新能源汽车座椅轻量化设计的探讨

新能源汽车座椅轻量化设计的探讨

孙满仓

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摘要：众所周知，汽车座椅是汽车结构中重要的组成部分，也是汽车安全性的重要零部件，起到为驾驶人员提供舒适环境和保护驾驶人员安全的重要作用。因此汽车的座椅安全设计十分重要，座椅的高度、制作材料以及座椅调整幅度都要加以注意。从座椅的设计和制造到最后的安装，都需要注意诸多安全问题。 　　关键词 汽车座椅；改进

　1 新能源汽车座椅轻量化设计原则 　　在新能源汽车座椅轻量化设计方案中，首先需要明确的是轻量化本身并不是目的。而是需要我们在座椅轻量化所付出的成本和收获的收益之间达成合适的比例，使采取的轻量化措施是有效的、值得的。在获益的同时必须首先考虑风险，即要在安全、舒适的前提下，达成座椅轻量化的目标。 　　只有在确保座椅安全性的前提下，才能考虑实现轻量化。轻量化设计也遵循木桶理论，轻量化设计也存在应力集中的薄弱环节，这限制了座椅的使用要求，如刚度、强度、使用寿命等。基于理论前提，需要选择合适的材料、结构、尺寸达到设计目标。 　　轻量化设计是一个循环的多层级过程，在不同的材料、结构、尺寸的配合方式中进行循环反复。汽车座椅关系着驾驶入和乘客的生命安全，座椅制造材料的选择最重要的就是安全性，在保障座椅安全性的前提下，考虑座椅的重量问题，其次是材料的成本问题，汽车座椅的大规模生产势必要用到大规模的材料，如果座椅材料轻量化效果好但成本过高，就不利于推广生产使用，因此轻量化原则主要有：不妨碍安全、功能;质量更轻，强度更高的材料;先进的结构;适当的尺寸;先进的制造工艺。 　　2 新能源汽车座椅轻量化设计材料分析 　　结构优化等方法能降低新能源汽车座椅的质量，但减重效果有限并不能满足要求，而新的材料应用是用低密度材料代替高密度材料，借助轻量化材料在不改变汽车座椅刚强度，保证行驶安全的前提下，有效减轻汽车座椅重量。即在材料优化的基础上进行结构优化、尺寸优化、形态优化和工艺优化。 　2.1 镁合金 　　镁合金强度高、刚性强，比铝合金更轻，密度是铝的2/3，钢的2/9，是理想的新能源汽车工业轻质材料[2]。随着镁合金在新能源汽车工业上的用量增加，镁合金具有原材料广泛，成本低，生产加工技术成熟的优势。镁合金挤压型材和冲压板件刚性强、强度高，能有效减少零部件数量。当前座椅骨架中冲压钢板焊接而成的结构件如前主冲压板、后主冲压板、头枕支架、中间铰轴加强板、侧边铰轴加强板可以被镁合金挤压型材和冲压板件一体式结构替代。在镁合金板材上设置加强筋提高刚度并加强连接件之间的连接。与钢骨架相比，镁合金骨架不需要多次弯曲、冲压、冲孔，工艺会更加的简单，大大降低成本。 　　镁合金座椅骨架能有效的减轻整椅质量，镁合金与镁合金之间的连接采用氩弧焊，尽量分段焊接，减少焊接变形。但需要注意的是当镁合金连接钢铁材料时，因为两种材料间存在电位差，会产生腐蚀影响座椅使用寿命，所以采用环氧树脂结构胶连接、铆接孔.铝铆钉等连接方法能提高结构连接强度规避电化腐蚀的影响。镁合金骨架刚度、强度、连接方法、可靠性均能达到相关法规的要求，与钢骨架相比能有效降低百分之五十的质量，实现了新能源汽车座椅轻量化目标。 　2.2 铝合金 　　铝合金密度低、强度较高、质量轻、导热性高，吸收冲击能力强，密度是钢的1/3，在汽车工业中已大量应用[3]。铝合金在汽车工业上应用早，技术成熟，开发成本低。 　　铝合金骨架主要结构件有靠背、边板、椅架。靠背是汽车座椅主要承压件，边板连接靠背和椅架，椅架焊接在椅脚固定座上，是最大的承压件。由低压铸造的铝合金座椅靠背、冲压铝合金边板、轧制铝合金椅架组合而成的铝合金骨架与钢骨架相比能有效降低百分之四十重量。骨架中结构件多采用焊接和螺栓连接，需要注意的是铝合金骨架满足相关法规的钢度强度要求，但从整体上看铝合金骨架上应力分布不均匀，多集中于各部件连接处，所以螺栓连接更安全可靠。使用铝合金座椅骨架不仅能减轻新能源汽车整椅的重量，使新能源汽车整体重量下降，减少油耗，还有着良好的减震性，可以提高驾驶员和乘客的乘坐舒适性。铸造整体式铝合金零部件能有效减少零部件数量，大大减少了零件焊点数量，减少焊接和装配工序。采用低压铸造成型工艺的零部件还可进行热处理，进一步提高强度，而且低压成型铸件结构紧密，性能更好，更有利于生产薄壁铸件。铝合金是良好的轻量化材料，但也存在局部拉伸性不好，容易产生裂纹，易形变，表面易碰伤等问题。 　2.3 高强度钢 　　相比鎂、铝合金，高强度钢在碰撞性能上有着明显优势。高强度材料一般分为低强度钢、高强度钢、超高强度钢。屈服强度低于210Mpa的钢为低强度钢，屈服强度在210Mpa～550Mpa的钢为高强度钢，屈服强度大于550Mpa的钢为超高强度钢[4]。在汽车制造领域钢材料应用广泛，超高强度钢制作的座椅骨架与钢骨架相比能有效降低25%重量，而且成本低，很适合作为一种新能源汽车座椅骨架的轻量化材料。 　　采用高强度钢、超高强度钢制作的汽车骨架抗变形能力强，吸收冲击能力强，弹性应变区域大，所以高强度钢在汽车座椅骨架轻量化应用主要通过减薄零件厚度来实现。但由于高强度钢的延展性低，易产生加工硬化等一系列问题，限制了高强度钢在新能源汽车骨架轻量化方面的应用。同时，高强度钢在汽车座椅减重、安全性方面有显著优势，但高强度钢可焊性较差，随着强度增加还会出现冲压性变差，回弹量变大等问题。 　　2.4 碳纤维复合材料 　　碳纤维复合材料是碳纤维和金属、陶瓷、树脂等复合形成的结构材料。碳纤维复合材料质量轻，强度大，密度是钢的1/4，抗拉强度却在3500Mpa以上l51，对酸碱盐等化学物质有很好的耐受能力，很适合替代金属材料来制作座椅骨架。相比镁、铝合金，高强度钢等金属材料，碳纤维复合材料在减振性能有着明显优势，根据纤维材料，含量的不同，其性能具有较宽的变化范围。同时，碳纤维复合材料具有高抗变形性、耐腐蚀性、高疲劳的优点。 　　碳纤维复合材料不仅能满足新能源汽车座椅的刚强度需求，还能减轻座椅质量。只要降低生产成本和优化生产工艺，碳纤维就能得到广泛应用。碳纤维复合材料座椅骨架主要分为上横梁、下横梁和侧板三部分，上横梁采用真空袋成型，下横梁和侧板采用层压模压成型，碳纤维和铝合金复合所制骨架是一体化成型，通过结构整体化设计，设计思路贯穿产品整个成型过程，大幅减少骨架零部件数量和焊接点，不仅满足相关法规的刚度与强度要求，而且还能减少连接件数量和制造成本。 　　在实现材料的轻量化的前提下，运用计算机进行优化结构、优化尺寸等设计，如拓扑优化、有限元分析，通过改变零件的尺寸和结构，在满足新能源汽车座椅安全性、舒适性等要求的前提下，达到新能源汽车座椅轻量化目的。 　　3 结论 　　综上所述，结构优化减重效果有限，采用轻量化材料成为实现新能源汽车座椅轻量化的首选途径，简而言之，就是用性能参数更高的，更轻的材料代替体积质量比较大的部位材料。因此，采用单一的材料会存在局限性，轻量化效果不明显，不能有效的加强新能源汽车的性能。就轻量化效果而言，碳纤维、镁合金更具优势，但较高的原材料成本和新材料的加工工艺会才成为新能源汽车座椅轻量化的主要障碍。 　　参考文献 　　[1]张光亚，龚云云，程明.某微车座椅骨架的轻量化拓扑构型设计[J].汽车工程学报，2018，8 （06）：36-43. 　　[2]高云凯，林典，余海燕，等.镁合金在座椅骨架轻量化设计中的应用[J].同济大学学报（自然 科学版），2009，37 （07）. 　　[3]马鸣图，游江海，路洪洲汽车轻量化以及铝合金汽车板的应用[J].新材料产业，2009 （09）：34-37. 　　[4]战磊，孙军，何金光，等.汽车座椅骨架轻量化的研究概况[J].汽车零部件，2015 （11）：68-73.