基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计探究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：刘熊飞（1987），男，汉族，河北定州人，硕士研究生，浙江极氪汽车研究开发有限公司，初级工程师，研究方向为基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计探究。-79-基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计探究 刘熊飞1 郝 鹏2 1.浙江极氪汽车研究开发有限公司，浙江 宁波 315000 2.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江 宁波 315000 摘要：摘要：汽车轻量化是汽车产品未来的发展趋势，特别是在当前新能源汽车发展速度持续加快的行业背景下。轻量化设计理念有助于提升新能源汽车产品的整体性能，汽车座椅作为整车关键部件，其轻量化设计得到了设计者的高度重视。设计者在围绕座椅骨架采用轻量化设计方法时，应当充分关注汽车在不同工况下的设计要求。本文首先分析了多工况下的汽车座椅骨架设计要求，而后提出了较为常用的座椅骨架轻量化设计技术，最后从灵敏度分析、结构优化、轻量化材料应用、工艺技术优化的角度探讨了座椅骨架轻量化设计思路，以此为汽车座椅的优化设计提供可行性建议。关键词：关键词：多工况；汽车座椅骨架；轻量化设计 中图分类号：中图分类号：TH122 汽车新增量与保有量持续增加，汽车对于颗粒物、有害气体、二氧化碳的排放量及其耗油量也随之增多。随着“双碳”目标体系形成，汽车行业面对的环保压力越来越大，其必须解决制约自身实现可持续发展的污染以及耗能问题。汽车设计轻量化也成为汽车产品的必然发展趋势。在轻量化设计理念的引导下，设计者需要在确保整车的刚度与强度的条件下，利用轻量化材料与结构体系，来降低整车质量，进而促进燃油经济性的有效提升，并达成减排目标。现从多工况应用视角出发，探讨汽车座椅骨架轻量化设计相关内容。1 汽车座椅的主要工况分析 1.1 汽车座椅设计要求与原则 为汽车设计轻量化座椅时，设计者应意识到轻量化并非最终的设计目标，必须确保采用轻量化设计方案的基础上，所获取的收益与成本之间能够保持合理的比例，以此才能够使轻量化设计行为显现出其应有的价值。除了设计收益之外，还应重点关注设计风险，确保座椅设计成果符合舒适性与安全性的设计条件。当前不少围绕汽车座椅骨架设计的相关研究都只考虑到单一工况，但从汽车的实际行驶情况来看，其往往会遭遇多种不同的工况。座椅作为汽车产品的重要内饰件以及处于关键位置的被动保护装置，其无论是处于动态工况，还是静态工况都应当符合安全法规所提出的要求1。1.2 动态工况分析 当汽车处于动态的工况下时，处于汽车内部的座椅需要符合汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法（GB 150832019）所提出的设计要求。依托滑车试验台来开展座椅行李箱相互碰撞测试2。选取的行李箱试验块的质量是 18kg，尺寸规格为 300mm300mm300mm，数量为 2 个，将行李箱试验块置于行李舱地板上，与座椅靠背相距 200mm，其处于座椅靠背后方。试验期间，针对台车装置施加 20kg 以上的水平减速度，持续施加 30ms。碰撞期间以及碰撞动作结束后，锁止装置以及座椅一直处于原有位置，碰撞动作完成后，允许座椅骨架出现部分部位撕裂以及发生塑性变形的情况，但不可直接断开。1.3 静态工况分析 当汽车处于静态工况下时，其座椅必须符合汽车安全带安装固定点、ISOFIX 固定点及上拉带固定点（GB 141672013）提出的相关要求。展开安全带拉伸测试时，顺沿水平面区域向上角度为 10的方向上，将（22.250.20）kN 的载荷施加到试验所用人体模型的膝盖部位，并将达到座椅总承重量数值 20 倍之多的载荷施加到所用模型的肩部，施加最大载荷的时间的最小值为 0.2s。拉伸动作期间，安全带固定点不可发生直接脱落的情况，并且不可超过第一象限，但允许出现永久性变形。中国科技期刊数据库 工业 A-80-2 基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计技术 设计者可通过以下设计技术来使汽车座椅骨架在多种工况下都能够满足轻量化与安全化的设计要求：其一，拓扑优化。座椅骨架设计中，设计者可将骨架材料密度视作设计变量，制定材料使用量最小的设计目标，设置符合相关法规要求的刚强度为约束条件，再对取得的结果实施适当的优化与挑战，以满足实际的产品设计需求，使汽车骨架设计方案取得最大的轻量化设计空间与设计自由度。其二，优化尺寸。该设计技术处于参数化技术范畴中，设计者可优化骨架各个结构件的直径与厚度等几何尺寸参数、强度数值与模量数值等材料参数，以此来缩减零件厚度与几何尺寸，以此形成轻量化的设计效果。其三，形态优化。该设计技术主要围绕零件形态展开优化设计，在不增加钣金件与薄壁结构的设计前提下，对骨架型材具有的几何形状以及压延筋的数量、形状进行优化选择，从而满足刚度设计要求。其四，优化工艺。借助工艺技术来减少骨架材料使用量，升级零件连接与成形工艺技术，缩减构件使用量。3 基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计对策 3.1 灵敏度分析 汽车内部的座椅骨架拥有复杂度极高的结构，其中涵盖了十余种构件，在厚度方面有差异，需要考虑到多个厚度参数。如果把所有构件对应的厚度数值都视作设计变量，再实施轻量化设计，一方面会给最终的设计优化结果带来不利影响，另一方面会造成优化设计迭代环节不进行收敛的结果，难以获得最优设计方案。所以，在实施轻量化设计优化前期，需要筛选设计变量，借助灵敏度分析环节来选出有效的设计变量，从而保持更高的设计优化工作效率。分析灵敏度时主要需要研究特性响应对于各个设计变量所形成的具体灵敏程度。特性响应涵盖着较为丰富的对象，包括位移、应力、频率、体积以及重量等。设计变量也有着较多的种类，包括截面特性参数以及尺寸参数等。分析灵敏度也可被看作是计算特性响应对于座椅骨架设计变量的具体偏导数。ij表示第j 个特性响应对于第 i 个座椅骨架设计变量所形成的灵敏度。汽车座椅骨架的组成部分包括管件与钣金件。当汽车进入动态工况以及静态工况时，骨架需要承受的载荷主要来自行李箱以及安全带，行李箱施加的主要是碰撞冲击力，安全带施加的是拉伸力，座椅靠背的实际厚度变动会给吸收能量的情况带来影响，且影响相对较大3。所以，针对座椅所用骨架展开轻量化设计与优化时，可选择骨架中的连接件厚度、管件厚度、背板厚度为灵敏度分析中的设计变量。同时对动态、静态差异化工况进行综合考察，特性响应则选取骨架质量，以此找出优化尺寸时最为合适的设计变量。针对 n 维问题进行设计与抽样时，可选择拉定超立方抽样分析法，其均匀样本点产生的方法具有近似随机的特点，优势在于其记忆样本的功能，有助于规避重复抽样的问题，不仅能够形成较高的抽样效率，同时还能够在样本数量相对不足的条件下，提供精度较高的计算结果。通过该方法可获取骨架之中所有构件对应的质量数值的占比，涉及底板连接件、管连接件、闭锁连接件、框架方管、框架圆管、背板、中间圆管等。管连接件、60%框架方管、40%框架圆管、60%框架圆管、背板对于骨架质量有着相对更大的影响。所以，骨架质量对于这五种构件有着较高的敏感度，可将其厚度视作轻量化设计所运用的主要设计变量。3.2 结构优化设计 为汽车设计后排座椅结构时，需要确保其在碰撞动作发生后，座椅中的吸能件能够对瞬间产生的冲击能量进行有效吸收，并且在此过程中，吸能件只会出现稳定化、规则化、可控化的塑性变形。撞击期间，座椅应形成相对较小的最大撞击载荷与平均撞击载荷，以此才能够使汽车中的乘员受到最小的伤害。为使前排座椅在处于动态与静态工况下的轻量化设计都能够符合技术标准，可对原有的冲压件实施改造，调整为钢丝件焊接或者改为使用管件。当整个汽车座椅处于受力状态后，会形成三角形的力矩，受力最大的部位是调角器部位，因此优化结构时，可选择以管件结构为切入点。围绕后排座椅骨架展开轻量化设计时，需要考虑到由于安全固定点方面有着相对更高的设计要求，因此通常在设计过程中，都会将尺寸较大的钢板应用到座椅后部，优化结构时，可选择利用钢丝进行替代或者将大钢能降成本直接取消，以此达到减轻重量的设中国科技期刊数据库 工业 A-81-计目标。3.3 材料轻量化设计 全面考察多种汽车运行工况后，发现虽然对座椅骨架的结构进行优化可以使汽车座椅的质量有一定程度地减轻，然而取得的减重效果相对有限，可能无法满足多工况下的安全要求。轻量化材料是借助密度较低的材料来对骨架中使用得较多的密度较高的材料进行替代。引入轻量化材料后，座椅可以继续保持原本的刚强度，汽车行驶安全也不会受到影响，座椅的重量能够得到有效减轻。设计者可在运用轻量化材料的基础上优化工艺技术、骨架形态、骨架尺寸以及骨架结构。镁合金的质量比铝合金轻，其刚性更强，强度也更高，密度也远低于钢材料与铝材料，其原材料容易获得，相关的生产与加工技术也发展至较高的成熟程度，经济成本也比较低。利用镁合金冲压板件一体式结构可替代座椅骨架中由冲压板焊接的中间铰轴加强板、头枕支架、后主冲压板、前主冲压板等结构件，通过增设加强筋可强化骨架整体刚度，使连接件得到有效连接4。镁合金材质的汽车座椅骨架可满足轻量化设计中降低骨架整体质量的要求，可通过氩弧焊来连接镁合金构件，选取分段焊接工艺，控制焊接变形。考虑到钢铁材料与镁合金材料相互连接时会产生电位差，缩短座椅可用时间。因此，为了增强连接强度，应选择铝铆钉、铆接孔、胶连接等连接技术。镁合金骨架能够全面满足多工况下的座椅骨架设计的可靠性、连接强度、整体强度与刚度等方面的要求。碳纤维复合型材料的优点包括密度低、强度大、质量轻，抗拉强度也比较高，其复合了树脂、陶瓷、金属与碳纤维等材料，对于包括酸碱盐在内的多种化学物质都可保持一定的耐受性。该结构材料可作为金属材料的替代物被应用到座椅骨架中。对比该材料和高强度钢、铝合金、镁合金等金属材料，其减振效果更佳。将其用于座椅骨架中时，可被划分成侧板、下横梁与上横梁，侧板与下横梁可选取层压模压成型技术，上横梁则选择真空袋成型技术，铝合金与碳纤维制成的骨架采用一体化整体成型设计，以此能够缩减骨架焊接点以及所用零部件的数量，在达到强度要求与刚度要求的基础上，还有助于降低制造成本。采用碳纤维材料以及相关技术后，可对包括背板、头枕与骨架在内的功能件进行整合式设计，做好表面处理后，座椅能够形成较高的美观度，既可将碳纤维材料应用到外露件中，也可将其视作结构件，用于承担相应的荷载。高强钢多被用到汽车座椅的坐垫骨架与靠背位置，部分座椅厂商可以使坐壁板以及座椅靠背的厚度缩减至 1.0 毫米。但对其进行应用时，需要关注延伸率以及回弹等问题。3.4 工艺优化设计 基于动静态工况以及安全设计要求，部分材料轻量化与结构优化设计无法实现。设计者可在不对材料与结构作出过多调整的设计条件下，优化工艺技术，比如针对常规加工技术所对应的工艺参数展开优化，从而取得更优越的成型效果与整体性能，也可选取粉末冶金、低压铸造、激光焊接等创新型工艺，缩减座椅骨架各部件的原有质量。激光焊接主要是依托具有高强度特点的激光束对金属表面进行直接辐射，使被焊接部位产生集中能量的热源区，进而致使焊接对象进入熔化状态，从而产生牢固性较强的焊缝与焊点，具体包括连续激光焊接与脉冲激光焊接两种焊接技术。在针对汽车座椅骨架展开轻量化设计时，可通过激光焊接来达到设计目标。以往的汽车座椅骨架设计中，多采用铆接技术，特别是滑轨与支架之间的连接，通过选择八个铆钉的方式，基于满足铆接强度与空间的需求，滑轨上支架往往较为庞大。随着激光焊接技术被运用到座椅中，原本的铆接结构转变为激光焊接方式。滑轨上的支架随之缩小，借助激光焊接能够满足牢固焊接的需求，减重比例高于 50%，座椅若能因此而减重 700g 至 800g，对于整车的轻量化即可作出较大贡献。4 结论 基于碳中和与碳达峰的汽车行业发展目标，汽车设计者需要为汽车产品探寻轻量化设计思路与实现路径。在设计实践中，应充分关注动态工况与静态工况下汽车座椅需要满足的安全性条件，全方位地从结构；材料、工艺等方面来调整传统设计方法，做好灵敏度分析，选取合适的座椅骨架设计变量，合理优化结构，精准选取轻量化材料，正确调整工艺参数，以此来实现对汽车座椅的有效减重。中国科技期刊数据库 工业 A-82-参考文献 1葛存啸,黄键.汽车座椅骨架的 CAE 分析及轻量化设计J.机电技术,2020(2):103-106.2李明,杜徐徐.新能源汽车座椅轻量化设计的探讨J.工业设计,2020(1):153-154.3 符 大 兴,李 登 云,刘 华 官 等.汽 车 座 椅 安 全 带 固 定 点 强 度 分 析 及 骨 架 轻 量 化 设 计 J.时 代 汽车,2019(12):78-80.4苗京.碳纤维材料在汽车后座椅骨架上的应用探讨J.企业科技与发展,2018(7):74-75.5唐国强.汽车座椅骨架结构的拓扑优化分析J.时代汽车,2018(1):113-114.