一种客车座椅靠背骨架及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种客车座椅靠背骨架及其设计方法，克服了目前存在的质量增加和设计盲目性的问题，骨架包括座椅靠背骨架边框(1)、座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)；座椅靠背骨架边框(1)为左、右对称的钢管结构件，座椅靠背骨架边框(1)的正面形状为“倒U字形”，侧面形状在中、下端两处有弯折；座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)均为左、右对称的钢质的曲面板结构件，上背板(2)与下背板(3)均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框(1)的上端与中、下端固定连接；该客车座椅靠背骨架总长L为458mm，总宽W为256mm，总高H为792mm，本发明专利技术还公开了一种客车座椅靠背骨架的设计方法。

A Bus Seat Backrest Frame and Its Design Method

The invention discloses a passenger car seat backbone and its design method, which overcomes the existing problems of quality increase and design blindness. The backbone includes the backbone frame of the seat (1), the upper backboard of the backbone of the seat (2) and the lower backboard of the backbone of the seat (3); the backbone frame of the seat (1) is a left and right symmetrical steel tube structure, and the front of the backbone frame of the seat (1). The shape is inverted U-shaped, and the side shape is bent at the middle and lower ends; the upper back plate (2) of the seat backbone and the lower back plate (3) of the seat backbone are left and right symmetrical steel curved plate structural parts; the upper back plate (2) and the lower back plate (3) are fixed and connected with the upper end, middle and lower end of the side frame (1) of the seat backbone by spot welding; the total length of the seat backbone of the passenger car is 458 mm, with a total length of L. The total width W is 256mm and the total height H is 792mm. The invention also discloses a design method of the backrest skeleton of a bus seat.

【技术实现步骤摘要】
一种客车座椅靠背骨架及其设计方法
本专利技术涉及客车座椅结构碰撞安全与轻量化设计领域的一种方法，更确切地说，本专利技术涉及一种针对多工况安全性与轻量化的客车座椅靠背骨架及其设计方法。
技术介绍
随着我国客车使用量的不断增加，交通事故量也不断增加，给人们的生命和财产带来巨大损失。客车座椅与驾驶员和乘员直接接触，直接影响驾乘人员的生命安全，是客车上重要的安全装置之一。针对客车座椅的安全性问题，我国于2003年出台了客车座椅安全法规GB13057-2003《客车座椅及其车辆固定件的强度》，并于2014年对其进行了修订，新修订的GB13057-2014用动态试验取代了静态试验。GB13057-2014动态试验是将客车座椅安装在试验平台上，按照要求对其施加加速度-时间曲线，模拟客车发生碰撞，后排辅助座椅上的乘员向前运动与试验座椅发生碰撞，图1为该过程示意图。本专利技术将该工况称为“前倾工况”。在前倾工况下，试验后假人躯干和头部的任何部分向前位移不得超过位于辅助座椅R点前1.6m的横向垂面；客车座椅及安装件或附件等不应对乘员造成伤害，座椅部件及固定件要稳固，座椅不发生严重变形、断裂、失效或其他严重损坏现象，乘员伤害应满足如下要求：1.头部允许指标(HIC)：小于500；2.胸部允许指标(ThAC)：小于30g(持续作用时间小于3ms的峰值除外)(g＝9.81m/s2)；3.腿部允许指标(FAC)：小于10kN；当持续作用时间大于20ms时，应小于8kN。除GB13057-2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》外，GB15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》对座椅靠背及其调节装置的静强度做出了要求，规定对座椅靠背沿纵向向后加载相对于座椅“R”点530Nm的力矩。本专利技术将该工况称为“后倾工况”，在后倾工况下，试验过程中以及试验后，座椅靠背、座椅固定装置、调节装置均不应失效，允许产生不会增加伤害程度的永久变形(包括断裂)且能承受规定载荷。本专利技术在前倾工况基础上增加后倾工况，对座椅靠背进行多工况的安全性设计，使其安全性能更加全面可靠。较为完整的客车座椅结构通常包含座椅骨架、泡沫、面套和座椅调节装置等，其中座椅骨架对安全性能有较大影响。座椅骨架包含靠背骨架和坐垫骨架，材料一般是钢。为了满足安全性要求，多数企业通常会选择增大靠背骨架圆管口径、增加靠背骨架背板厚度等。这种做法一方面导致座椅质量大幅增加，由于客车座椅数量众多，严重影响整车动力性和燃油经济性，并且致使汽车尾气排放增加，加重环境污染；另一方面采用该方法需要反复设计和验证，存在较大的设计盲目性。因此,在满足安全法规要求的前提下,对客车座椅骨架进行轻量化设计尤为重要。目前，实现座椅骨架轻量化的途径主要有三种：(1)结构轻量化：即对座椅骨架结构进行优化及重新设计，优化手段有拓扑优化、尺寸优化等；(2)工艺轻量化：对座椅中零部件的加工工艺与连接工艺进行轻量化手段的更新；(3)材料轻量化：使用新型轻质材料替换传统的密度较大的钢材。拓扑优化是一种在给定的加载条件、边界约束条件和性能指标要求下，在给定的设计空间内寻求最佳材料分布的优化方法。该技术应用于产品概念设计阶段，获取传力路径，指导结构设计，在保证结构性能要求的同时实现轻量化，避免传统设计方法的盲目性，从而缩短开发时间，降低开发成本。该技术主要通过有限元分析、灵敏度计算以及寻求材料最优分布的多次迭代实现。当材料分布趋于稳定时，迭代终止，得到拓扑结果。工程师依据经验，考虑工艺可行性等对拓扑结果进行工程解读，得到最终的设计方案。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的质量增加和设计盲目性的问题，提供了一种客车座椅靠背骨架及其设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的：所述的一种客车座椅靠背骨架包括有座椅靠背骨架边框、座椅靠背骨架上背板与座椅靠背骨架下背板；所述的座椅靠背骨架边框为左、右对称的钢管结构件，钢管壁厚为2mm，座椅靠背骨架边框的正面形状为“倒U字形”，侧面形状在中、下端两处有弯折；所述的座椅靠背骨架上背板与座椅靠背骨架下背板均为左、右对称的钢质的曲面板结构件，上背板与下背板均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框的上端与下端固定连接；该客车座椅靠背骨架总长L为458mm，总宽W为256mm，总高H为792mm。技术方案中所述的座椅靠背骨架边框由座椅靠背骨架左侧边框、座椅靠背骨架右侧边框与上部横梁组成；座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框为对称相等的两个管件，座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的横截面形状同为圆环形，内径为26mm，座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的中端向后同弯成158°的角度，座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的上端向前同弯成152°的角度，同时座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的上端向里侧即向右、左侧同弯成108°的角度，座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的底端压扁，并在压扁处设置有同轴线的用于和连接板相连的销孔；所述的上部横梁为等矩形横截面的结构件，是通过将和座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框结构相同的圆管压扁而成，上部横梁的左、右两端和座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的顶端连成一体。技术方案中所述的座椅靠背骨架上背板为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架上背板的左、右宽度尺寸与座椅靠背骨架边框上端的左、右宽度尺寸相等；所述的座椅靠背骨架上背板由中间主干、左侧枝干与右侧枝干组成；所述的中间主干的下部宽度大于上部宽度，中间主干的下部两侧边为直线边，下部宽度D＝118mm；中间主干的上部两侧边为曲线边，且自下而上中间主干的宽度先逐渐减小，在宽度达到最小后又逐渐增大，最小宽度d＝30mm；中间主干的底端边为曲线边，顶端边为直线边；左侧枝干与右侧枝干是关于中间主干的对称中线的对称件，左侧枝干与右侧枝干的正面形状类似于“平躺”的字母“Y”，左侧枝干的右侧边与右侧枝干的左侧边与中间主干的下部两侧边共边；左侧枝干自右向左，左侧枝干的上下长度先逐渐减小，而后逐渐增大，在c＝80mm处出现分叉，上部分叉向左上方延伸，下部分叉向左下方延伸，上部分叉的上下长度小，下部分叉的上下长度大,但二者的上下长度都是自右向左先逐渐减小而后逐渐增大，上部分叉与下部分叉的左侧边均为直线边，右侧枝干的结构形状与左侧枝干的结构形状完全对称相等，结构尺寸与连接工艺与左侧枝干完全相同；座椅靠背骨架上背板为曲面板类结构件，其纵向曲率为0.0013mm-1,左侧枝干与右侧枝干的上部分叉与下部分叉在横向上也存在一定曲率，上部分叉横向曲率为0.00023mm-1，下部分叉横向曲率为0.00032mm-1。技术方案中所述的座椅靠背骨架下背板为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架下背板上设置有6个形状、大小不一的通孔；其中：所述的上部通孔的形状为左、右对称的五边形的通孔，上部通孔设置在座椅靠背骨架下背板的上端，上部通孔的上孔边与座椅靠背骨架下背板的顶端背板边相平行，各孔边交接处即相邻两孔边之间均采用圆弧边过渡连接；所述的中部左侧通孔与中部右侧通孔为对称的、结构尺寸相等的2个通孔，中部左侧通孔与中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的一种客车座椅靠背骨架包括有座椅靠背骨架边框(1)、座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)；所述的座椅靠背骨架边框(1)为左、右对称的钢管结构件，钢管壁厚为2mm，座椅靠背骨架边框(1)的正面形状为“倒U字形”，侧面形状在中、下端两处有弯折；所述的座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)均为左、右对称的钢质的曲面板结构件，上背板(2)与下背板(3)均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框(1)的上端与下端固定连接；该客车座椅靠背骨架总长L为458mm，总宽W为256mm，总高H为792mm。

【技术特征摘要】
1.一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的一种客车座椅靠背骨架包括有座椅靠背骨架边框(1)、座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)；所述的座椅靠背骨架边框(1)为左、右对称的钢管结构件，钢管壁厚为2mm，座椅靠背骨架边框(1)的正面形状为“倒U字形”，侧面形状在中、下端两处有弯折；所述的座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)均为左、右对称的钢质的曲面板结构件，上背板(2)与下背板(3)均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框(1)的上端与下端固定连接；该客车座椅靠背骨架总长L为458mm，总宽W为256mm，总高H为792mm。2.按照权利要求1所述的一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的座椅靠背骨架边框(1)由座椅靠背骨架左侧边框(4)、座椅靠背骨架右侧边框(5)与上部横梁(6)组成；座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)为对称相等的两个管件，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的横截面形状同为圆环形，内径为26mm，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的中端向后同弯成158°的角度，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的上端向前同弯成152°的角度，同时座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的上端向里侧即向右、左侧同弯成108°的角度，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的底端压扁，并在压扁处设置有同轴线的用于和连接板相连的销孔(7)；所述的上部横梁(6)为等矩形横截面的结构件，是通过将和座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)结构相同的圆管压扁而成，上部横梁(6)的左、右两端和座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的顶端连成一体。3.按照权利要求1所述的一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的座椅靠背骨架上背板(2)为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架上背板(2)的左、右宽度尺寸与座椅靠背骨架边框(1)上端的左、右宽度尺寸相等；所述的座椅靠背骨架上背板(2)由中间主干(8)、左侧枝干(9)与右侧枝干(10)组成；所述的中间主干(8)的下部宽度大于上部宽度，中间主干(8)的下部两侧边为直线边，下部宽度D＝118mm；中间主干(8)的上部两侧边为曲线边，且自下而上中间主干(8)的宽度先逐渐减小，在宽度达到最小后又逐渐增大，最小宽度d＝30mm；中间主干(8)的底端边为曲线边，顶端边为直线边；左侧枝干(9)与右侧枝干(10)是关于中间主干(8)的对称中线的对称件，左侧枝干(9)与右侧枝干(10)的正面形状类似于“平躺”的字母“Y”，左侧枝干(9)的右侧边与右侧枝干(10)的左侧边与中间主干(8)的下部两侧边共边；左侧枝干(9)自右向左，左侧枝干(9)的上下长度先逐渐减小，而后逐渐增大，在c＝80mm处出现分叉，上部分叉向左上方延伸，下部分叉向左下方延伸，上部分叉的上下长度小，下部分叉的上下长度大,但二者的上下长度都是自右向左先逐渐减小而后逐渐增大，上部分叉与下部分叉的左侧边均为直线边，右侧枝干(10)的结构形状与左侧枝干(9)的结构形状完全对称相等，结构尺寸与连接工艺与左侧枝干(9)完全相同；座椅靠背骨架上背板(2)为曲面板类结构件，其纵向曲率为0.0013mm-1,左侧枝干(9)与右侧枝干(10)的上部分叉与下部分叉在横向上也存在一定曲率，上部分叉横向曲率为0.00023mm-1，下部分叉横向曲率为0.00032mm-1。4.按照权利要求1所述的一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的座椅靠背骨架下背板(3)为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架下背板(3)上设置有6个形状、大小不一的通孔；其中：所述的上部通孔(11)形状为左、右对称的五边形的通孔，上部通孔(11)设置在座椅靠背骨架下背板(3)的上端，上部通孔(11)的上孔边与座椅靠背骨架下背板(3)的顶端背板边相平行，各孔边交接处即相邻两孔边之间均采用圆弧边过渡连接；所述的中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)为对称的、结构尺寸相等的2个通孔，中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)对称地分布在上部通孔(11)的下方，并且中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)的上孔边和上部通孔(11)的左下孔边与右下孔边相平行；所述的中部中间通孔(14)分布在中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)的中间位置，中部中间通孔(14)为等腰三角形的通孔，中部中间通孔(14)的各孔边交接处同样采用圆弧边过渡连接；所述的下部左侧通孔(15)与下部右侧通孔(16)为对称的、结构尺寸相同的通孔，下部左侧通孔(15)与下部右侧通孔(16)对称地分布在中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)的下方；在座椅靠背骨架下背板(3)的底端背板边、向前弯折形成的左侧下背板翻边与右侧下背板翻边的中部均设置有“豁口”，座椅靠背骨架下背板(3)为具有曲率为0.0011mm-1的曲面板，且座椅靠背骨架下背板(3)的左侧下背板翻边与右侧下背板翻边的前端边的结构形状和座椅靠背骨架边框(1)中的座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的中、下端结构形状相同；座椅靠背骨架下背板(3)的左、右宽度尺寸与座椅靠背骨架边框(1)中、下端的左、右宽度尺寸相等；上部通孔(11)上方设置有能够对乘客背部提供有效支撑的横向背部支撑(17)，座椅靠背骨架下背板(3)为整体冲裁板件。5.一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法包括步骤如下：1)初始客车座椅安全性仿真分析；2)建立客车座椅靠背骨架拓扑优化模型；3)设置拓扑优化参数并提交计算；4)拓扑结果工程解读；5)客车座椅靠背骨架结构设计及安全性验证。6.按照权利要求5所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的初始客车座椅安全性仿真分析是指：1)初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析(1)建立前倾工况下客车座椅-假人耦合模型a.建立前倾工况下客车座椅有限元模型根据GB13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在有限元仿真软件HyperMesh中依次进行几何清理、网格划分、网格质量检查、材料及属性赋予、接触及连接设置、边界条件施加即对客车地板施加满足法规要求的加速度-时间曲线、并且定义需要输出的动画、接触载荷、节点位移、单元应力信息，从而建立客车座椅有限元模型；b.建立前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型根据GB13057-...

【专利技术属性】
技术研发人员：张君媛，郑丹枫，房强，纪梦雪，陈家乐，宁立男，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22