新能源汽車座椅輕量化設(shè)計的探討

李明 杜徐徐

摘要：隨著世界各國對環(huán)保問題的重視，新能源汽車的發(fā)展勢頭越發(fā)強勁，各國車企紛紛加大對新能源汽車的研發(fā)投入，但因當前電池技術(shù)的局限性，只能通過降低整車重量的方法提升產(chǎn)品性能，汽車座椅作為重量級內(nèi)飾件，進行輕量化設(shè)計的必然選擇。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;座椅;輕量化設(shè)計

中圖分類號：U463文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）01-0151-02

隨著經(jīng)濟發(fā)展，汽車數(shù)量急劇增加，給人們生活帶來便利的同時也對資源、能源和環(huán)境帶來了不利影響，石油資源短缺，大氣污染，溫室效應(yīng)等因素迫使汽車技術(shù)向著節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，因此世界各國鼓勵新能源汽車的開發(fā)和使用。但新能源技術(shù)的發(fā)展并不是一帆風順，存在充電時間、續(xù)航里程短等問題都需要逐一解決，汽車輕量化雖不能從根本上解決這些問題但是能提高新能源汽車的性能。

座椅作為汽車重量級的內(nèi)飾件，新能源汽車座椅的設(shè)計工作也更加復(fù)雜?，F(xiàn)有的新能源汽車座椅設(shè)計仍沿襲傳統(tǒng)燃油動力汽車座椅的設(shè)計原則，沒有對新能源汽車的特點進行針對性設(shè)計和優(yōu)化。研究表明，新能源汽車座椅的質(zhì)量不到車輛總質(zhì)量的百分之二，但新能源汽車座椅的輕量化對新能源汽車的整體質(zhì)量有著重要的影響，從技術(shù)、材料兩方面對新能源汽車座椅進行輕量化設(shè)計，最大限度地減輕座椅質(zhì)量，保證座椅功能的安全性，同時必須考慮到美觀性、舒適性等因素。

1 新能源汽車座椅輕量化設(shè)計原則

在新能源汽車座椅輕量化設(shè)計方案中，首先需要明確的是輕量化本身并不是目的。而是需要我們在座椅輕量化所付出的成本和收獲的收益之間達成合適的比例，使采取的輕量化措施是有效的、值得的。在獲益的同時必須首先考慮風險，即要在安全、舒適的前提下，達成座椅輕量化的目標。

只有在確保座椅安全性的前提下，才能考慮實現(xiàn)輕量化。輕量化設(shè)計也遵循木桶理論，輕量化設(shè)計也存在應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)，這限制了座椅的使用要求，如剛度、強度、使用壽命等。基于理論前提，需要選擇合適的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸達到設(shè)計目標。

輕量化設(shè)計是一個循環(huán)的多層級過程，在不同的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸的配合方式中進行循環(huán)反復(fù)。汽車座椅關(guān)系著駕駛?cè)牒统丝偷纳踩?，座椅制造材料的選擇最重要的就是安全性，在保障座椅安全性的前提下，考慮座椅的重量問題，其次是材料的成本問題，汽車座椅的大規(guī)模生產(chǎn)勢必要用到大規(guī)模的材料，如果座椅材料輕量化效果好但成本過高，就不利于推廣生產(chǎn)使用，因此輕量化原則主要有：不妨礙安全、功能;質(zhì)量更輕，強度更高的材料;先進的結(jié)構(gòu);適當?shù)某叽?先進的制造工藝。

2 新能源汽車座椅輕量化設(shè)計技術(shù)分析

新能源汽車座椅部件有座椅骨架、座椅泡沫、座椅面套、塑料件和其它小零件。座椅骨架約占整椅質(zhì)量的65%，座椅泡沫約占整椅質(zhì)量的10%、座椅面套約占整椅質(zhì)量的10%，塑料件約占5%，而其它則約占10%[1]。從各個座椅部件在整椅質(zhì)量中的占比我們可以看出骨架在整椅中質(zhì)量占比最大。所以減輕座椅骨架質(zhì)量能有效實現(xiàn)座椅輕量化。新能源汽車普及的同時，人們對新能源汽車的各種研究也隨之展開，實現(xiàn)新能源汽車座椅骨架輕量化技術(shù)主要有以下四種：

1）拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是目前我們研究座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計最有發(fā)展前景的方向，在設(shè)計中，我們確定設(shè)計變量是骨架材料單元的密度，優(yōu)化設(shè)計的目標是使用的材料最少，約束條件是不低于法規(guī)要求的剛強度，最后根據(jù)得到的結(jié)果來適當調(diào)整以滿足實際工程的需要，使最后方案具有最高的設(shè)計自由度和最大的設(shè)計空間。

2）尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化是一種參數(shù)化技術(shù)，我們通過對座椅骨架結(jié)構(gòu)件的厚度、直徑等幾何尺寸和模量、強度值等材料參數(shù)進行優(yōu)化，減小零件的幾何尺寸和零件厚度，來達到輕量化目的的方法。

3）形態(tài)優(yōu)化。形態(tài)優(yōu)化是一種優(yōu)化零件形貌的概念設(shè)計技術(shù)，在薄壁結(jié)構(gòu)和鈑金件不增加重量的前提下，確定適當?shù)男筒膸缀涡螤?，壓延筋的形狀、?shù)量，達到加強剛度的效果。

4）工藝優(yōu)化。充分利用所有工藝，選擇最優(yōu)工藝，實現(xiàn)最少的材料使用和最少連接的功能集成，改進零件的成型和連接工藝，減少構(gòu)件數(shù)量。

3 新能源汽車座椅輕量化設(shè)計材料分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法能降低新能源汽車座椅的質(zhì)量，但減重效果有限并不能滿足要求，而新的材料應(yīng)用是用低密度材料代替高密度材料，借助輕量化材料在不改變汽車座椅剛強度，保證行駛安全的前提下，有效減輕汽車座椅重量。即在材料優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形態(tài)優(yōu)化和工藝優(yōu)化。

3.1 鎂合金

鎂合金強度高、剛性強，比鋁合金更輕，密度是鋁的2/3，鋼的2/9，是理想的新能源汽車工業(yè)輕質(zhì)材料[2]。隨著鎂合金在新能源汽車工業(yè)上的用量增加，鎂合金具有原材料廣泛，成本低，生產(chǎn)加工技術(shù)成熟的優(yōu)勢。鎂合金擠壓型材和沖壓板件剛性強、強度高，能有效減少零部件數(shù)量。當前座椅骨架中沖壓鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件如前主沖壓板、后主沖壓板、頭枕支架、中間鉸軸加強板、側(cè)邊鉸軸加強板可以被鎂合金擠壓型材和沖壓板件一體式結(jié)構(gòu)替代。在鎂合金板材上設(shè)置加強筋提高剛度并加強連接件之間的連接。與鋼骨架相比，鎂合金骨架不需要多次彎曲、沖壓、沖孔，工藝會更加的簡單，大大降低成本。

鎂合金座椅骨架能有效的減輕整椅質(zhì)量，鎂合金與鎂合金之間的連接采用氬弧焊，盡量分段焊接，減少焊接變形。但需要注意的是當鎂合金連接鋼鐵材料時，因為兩種材料間存在電位差，會產(chǎn)生腐蝕影響座椅使用壽命，所以采用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠連接、鉚接孔.鋁鉚釘?shù)冗B接方法能提高結(jié)構(gòu)連接強度規(guī)避電化腐蝕的影響。鎂合金骨架剛度、強度、連接方法、可靠性均能達到相關(guān)法規(guī)的要求，與鋼骨架相比能有效降低百分之五十的質(zhì)量，實現(xiàn)了新能源汽車座椅輕量化目標。

3.2 鋁合金

鋁合金密度低、強度較高、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性高，吸收沖擊能力強，密度是鋼的1/3，在汽車工業(yè)中已大量應(yīng)用[3]。鋁合金在汽車工業(yè)上應(yīng)用早，技術(shù)成熟，開發(fā)成本低。

鋁合金骨架主要結(jié)構(gòu)件有靠背、邊板、椅架?？勘呈瞧囎沃饕袎杭?，邊板連接靠背和椅架，椅架焊接在椅腳固定座上，是最大的承壓件。由低壓鑄造的鋁合金座椅靠背、沖壓鋁合金邊板、軋制鋁合金椅架組合而成的鋁合金骨架與鋼骨架相比能有效降低百分之四十重量。骨架中結(jié)構(gòu)件多采用焊接和螺栓連接，需要注意的是鋁合金骨架滿足相關(guān)法規(guī)的鋼度強度要求，但從整體上看鋁合金骨架上應(yīng)力分布不均勻，多集中于各部件連接處，所以螺栓連接更安全可靠。使用鋁合金座椅骨架不僅能減輕新能源汽車整椅的重量，使新能源汽車整體重量下降，減少油耗，還有著良好的減震性，可以提高駕駛員和乘客的乘坐舒適性。鑄造整體式鋁合金零部件能有效減少零部件數(shù)量，大大減少了零件焊點數(shù)量，減少焊接和裝配工序。采用低壓鑄造成型工藝的零部件還可進行熱處理，進一步提高強度，而且低壓成型鑄件結(jié)構(gòu)緊密，性能更好，更有利于生產(chǎn)薄壁鑄件。鋁合金是良好的輕量化材料，但也存在局部拉伸性不好，容易產(chǎn)生裂紋，易形變，表面易碰傷等問題。

3.3 高強度鋼

相比鎂、鋁合金，高強度鋼在碰撞性能上有著明顯優(yōu)勢。高強度材料一般分為低強度鋼、高強度鋼、超高強度鋼。屈服強度低于210Mpa的鋼為低強度鋼，屈服強度在210Mpa～550Mpa的鋼為高強度鋼，屈服強度大于550Mpa的鋼為超高強度鋼[4]。在汽車制造領(lǐng)域鋼材料應(yīng)用廣泛，超高強度鋼制作的座椅骨架與鋼骨架相比能有效降低25%重量，而且成本低，很適合作為一種新能源汽車座椅骨架的輕量化材料。

采用高強度鋼、超高強度鋼制作的汽車骨架抗變形能力強，吸收沖擊能力強，彈性應(yīng)變區(qū)域大，所以高強度鋼在汽車座椅骨架輕量化應(yīng)用主要通過減薄零件厚度來實現(xiàn)。但由于高強度鋼的延展性低，易產(chǎn)生加工硬化等一系列問題，限制了高強度鋼在新能源汽車骨架輕量化方面的應(yīng)用。同時，高強度鋼在汽車座椅減重、安全性方面有顯著優(yōu)勢，但高強度鋼可焊性較差，隨著強度增加還會出現(xiàn)沖壓性變差，回彈量變大等問題。

3.4 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是碳纖維和金屬、陶瓷、樹脂等復(fù)合形成的結(jié)構(gòu)材料。碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強度大，密度是鋼的1/4，抗拉強度卻在3500Mpa以上l51，對酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)有很好的耐受能力，很適合替代金屬材料來制作座椅骨架。相比鎂、鋁合金，高強度鋼等金屬材料，碳纖維復(fù)合材料在減振性能有著明顯優(yōu)勢，根據(jù)纖維材料，含量的不同，其性能具有較寬的變化范圍。同時，碳纖維復(fù)合材料具有高抗變形性、耐腐蝕性、高疲勞的優(yōu)點。

碳纖維復(fù)合材料不僅能滿足新能源汽車座椅的剛強度需求，還能減輕座椅質(zhì)量。只要降低生產(chǎn)成本和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，碳纖維就能得到廣泛應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料座椅骨架主要分為上橫梁、下橫梁和側(cè)板三部分，上橫梁采用真空袋成型，下橫梁和側(cè)板采用層壓模壓成型，碳纖維和鋁合金復(fù)合所制骨架是一體化成型，通過結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計，設(shè)計思路貫穿產(chǎn)品整個成型過程，大幅減少骨架零部件數(shù)量和焊接點，不僅滿足相關(guān)法規(guī)的剛度與強度要求，而且還能減少連接件數(shù)量和制造成本。

在實現(xiàn)材料的輕量化的前提下，運用計算機進行優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化尺寸等設(shè)計，如拓撲優(yōu)化、有限元分析，通過改變零件的尺寸和結(jié)構(gòu)，在滿足新能源汽車座椅安全性、舒適性等要求的前提下，達到新能源汽車座椅輕量化目的。

4 結(jié)論

綜上所述，結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重效果有限，采用輕量化材料成為實現(xiàn)新能源汽車座椅輕量化的首選途徑，簡而言之，就是用性能參數(shù)更高的，更輕的材料代替體積質(zhì)量比較大的部位材料。因此，采用單一的材料會存在局限性，輕量化效果不明顯，不能有效的加強新能源汽車的性能。就輕量化效果而言，碳纖維、鎂合金更具優(yōu)勢，但較高的原材料成本和新材料的加工工藝會才成為新能源汽車座椅輕量化的主要障礙。

參考文獻

[1]張光亞，龔云云，程明.某微車座椅骨架的輕量化拓撲構(gòu)型設(shè)計[J].汽車工程學(xué)報，2018，8 （06）：36-43.

[2]高云凱，林典，余海燕，等.鎂合金在座椅骨架輕量化設(shè)計中的應(yīng)用[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然 科學(xué)版），2009，37 （07）.

[3]馬鳴圖，游江海，路洪洲汽車輕量化以及鋁合金汽車板的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2009 （09）：34-37.

[4]戰(zhàn)磊，孫軍，何金光，等.汽車座椅骨架輕量化的研究概況[J].汽車零部件，2015 （11）：68-73.

[5]佳工.基于碳纖維的低成本座椅制造工藝開發(fā)成功[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015 （1）：23-23.