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摘要：针对汽车座椅抬高调节驱动器输出扭矩偏低的问题，基于ANSYS Workbench平台进行有限元强度分析，根据结构应力分布特点，提出了提高材料强度和局部尺寸优化的方案。有限元计算结果表明：优化后结构的输出扭矩增大了70N.m，满足了设计需求，同时试验结果也进一步验证了有限元分析的正确性。
Abstract： In order to solve the problem of low output torque of actuator for automobile seats height adjuster， finite element strength analysis（FEA） was carried out based on ANSYS Workbench， and according to the characteristics of structural stress distribution， measures for improving material strength and local size optimization are proposed. The finite element calculation results show that the output torque of the optimized structure increases by 70N.m， which meets the design requirements. The experimental results further verify the correctness of finite element analysis.
關键词：有限元;ANSYS;强度;优化;驱动器
Key words： FEA;ANSYS;strength;optimization;actuator
0 引言
渐开线少齿差行星齿轮传动具有体积小、质量轻、传动比大、噪声低和效率较高的优点，广泛应用于石油、化工、农机、轻工、冶金、矿山、机械汽车行业，有着广阔的前景[1]。
本文以汽车座椅抬高调节驱动器为研究对象，针对输出扭矩偏低的问题，通过有限元强度分析，根据应力分布的特点，提出优化方案。研究成果可为驱动器的设计及性能优化提供参考价值。
1 驱动器的结构
该结构分为两大部分：电机和驱动器;其爆炸图如图1所示。驱动器部分为K-H-V（N）型少齿差行星齿轮传动（1个齿），输出机构采用十字滑块联轴器把外齿轮（行星轮）与低速轴联接起来[2]。
2 驱动器有限元模型的建立
利用CATIA V5R21软件建立驱动器三维模型。通过实验分析，零部件中塑料箱体、金属十字滑块以及金属十字挡圈会出现断裂、变形过大等失效模式，因此重点关注这三个零部件的受力情况，几何和有限元模型如图2所示。
在ANSYS Workbench平台进行有限元强度分析。材料选择：金属齿/十字滑块/十字挡圈的材料为scm415;输出齿为20CrMnTi;箱盖为DC01;塑料箱体为PBT GF30，材料力学参数如表1所示，表2为塑料PBT GF30非线性应力应变关系。边界条件设定：根据实际安装情况，对相应的安装孔位进行位移固定处理，零部件之间的接触采用光滑接触。荷载施加：在输出齿上面施加扭矩，如图2所示[3-5]。
3 有限元计算结果分析
重点分析驱动器中塑料箱体、金属十字滑块以及金属十字挡圈的应力分布情况，应力云图如图4所示，可以看出原始驱动器中塑料箱体与金属十字挡圈接触的两个位置应力比较集中，且金属十字滑块和十字挡圈也有变形大、应力集中现象。
为了提高驱动器结构最大输出扭矩，满足设计要求，根据有限元分析的结果，对金属十字滑块和十字挡圈几何尺寸进行优化[6-8]，如图3，同时把scm415替换为强度更高的42CrMo材料。
从表3结果可以看出：原始结构的最大输出扭矩为150N.m，优化后结构输出扭矩为220N.m，比原始增大了70N.m，满足180N.m的设计要求。
4 试验验证
针对优化方案选取6个样品进行试验测试，设备如图5所示[9]，其中蓝线表示扭矩随加载时间的变化图，红线表示是转动角度随加载时间的变化图。测试结果如表4所示：可以看出6个样品的输出扭矩都要大于180N.m，满足设计要求，同时也进一步验证了有限元分析结果的正确性。
5 结论
本文基于ANSYS Workbench平台对汽车座椅抬高调节驱动器进行有限元强度分析，根据应力分布的特点，提出了提高材料强度和局部尺寸优化的方案。结果表明：优化后结构的输出扭矩比原始的增大了70N.m，满足了设计需求。该研究方法和成果可为汽车座椅抬高调节驱动器的设计及性能优化提供参考价值。
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]戴红娟，周红良，曾励.少齿差行星齿轮传动技术现状及发展[J].机械工程师，2005（12）.
[3]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.
[4]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.
[5]田建忠.少齿差行星齿轮传动的虚拟装配与动态仿真运动[J].山西科技，2016（05）.
[6]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.
[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.
[8]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）.
[9]陈世超，易伟，李程.动态扭矩检测技术研究[J].中国测试， 2016（11）.
Abstract： In order to solve the problem of low output torque of actuator for automobile seats height adjuster， finite element strength analysis（FEA） was carried out based on ANSYS Workbench， and according to the characteristics of structural stress distribution， measures for improving material strength and local size optimization are proposed. The finite element calculation results show that the output torque of the optimized structure increases by 70N.m， which meets the design requirements. The experimental results further verify the correctness of finite element analysis.
關键词：有限元;ANSYS;强度;优化;驱动器
Key words： FEA;ANSYS;strength;optimization;actuator
0 引言
渐开线少齿差行星齿轮传动具有体积小、质量轻、传动比大、噪声低和效率较高的优点，广泛应用于石油、化工、农机、轻工、冶金、矿山、机械汽车行业，有着广阔的前景[1]。
本文以汽车座椅抬高调节驱动器为研究对象，针对输出扭矩偏低的问题，通过有限元强度分析，根据应力分布的特点，提出优化方案。研究成果可为驱动器的设计及性能优化提供参考价值。
1 驱动器的结构
该结构分为两大部分：电机和驱动器;其爆炸图如图1所示。驱动器部分为K-H-V（N）型少齿差行星齿轮传动（1个齿），输出机构采用十字滑块联轴器把外齿轮（行星轮）与低速轴联接起来[2]。
2 驱动器有限元模型的建立
利用CATIA V5R21软件建立驱动器三维模型。通过实验分析，零部件中塑料箱体、金属十字滑块以及金属十字挡圈会出现断裂、变形过大等失效模式，因此重点关注这三个零部件的受力情况，几何和有限元模型如图2所示。
在ANSYS Workbench平台进行有限元强度分析。材料选择：金属齿/十字滑块/十字挡圈的材料为scm415;输出齿为20CrMnTi;箱盖为DC01;塑料箱体为PBT GF30，材料力学参数如表1所示，表2为塑料PBT GF30非线性应力应变关系。边界条件设定：根据实际安装情况，对相应的安装孔位进行位移固定处理，零部件之间的接触采用光滑接触。荷载施加：在输出齿上面施加扭矩，如图2所示[3-5]。
3 有限元计算结果分析
重点分析驱动器中塑料箱体、金属十字滑块以及金属十字挡圈的应力分布情况，应力云图如图4所示，可以看出原始驱动器中塑料箱体与金属十字挡圈接触的两个位置应力比较集中，且金属十字滑块和十字挡圈也有变形大、应力集中现象。
为了提高驱动器结构最大输出扭矩，满足设计要求，根据有限元分析的结果，对金属十字滑块和十字挡圈几何尺寸进行优化[6-8]，如图3，同时把scm415替换为强度更高的42CrMo材料。
从表3结果可以看出：原始结构的最大输出扭矩为150N.m，优化后结构输出扭矩为220N.m，比原始增大了70N.m，满足180N.m的设计要求。
4 试验验证
针对优化方案选取6个样品进行试验测试，设备如图5所示[9]，其中蓝线表示扭矩随加载时间的变化图，红线表示是转动角度随加载时间的变化图。测试结果如表4所示：可以看出6个样品的输出扭矩都要大于180N.m，满足设计要求，同时也进一步验证了有限元分析结果的正确性。
5 结论
本文基于ANSYS Workbench平台对汽车座椅抬高调节驱动器进行有限元强度分析，根据应力分布的特点，提出了提高材料强度和局部尺寸优化的方案。结果表明：优化后结构的输出扭矩比原始的增大了70N.m，满足了设计需求。该研究方法和成果可为汽车座椅抬高调节驱动器的设计及性能优化提供参考价值。
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]戴红娟，周红良，曾励.少齿差行星齿轮传动技术现状及发展[J].机械工程师，2005（12）.
[3]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.
[4]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.
[5]田建忠.少齿差行星齿轮传动的虚拟装配与动态仿真运动[J].山西科技，2016（05）.
[6]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.
[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.
[8]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）.
[9]陈世超，易伟，李程.动态扭矩检测技术研究[J].中国测试， 2016（11）.