较大负载，工作稳定，安装方便。固采用类似于行车的四方框架结构，作为试验机的主体结构。同时根据试验要求确定合适尺寸（满足座椅安装空间及人员工作空间）基本为1000X1500X800mm。 座椅安装 座椅安装于连接板（即与基座相连带有不同安装孔的薄钢板），根据不同座椅尺寸合理选择与调整安装位置，同时用螺栓与安装板连接。 执行机构与加载部分内容滚珠丝杠伺服电机气压传动操纵力据不同型号有所不同可获
20、得较大的模拟负载力操纵力大小视气体压力而定，可很大反应速度快快慢定位精度精度高，同步性好精度高，有反馈信号精确定位困难尺寸范围宽动力装置占用空间小动力装置占用空间大重量较轻动力装置较重动力装置重安全性安全可靠稳定，运动平稳不会发热，但要注意安全压力，过载安全性最好可控性简单、好好差，要做电气转换寿命长而耐用长较短效率高高差成本较高高较低使用性多用于自动化传动用于各种专业机械，自动化控制行业主要用于中小型机械，维修简单，环境适应性强 表3.1气动系统的确定1.气缸的选择 首先根据实际工作任务对运动和结构的要求，确定气缸类型和安装方式，再根据负载大小，确定气源压力或系统的工作压力，由此气缸缸径（或
21、活塞杆直径）。即气缸输出力（推力或拉力）应根据外负载的大小再乘以适当的安全系数n(n=1.52,高速时取大值,低速时取小值),从而确定汽缸缸径.为避免气缸容积过大,应尽量采用扩力机构,以减小气缸尺寸.气缸行程与应用场合和机构行程有关,应选择专业气动元件厂家提供的标准行程,以避免因制造公差或安装公差,实际行大于气缸行程的现象发生.在加紧装置上,气缸行程还需要求按实际行程多加上1020mm的行程余量来确定.为调节气缸活塞运动速度,使座椅能在多种速度纵向调节移动,我选用排气节流方式的气缸.根据厂家所供气源及实验机工作条件，考虑到管道输送和其他原因的泄漏量，我初定系统工作压力为0.6Mpa。选择DNC
22、 40-250-PPY-4 (FESTO) 磁性开关气缸(内置磁性位置传感器控制汽缸行程)2.减压阀的选择减压阀是将较高的入口压力调节并降低到符合使用要求的出口压力，并保证调节后出口压力的稳定。每台气动设备或一个完整的气动系统都需要使用减压阀，以对从气源来的压缩空气按照系统的要求调定工作压力。3.流量控制阀的选择 在气动系统中，执行元件运动速度的控制，控制信号延迟时间的调节，控制油雾器的滴油量，控制气缸的缓冲能力等问题，都是以控制压缩空气的流量来实现的。流量控制只需改变压缩空气流通截面积的大小即可达到目的。4.方向控制阀的选择 方向控制阀是用来控制管道里气流的通断或改变气流的流动方向，达到控制
23、执行元件运动方向的一种阀。它是气动控制中最重要的一种阀。 通过对上述表格各执行机构分析，由于模拟人体负载力要求不高，固选择气压汽缸进行模拟，通过阀的组合完成设定动作。考虑加载点精确性及稳定性水平移动采用伺服电机控制和丝杆传动机构，能使整体设备更为轻量化同时满足设计要求。 各机构位置调整座椅位置调整：根据不同尺寸座椅通过安装板上的不同安装孔，调整最佳安装位置。支架位置调整：通过位于基座的安装孔，对整体支架进行位置调整。Z汽缸位置调整：通过梁上的卡槽，可以对汽缸横向进行调整，满足试验位置要求。3.4 检测与控制系统 控制系统1) 可编程序控制器（PLC）可编程序控制器（PLC）是从早期的继电器逻辑
24、控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，而起高端实际上是一种高性能的计算机实时控制系统。PLC是以微处理器为中心的工业控制器。处理器以扫描方式采集来自工业现场的信号。它的主要功能有条件控制，即逻辑运算功能、定时控制、计数控制、步进控制、 A/D、D/A转换、数据处理、级间通讯等功能。它的特点是：工作可靠；可与工业现场信号直接连接；积木式组合；编程操作容易；安装维修方便。目前可编程序控制器已在各种工业生产过程的自动控制领域广泛应用。2）单片机。单片机是将CPU、RAM、ROM、定时/计数、多功能I/O（并行、串行、A/D）、通信控制器、甚至图形控制器、高级
25、语言、操作系统等都集成在一块大规模集成电路芯片上，由于单片机集成度高、体积小、功能强、可靠性高、功耗小、价格低廉、易于掌握、应用灵活，目前已越来越广泛地应用于工业测控领域。参考上述资料，考虑到以下因素：a. 编程的简便性b. 购买的方便性c. 价格的合理性d. 系统的适用性故选择可编程序控制器（PLC）作为计算机控制系统，与试验机进行相应的编程。检测系统 由于检测的目的和要求不同，被测参量不同，因此，测试系统的组成也各不相同。按照信息流的过程来分，一个测试系统大体可由一下三大部分组成：信息的获取（传感器）、信息的转换（测量电路）和信息的显示（显示、记录装置）等，它们之间的关系如图所示： 检测系
26、统框 图 3.8检测系统各部分功能描述：数据采集系统（信息获取）：主要有数据采集卡、端子卡、光隔离卡等组成。其主要功能是将传感器等模拟量信号转换成计算机能识别的与接受的数字量信号，在转换过程中实现信号的处理、连接与干扰隔离等。输出控制系统（信息的显示）：主要有信号输出卡、端子卡等组成。是指由传感器输出的压力(力矩)、速度、位移等模拟量转换成数字量后再由计算机进行采集、存储、处理、显示或打印的过程。具体地说，就是传感器从被测对象测量信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视
27、，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。相应的系统称为数据采集系统。 传感器信号调理（信息放大、转换）器的主要作用是将传感器的测试信号进行放大、调理并以电压量的值予以输出。3.5 总体设计各机械部件安装与功能： 1. 水平方向导轨：用于执行机构加载点位置移动，安装于支架x轴方向固定横梁下方。2. 伺服电机：用于控制执行机构水平移动到达检测位置，安装于固定横梁上，同时位 于导轨末端。 3. Z方向气压缸：用于模拟负载对座椅进行冲击，安装于可移动横梁上。4. 支架：连接运动机构及基座，安装于基座，有四根立柱及横梁构成主体结构，同时有导轨安装于两根x轴方向横梁上，尺
28、寸为高1000mm，宽1500mm，长800mm。5. 基座：用于固定被测座椅并承受汽缸所加载力。 各测试传感器选择与安装位置：1. 安装于Z轴气缸支架，应变筒式传感器2. 安装Z轴气缸支架保证与测试点在同一轴线，激光位移传感器。 传感器安装 图 3.9控制软件选择： PLC逻辑控制系统及计算机，通过编写程序使汽缸执行进给，加压，返回等一系列预定动作，以及伺服电机控制滚珠丝杆带动汽缸在X方向运动到达试验位置。计算机数据采集与检测系统的选择： 在整个检测系统的设计中除了传感器之外，还有测试仪器（信号调理器）、数据采集器（A/D、D/A）、测试软件等设计与选择的工作。其各自的功能、要求如下： 测试
29、机检测系统 图 3.10传感器信号调理（放大、调理、转换）器传感器信号调理（放大、转换）器的主要作用是将传感器的测试信号进行放大、调理并以电压量的值予以输出。因此信号调理器的要求就比较高。它必须要有稳定的工作状态、良好的调理功能及较高的抗干扰能力，并保证有一定的自动调零与调节功能。TS3827型交流型动态应变放大器，其特点为： 高增益，低噪声，低漂移 输入变压器隔离，抗干扰强 自动调整电阻，电容（连续调整）平衡 内置低通滤波器，标定器 输出过载指示 交直流供电其性能指标见表：通道数48通道/台可选（两力、两力矩、位移、转速和两备用）应变片电阻1201000桥压2Vrms 正弦波平衡范围 电阻1
30、%（5000） 电容2000pF平衡方式 电阻自动调整，时间越1s 电容电子式连续平衡灵敏度2V/100输出5V/10mA频率响应DC3kHz -3dB1dB低通滤波器10，30，100，00，1kHz，LIN信噪比52Db稳定度 零点0.1/ 1/8h 灵敏度0.05%/ 0.3%FS/8h电源 AC220V10% 50Hz DC12V尺寸300133230mm质量5kg 表 3.2根据试验机的实际要求选用该系列的两通道应变放大器数据采集卡数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号,包括对其进行增益或衰减和隔离,放大,滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号。可选择USB、PXI、PCI、PCMCIA、ISA、Compact Flash 等多种方式与计算机连接。 图 3.11接线端子卡接线端子就是用于实现电气连接的一种配件产品。目前市场上进口主要有德国魏德米勒，菲尼克斯，万可，国产的有上海友邦和成都瑞联等。 图 3.1
