手动调角器设计.docx
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手动调角器设计
手动调角器设计
第一课:
棘爪与扇型齿板手动调角器设计
简介:
本课中会详细讲述棘爪-扇型齿板手动调角器的不同设计,操作和功能特性.
还将客观的看待手动调角器选择过程以及关键功能设计.
目标:
学完课程一,你将能够:
∙辨识棘爪-齿板手动调角器
∙辨认棘爪-齿板手动调角器零件
∙详细说明棘爪-齿板手动调角器功能特性
∙描述棘爪-齿板手动调角器运作机理
∙说明可以用来减小间隙的方法
∙描述棘爪与齿板倾倒方法
∙描述棘爪-齿板手动调角器的长处与缺点
∙比较棘爪-齿板与其他设计的优点和缺点
∙确定棘爪-齿板手动调角器关键功能设计,包括:
-装配面设计与尺寸设定
-锁止角
-活动部件侧向控制
-锁齿设计
-弹簧力
-但边/双边选择
-能量管理特性
∙做以下计算
-锁止角
-齿板回复弹簧力
-把手回复弹簧力
-轮齿强度（齿板与棘爪）
部件与术语:
依照设计需要有许多种棘爪-齿板手动调角器结构,但基本上由相似的
部件组成操作方式也类似.如同图1-1所示,基本的棘爪-齿板手动调
角器设计包括一下基本部件:
∙扇型齿板
∙棘爪
∙凸轮
∙手柄
∙安装面
∙弹簧
∙行程控制装置
图1-1典型棘爪-齿板型手动调角器
齿板
齿板,也可以理解成“支承”或者“上锁止”；齿板使得靠背可以调节，齿板上部固接在靠背上，绕一轴做圆弧运动。
这个轴连接齿板和安装平面，安装平面与座垫骨架固接。
齿板的下部有轮齿当靠背已经移动到所需位置时用来把齿板锁止。
棘爪
棘爪，也可以理解为“下锁止”是用来把齿板锁定到位的零件。
同齿板一样，棘爪一般做圆弧运动，同样由一个轴与安装平面连接。
从功能角度来说，棘爪有2边。
一边有齿用来和齿板的齿啮合，这样把齿板锁止到位。
另外一面与凸轮作用。
凸轮
凸轮是驱动棘爪与齿板啮合并保持这个位置的零件。
凸轮是一个靠把手使之保持和脱离配合的偏心设计。
凸轮也用来消除间隙，这会在“运作机理”这节里讨论。
把手
把手是由坐在座椅上的乘客操作的部件。
在大多数情况下，把手位于座椅座垫的外侧。
把手可以直接和凸轮相连或者通过机械连接如连杆，线锁相连。
安装平面
内外安装平面有很多重要功能。
首先，它容纳调角器零件，这些零件象三明治一样被夹在安装平面间。
Stampedintotheplatesarebossesthatallowcontrolledmovementofthecomponents.铆钉把两块板连接在一起，棘爪，凸轮，齿板用轴销固定。
第二，安装平面直接将整个机构固定在座垫骨架或座椅调角器总成上。
第三，安装面传递从靠背骨架来的各种载荷到座垫骨架从而到地板面的座椅结构支撑上。
弹簧
在棘爪－齿板设计中有2种典型弹簧：
∙齿板弹簧，也可以理解是靠背回复弹簧或者抵抗平衡弹簧
∙把手回复弹簧，也可以说是凸轮回复弹簧
齿板弹簧在大多数情况下都是卷簧，绕齿板中心工作。
这个弹簧对齿板施加绕其转动轴转动的力，从而把靠背恢复到垂直位置。
把手/凸轮回复弹簧将把手把手恢复到休止位置，但把手回复弹簧的主要目的是转动凸轮从而驱动棘爪齿与齿板轮齿啮合。
行程限制装置
齿板，或者座椅靠背，从最前位置到最后位置的运动由行程限制装置限制。
基本来说有2种类型的行程限制装置。
第一种类型是在齿板2边用2块限制块。
在一些设计中，连接板的铆钉也可以做为行程限制块使用。
第二种类型在齿板中使用一个圆弧状的运动槽和一个限制轴来实现。
运动槽的总长决定了，齿板的总行程。
运作机理
当操作把手时，凸轮转动与棘爪退出配合。
根据设计，棘爪可以如下退出啮合：
∙利用重力使棘爪掉落退出与齿板的啮合。
∙靠棘爪与齿板间的分离力使其退出啮合。
∙当凸轮转动时，与棘爪另一个表面接触从而推动棘爪退出啮合。
（这是推荐的设计）
座在座椅上的乘客现在可以在行程范围内任意调节直到理想位置。
当释放把手时，把手回复弹簧将把手推回休止位置，同时带动凸轮转动推动棘爪，这样就使棘爪与齿板啮合把整个机构锁死。
消除间隙
设计这些零件第二个要考虑的是如何减小，消除间隙。
间隙会导致感觉机构松散乘客可以感觉到有时甚至可以听到。
间隙是任何加工零件所固有的特性:
偏差所导致的。
就棘爪－齿板设计而言，有四个主要的区域，由于标准公差在这些区域存在间隙:
齿板转轴，棘爪转轴，凸轮转轴，以及从一个更加次要的层面讲在齿板与棘爪轮齿啮合处。
减小间隙的确切设计要素会在“重要功能设计中”详细讨论，但基本上可以如下完成：
凸轮转动与棘爪配合，棘爪齿与齿板啮合。
这样做的话，凸轮楔紧在棘爪上，因此可以消除任何在凸轮和齿板转轴以及齿板棘爪啮合处的间隙。
与此同时，棘爪的接触面有一个角度，因为杠杆效应楔紧力也作用与棘爪转轴上。
因此消除了所有的间隙。
见图1－2如同这个设计看起来一样简单，这非常有效。
与齿轮减速和线性调角器比，棘爪－齿板调角器间隙量最小。
齿轮减速和线性调角器在美国汽车中很常用。
图1－2
翻转
翻转功能是使座椅可以向前移动这样双门车的乘客就可以进去后排座椅了。
有三中类型的倾倒
∙手动翻转锁止装置
∙惯性翻转锁止
∙齿板翻转
手动翻转锁止装置
翻转锁止装置是一个凸轮杠杆机构这个机构运行起来有点象凸轮与棘爪。
（图1－3）。
尽管他们可能共用一个转轴，当释放的时候，内外锁止板相对齿板可以独立旋转。
座椅靠背与锁止板连接。
倾倒锁止凸轮与齿板的关系和设计与凸轮棘爪的结构一样。
这样以来，可以用相同的公式计算锁止角。
这样设计的最大好处就是，在倾倒操作中调角器保持不变。
图1－3倾倒锁止装置
惯性锁止装置
在安装有惯性翻转锁止装置的座椅系统中，座椅靠背在一般情况下是保持解锁状态的，这样后排乘客就不必操作杠杆来离开汽车。
（图1－4）如同字面意思一样，即使，突然的或急剧的向前运动。
比如急刹车或者车祸中锁止装置会启动将座椅靠背锁住。
然而，当汽车停在陡峭的斜坡的时候则需要一个辅助锁止装置这样才能使得靠背锁在希望的位置。
惯性锁止系统的一个缺点是，这种机构会产生一些噪音，这些噪音对一些整车生产企业来说是不能接受的。
图1-4惯性锁止
由于惯性锁止装置会逐渐淡出将来的座椅设计，所以关于惯性锁止的设计的内容将不会涉及。
但如果需要更多的关于惯性锁止机构的设计信息可以参考JCI’SGUIDELINESFORINERTIALATCHDESIGN.
齿板翻转
齿板翻转将翻转功能和调角功能结合在一起。
（图1－5）这个功能是由齿板休止区完成的，齿板休止区本质上就是一个没有轮齿的区域这就使得靠背可以在调角器前锁止位置之前运动。
这同时也能在不操作调角器的情况下让靠背回到前锁止位置（也可以理解成“第一锁止位置”）尽管这个系统比远程翻转锁止机构来得简单与廉价，他却有个最大的缺点，就是每次乘客进入汽车时都需要调节一次靠背。
这种设计的重要特性会在“关键功能设计”中讨论。
图1－5齿板翻转
强项与弱项
图1－6的表格提供了最常用的7种调角器的客观概况。
这个表格是由每个调角器设计的工程师代表通过“头脑风暴”会议制定出的。
虽然不是很科学，这个表格比较了不同设计的间的特性。
这些还有其他一些重要特性会在下面讨论。
图1－6手动调角器设计特性表格
七大特性
棘爪齿板机构总的来说是一个经济的设计。
其基本的理由是，它设计简便，需要更少的零件，只需常规制造工艺。
所用零件越少则份量越轻。
这也意味着在排布中需要的空间更小。
所有的操作部件（包括齿板，棘爪，凸轮）再加上一个平面这就是全部了，加上内外安装板共三层材料。
而齿轮减速设计（调角器）则需要四层。
说到功能特性，两个最有代表性的需要权衡的特性是调节分辨率和间隙问题。
由于锁齿设计的固有限制，棘爪－齿板机构的调节分辨率没有齿轮减速设计来得高。
（所谓调节分辨率织从一个位置到另一个位置的最小可能运动行程）然而，从市场调查数据中很难定义最佳的调节量，同样各种研究也不能表明各种设计间的调节分辨率的小差异可以被觉察。
然而，棘爪－齿板的间隙问题比齿轮减速设计高的多。
这里需要重点搞清楚的是对于整车制造厂商来说何种功能特性是最重要的。
如果整车制造厂商想要一个调节分辨率更小的调角器，那么齿轮减速设计可能就是一个好选择，即使可能成本更高。
其它特性
随着对更高强度座椅需求的上升，需要能够适用双侧调角器结构的设计。
从这个情况考虑，棘爪－齿板设计和齿轮减速设计都表现得一般，比起线性与回转调角器的适应性是差多了。
很多设计方法可以用来设计双侧棘爪－齿板调角器比如用一个线锁系统或者同步杆来连接两侧机构。
然而，同步两侧棘爪与齿板轮齿得啮合是一个难题。
在一些操作情况下，两边的锁齿啮合可能并不相配，这就会导致靠背的扭曲。
但更加要命的是可能有一边锁止了但另一边的锁止机构没有完全啮合。
这就是所谓的“锁止失败”如果这种情况真的发生就会导致金属碰撞的异响。
当发生啮合延迟的情况可以感觉到和听到这种异响。
在最糟的情况下，当座椅受载时，啮合错误的锁齿可能脱开或者被剪断，由于改变了座椅受力的分配从而威胁到座椅的完整性。
棘爪－齿板结构是一个“强健”的设计，其疲劳与寿命周期特性很好。
这部分得益于其简单的设计以及所用的材料。
然而，前后强度质量比仅仅处于中上水平。
关键功能设计
棘爪齿板调角器的关键功能设计可以分成两块：
影响调角器操作的是一块，公差配合的管理是另一块。
然而，把这两块关键设计功能单独分开讲的例子却很少见，因为他们很大程度上是互相依托的关系。
进一步讲，这类和其他手动调角器总的功能设计从某种角度说是不寻常的。
大多数机械设备的功能是实现相对运动，从设计角度出发，最基本关注的是这种运动的后果。
手动调角器的关键功能设计，则不是实现相对运动，而是避免运动。
这些关键设计功能包括：
∙安装板布局和尺寸确定
∙锁止角
∙运动部件的侧向控制
∙锁齿设计
∙弹簧力
∙单/双面选择
∙能量管理特性
安装板布局和尺寸确定
所有批量生产的产品包括手动调角器，必须设计使其与加工能力的匹配达到最佳装态。
很多时候，把产品从图纸转变到生产是一个反复规划的过程，如同原始设计一样。
一个广泛使用来达到最佳制造工艺性的工具是几何尺寸与公差配合（GD&T）美国国家标准协会Y14.5号标准用一种通用语言和方法来保证产品具有最佳可制造性。
3个附加的由EFFECTIVETRAINING公司提供的GD&T课程是JCI培训计划的一部分，我们强烈建议所有的工程设计人员参加这个课程的学习。
为了本课程的目的，会在安装平面布局与尺寸确定重要性讲解中简单定义与计算GD&T。
一个使用GD&T的例子见图1-7。
如果由以材料两边为基准的孔的中心钻孔，则两孔的中心距会在80.3到79.9毫米之间。
这就有+-0.3MM的公差，大于+-0.1MM的许可值。
但，如果都以一边为基准那每个孔都符合要求。
然而，如果第二个孔是以第一个孔为基准并加工的话中心距也会在允许值内。
重点是：
生产测量标准可能会导致产品与设计者所希望的结果不符。
在这个情况下，重要的尺寸不是孔心到材料边的距离，而是两孔的中心距。
这就是GD&T的关键，这是一个用来确保不但在产品生产而且在产品检验中都能正确交流的系统。
回到例子中，第一个孔变成所谓的“基准”根据ANSI14.5的定义“……是确定产品特征的位置或几何特性的零点。
”
在JCI中，定义安排基准应该包括所有同步开发小组成员的同意与信息输入
图1－7布局举例
安装面也运用同样的GD&T布局理论。
首先A面的孔按如图1－8中的形式排布。
这些孔用来安装铆钉，或者螺栓用来把两个面之间的功能部件夹紧。
铆钉也可以用来作为功能部件的行程限制装置。
图1－8安装面布局举例
接下来，B面上孔的布局采用第一个面的孔作为参考。
应该注意到第二个面上的孔要大一些，因为他们要能够和A面的公差所配合。
当装配调角器的时候，功能部件和铆钉初次与A面联结，这些需要设计优化使得可以在公差范围内夹紧这些部件。
这样B面就能顺畅地通过铆钉。
当铆钉被旋铆好后，铆钉会自动对正大孔的中心填补附加的空隙。
这样处理的目的：
首先，是为了维持铆钉与功能部件之间的良好关系，其次，为了保持面的平面度，因为强行对齐两平面可能导致弯曲或扭曲。
理解缺陷总是设计出来的，及安全问题比实现功能优先很重要。
锁止角
凸轮的基础设计始于一个圆心偏移凸轮中心的偏心圆。
（如图1－9）当凸轮转动接触一个表面的时候，比如棘爪，由几何定理可知接触线始终与直径正交。
如果从接触中心到凸轮转动中心再画一条直线。
与直径方向所行程的夹角就叫做“锁止角”。
JCI推荐的锁止角为5.71度。
；然而还有很多重要的因素，特别是考虑摩擦（力），会影响确定的锁止角的精度。
这些，以及锁止角的详细计算会在锁止角，弹簧力，和锁齿强度计算中讨论。
图1－9凸轮的锁止角
为了更好的理解锁止角，知道为什么需要凸轮机构会很有用。
在没有误差的“完美世界”，凸轮不是必须的。
只需要一个可以驱动棘爪在平面内转动的简单杠杆。
不幸的是，现实并不是这样。
各种误差会导致简单的杠杆要么因为与棘爪的间隙过大而直接转过配合面，要么就与棘爪接近过渡导致锁死。
正确的凸轮设计由于设计了锁止角，在凸轮上产生了一个“锁止区”如图（1－10所示）这意味着只要凸轮与棘爪在这个区域接触就能正常地工作。
更加重要的是，在这个区域内任何在设计中的偏差都可以抵消。
图1－10“锁止区”
如同正确的锁止角可以抵消公差，不正确的锁止角同样会导致严重的问题。
如果锁止角过大，凸轮仍然会驱使棘爪与齿板捏合，但是不能锁止因为分力会让凸轮旋转从而脱开捏合。
如果锁止角过小，会发生很多问题：
凸轮会旋转过渡产生干涉，或会转过锁止位置，因此棘爪与齿板就不能完全捏合。
回到棘爪与凸轮的接触点（的问题上），齿板通过棘爪施加（在凸轮上）的力的分力方向相对与转动中心会产生一个力矩。
可以看出这个力矩有转动凸轮并使之脱离配合的趋势这就像没有摩擦力的情况一样。
在正确的锁止角的作用下，摩擦力可以保持凸轮（棘爪）的接触。
另外一方面，如果有不正确的锁止角存在那么摩擦力将不足以保持凸轮的锁止。
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