新能源汽車座椅輕量化設(shè)計(jì)研究

林 麗

華晨寶馬汽車有限公司 遼寧 沈陽110000

1 新能源汽車座椅輕量化設(shè)計(jì)原則

在新能源汽車座椅輕量化設(shè)計(jì)方案中,首先需要明確的是輕量化本身并不是目的。而是需要在座椅輕量化所付出的成本和收獲的收益之間達(dá)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(shí)必須首先考慮風(fēng)險(xiǎn),即要在安全、舒適的前提下,達(dá)成座椅輕量化的目標(biāo)。

2 新能源汽車座椅輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)分析

實(shí)現(xiàn)新能源汽車座椅骨架輕量化技術(shù)主要有以下四種:第一,尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化是一種參數(shù)化技術(shù),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(qiáng)度值等材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,減小零件的幾何尺寸和零件厚度,來達(dá)到輕量化目的的方法。第二,拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是目前研究座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最有發(fā)展前景的方向,在設(shè)計(jì)中,確定設(shè)計(jì)變量是骨架材料單元的密度,優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使用的材料最少,約束條件是不低于法規(guī)要求的剛強(qiáng)度,最后根據(jù)得到的結(jié)果來適當(dāng)調(diào)整以滿足實(shí)際工程的需要,使最后方案具有最高的設(shè)計(jì)自由度和最大的設(shè)計(jì)空間。第三,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(jì)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(dāng)?shù)男筒膸缀涡螤?壓延筋的形狀、數(shù)量,達(dá)到加強(qiáng)剛度的效果。第四,工藝優(yōu)化。充分利用所有工藝,選擇最優(yōu)工藝,實(shí)現(xiàn)最少的材料使用和最少連接的功能集成,改進(jìn)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(jì)材料分析

3.1 鋁合金 鋁合金密度低、質(zhì)量輕、強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱性高,吸收沖擊能力強(qiáng),密度是鋼的1/3,在汽車工業(yè)中已大量應(yīng)用。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。與鋼骨架相比,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,能夠有效降低整體重量。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(qiáng)度要求,但是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(diǎn)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(jìn)行熱處理,進(jìn)一步提高強(qiáng)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。

3.2 鎂合金 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(qiáng)、強(qiáng)度高,能有效減少零部件數(shù)量。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、中間鉸軸加強(qiáng)板、頭枕支架、側(cè)邊鉸軸加強(qiáng)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(qiáng)筋提高剛度并加強(qiáng)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(dāng)鎂合金連接鋼鐵材料時(shí),因?yàn)閮煞N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(qiáng)度規(guī)避電化腐蝕的影響。相比與鋼骨架,能有效降低百分之五十的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了新能源汽車座椅輕量化目標(biāo)。

3.3 碳纖維復(fù)合材料 碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕,強(qiáng)度大,密度是鋼的1/4,抗拉強(qiáng)度卻在3500 Mpa以上,很適合替代金屬材料來制作座椅骨架。相比與鎂、鋁合金,碳纖維復(fù)合材料在減振性能方面有著明顯的優(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。與此同時(shí),碳纖維復(fù)合材料具有高抗變形性、耐腐蝕性以及高疲勞的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料不僅能滿足新能源汽車座椅的剛強(qiáng)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(jì),設(shè)計(jì)思路貫穿產(chǎn)品整個(gè)成型過程,大幅減少骨架零部件數(shù)量和焊接點(diǎn),不僅滿足相關(guān)法規(guī)的剛度與強(qiáng)度要求,而且還能減少連接件數(shù)量和制造成本。在實(shí)現(xiàn)材料的輕量化的前提下,運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化尺寸等設(shè)計(jì),達(dá)到新能源汽車座椅輕量化目的。

3.4 高強(qiáng)度鋼 高強(qiáng)度材料一般分為低強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼。屈服強(qiáng)度低于210 Mpa的鋼為低強(qiáng)度鋼,屈服強(qiáng)度在210 Mpa～550 Mpa的鋼為高強(qiáng)度鋼,屈服強(qiáng)度大于550 Mpa的鋼為超高強(qiáng)度鋼。在汽車制造領(lǐng)域鋼材料應(yīng)用廣泛,超高強(qiáng)度鋼制作的座椅骨架與鋼骨架相比能有效降低25%重量,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(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼制作的汽車骨架抗變形能力強(qiáng),吸收沖擊能力強(qiáng),彈性應(yīng)變區(qū)域大,所以高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重效果有限,采用輕量化材料成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車座椅輕量化的首選途徑,簡言之,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。設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作的過程中,要重視這一問題度,利用新的材料來更替原有重量較大和密度較高的材料,并且對所占重量較多的座椅部位進(jìn)行輕量化的優(yōu)化和調(diào)整,從而使得新能源汽車能夠在當(dāng)前時(shí)代下得到廣泛的推廣。