面向新能源汽車的座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

王瓊

(蔚來汽車科技(安徽)有限公司，安徽 合肥 230071)

0 前言

隨著新能源汽車的出現(xiàn)，全新的汽車市場與應(yīng)用環(huán)境對汽車座椅發(fā)展有了全新的需求。汽車座椅是與車體直接聯(lián)系的主要部位，對于行車環(huán)境中的安全性、被動安全性都有著十分關(guān)鍵的作用。產(chǎn)品設(shè)計過程中，需要全面考慮座椅的安全性與舒適度，使其能夠更加全面地適應(yīng)人們的需要。

1 新能源汽車對座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計的新要求

1.1 結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計

新能源汽車搭載新的汽車發(fā)動機，沒有油箱、傳動軸、后驅(qū)動橋、適當(dāng)座椅等常規(guī)動力汽車設(shè)計的車體后列座位的設(shè)計，使后列座位在體積與構(gòu)造方面的設(shè)計方面有了擴展的余地。和常規(guī)動力汽車相比，新能源汽車車身設(shè)計的主要差異為添加了動力電池。動力電池的體積龐大且自重較大，在設(shè)計上無法得到充分的控制；另外，動力電池的高速充放電伴隨的反應(yīng)熱會造成電池組間很大的溫度變化，需要安裝冷卻系統(tǒng)。

目前，在售新能源汽車系統(tǒng)的布局方案也各有不同。純電動汽車一般將動力組件設(shè)置于車身底板上，如：特斯拉Model S的組件設(shè)計為平板式，設(shè)計于底板下部；后列坐墊采取了有坐墊骨架的構(gòu)造，占用了很多空間，為位置調(diào)整、按摩、通風(fēng)等性能創(chuàng)造了必要條件。

混合動力汽車的驅(qū)動電池格局更加多元化，如：別克VELITE5的電池組件呈T形布置在前后排座位下方的連接式前排座位扶手,由于具有較大寬度的中央凸起區(qū)，后部坐墊則自然舍棄了座椅中部的使用區(qū)域；混動型運動型多用途汽車(SUV)的WEY P8則直接將動力電池布置安裝在后備廂，但也由于動力電池受限于汽車前排換水閥門位置與油缸位置的垂直布置,所以該車后部的坐墊設(shè)計也直接采取了國內(nèi)常規(guī)動力汽車底盤中采用的無坐墊骨架設(shè)計。

就目前我國交易市場上在售的純電動汽車來看，應(yīng)用T形動力電池組布局的汽車并不少，如比亞迪秦、榮威RX 5等都應(yīng)用了無坐墊骨骼型的后排座位；而應(yīng)用平板形動力電池組布局的汽車，如蔚來ES 8、特斯拉Model S/X等則應(yīng)用了坐墊骨骼型的后排座位[1]。電動座椅的構(gòu)造形式設(shè)計應(yīng)當(dāng)服從于整車動力系統(tǒng)布局的要求。在純電動汽車中，有坐墊骨骼的后排座位適合于使用平板形電池組布局的車輛，無坐墊骨骼的后排座位則適合于使用T形及一些特殊外形電池組布局的車輛，而混動汽車中則普遍使用無坐墊骨骼的后排座位。

座椅的尺寸系數(shù)受清潔燃料、車輛特殊構(gòu)造，尤其是電池組設(shè)計的限制。新能源汽車動力電池的設(shè)計涉及整個車身的軸荷分布。純電動汽車通常將動力電池布置在前底板下、左右軸中間，在這樣的車身設(shè)計結(jié)構(gòu)形式下,汽車擁有良好的車身低重心穩(wěn)定性和較合理的前后軸荷分布。較好的車載動力電池系統(tǒng)設(shè)計是將所有動力電池都聚集放置到整個鋰離子電池組群內(nèi),將前后座電池組分為左右2個部分并設(shè)置安裝在坐墊的下面。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計上，鋰離子電池長度受汽車人機工程要求的影響，前后排座位位置、后排乘員頭部空間等,都需要通過人機校核確定：首先確定出后排乘員模型的位置,即確定前后排座位、座椅基準點在整車坐標體系內(nèi)的最大位置；再通過前后排座位坐墊厚度來確定坐墊與下座底板之間的垂直高度，從而確定空間高度。而許多混動汽車卻因為其繼承使用了常規(guī)動力汽車平臺,為進一步增加車后的電池艙空間,刻意舍棄了后排座位的坐墊骨架設(shè)計,并降低其后座坐墊厚度,以犧牲舒適度來換得較長續(xù)航的高功率輸出與超長續(xù)航。依據(jù)當(dāng)前市售的型號規(guī)格及個人使用體驗,后排座位坐墊骨架的實際最小厚度應(yīng)在85 mm以內(nèi)。但針對前排乘客座位來說，可以采取改變坐墊厚度、減少坐墊的控制部分、增加滑軌、改變安裝點排布等妥協(xié)方案。

1.2 熱環(huán)境設(shè)計要求

新能源汽車區(qū)別于常規(guī)動力汽車，其動力電池的最高工作溫度有一定區(qū)間，過高或過低的工作溫度都將影響動力電池效能。汽車內(nèi)熱環(huán)境不但與乘員的舒適度有關(guān)，還與汽車的發(fā)動機類型、功率有關(guān)。電池組的溫度控制設(shè)備和高功率的汽車空調(diào)都會對汽車內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生影響。汽車座椅受陽光輻照而升溫，汽車窗玻璃的表面透射率對汽車座椅表面升溫起重要作用。未來，新能源汽車將會越來越多地使用全景天窗，汽車座椅作為與電池組位置最近的零件之一，同時又是在太陽暴曬時車身內(nèi)部熱輻射比例最大的地方，因此其使用也需要考慮新能源汽車對散熱性能的特殊需求。

2 面向新能源汽車的座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 輕量化設(shè)計

汽車座椅的輕量化是車輛輕量化的主要部分，車輛材質(zhì)的降低能夠有效減少燃料的損耗和改善車輛的經(jīng)濟性。對新能源汽車而言，因為添加了動力電池等新的技術(shù)，輕量化設(shè)計變得更加重要。座椅輕量化的重點是降低座椅骨架的質(zhì)量，具體可以采用以下3種方案：① 采用輕量化復(fù)合材料；② 采用拓撲設(shè)計的方法對架子材料進行優(yōu)化設(shè)計；③ 引入新型材料制作技術(shù)，在設(shè)計實踐中采用多種方法互相融合的新技術(shù)[2]。

使用輕質(zhì)建筑材料是完成座椅骨架最輕質(zhì)量目標的主要實現(xiàn)路徑之一。在國內(nèi)，未來生產(chǎn)的中高檔汽車座椅都將逐步采用輕鋁合金、鎂合金材質(zhì)代替高強度鋼；而在目前碳纖維材質(zhì)制作的座椅工藝已越來越趨向完善成熟的市場背景下,碳纖維材質(zhì)座椅被作為第一選擇優(yōu)先考慮。

鋁合金材質(zhì)具有輕量化、導(dǎo)熱性能好、沖擊吸收能力強、易于回收等優(yōu)點。按照鋁合金材質(zhì)在我國汽車車輛制造業(yè)中的實際使用情況，以鋁合金材料取代鋼鐵時，每個零部件的整體質(zhì)量一般會減少30%～60%。盡管鋁合金材質(zhì)可以應(yīng)用在汽車發(fā)動機蓋、后備箱罩、翼子板、門窗、槳轂等重要結(jié)構(gòu)零部件上，但它在汽車座椅上的適用范圍較小，主要因為：① 生產(chǎn)成本高，鋁合金材料的市場銷售量是鋼鐵的2～3倍；② 焊接性能較差，鋁合金材料具有很大的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)焊縫受熱時熱影響范圍較廣，零部件體積不易控制，對所需技術(shù)條件要求較高；③ 成型工藝局限，淬火、形變和壓鑄的加工方式都存在缺陷。雖然鋁合金材料在汽車座椅骨架上的使用相對較少，但是它在航空、動車座位上的使用已經(jīng)較為成熟，可成為未來汽車座椅骨架輕量化的重要參考。

此外，用鎂合金AM 60所制作的座椅骨架質(zhì)量比鋁合金制作的座椅骨架輕33%左右，比鋼鐵材料制作的座椅骨架輕77%左右。鋁鎂材料在國內(nèi)的價格比國外低，其加工成本比鋁合金材料的加工成本低，其壓鑄模具的使用壽命是鋁合金材料壓鑄模具使用壽命的2～3倍。從20世紀80年代開始，有些科研單位進行了鋁鎂復(fù)合材料在汽車座椅骨架中的應(yīng)用研發(fā)，并有不少比較成功的例子。但鋁鎂材料在壓鑄過程中會產(chǎn)生疲勞強度降低等微觀問題；另外，鋁鎂材料與鋼鐵材料接觸時，容易出現(xiàn)材料銹蝕的現(xiàn)象。這些都是鋁鎂復(fù)合材料使用時必須克服的關(guān)鍵性困難。

拓撲改善是一種幾何設(shè)計方法，可以從給定的框架中得到最佳優(yōu)化的形式和框架分布。通過運用拓撲改善的方式，對給定限制條件下的骨骼模型，利用計算尋求材質(zhì)的最佳分配，從而獲得最佳的結(jié)構(gòu)形式，達到座椅輕量化的目的。研究表明，考慮擠出方式限制和應(yīng)力方向限制的座椅骨骼構(gòu)造優(yōu)化模型，以材質(zhì)密度為主要設(shè)計因素，在限定條件中增加了擠出路徑限制，使模型在限制的應(yīng)力和擠出路徑范圍內(nèi)可以實現(xiàn)材質(zhì)分配的尋優(yōu)，結(jié)果比改善前減重了50%。趙世佳等[3]以原結(jié)構(gòu)的靜態(tài)強度最大值為優(yōu)選目標，通過變密度法對后排座椅的骨架結(jié)構(gòu)實行了拓撲優(yōu)化，將原結(jié)構(gòu)與改善后的結(jié)構(gòu)比較，結(jié)果表明：改善后的骨架結(jié)構(gòu)在整體質(zhì)量降低1.92%的情況下，增加了約19%的靜態(tài)強度。

汽車座椅的構(gòu)造材料大多為復(fù)雜薄壁管/板結(jié)構(gòu)，在以鋁合金材質(zhì)代替鋼鐵材料結(jié)構(gòu)的新形勢下，低壓鑄造普遍用于汽車座椅用鋁合金材質(zhì)的鑄造。低壓鑄造具有以下優(yōu)點：

(1) 充型性能好。低壓鑄造的加壓效果增強了合金溶液的流動性，可以用于復(fù)雜薄壁鑄造。

(2) 穩(wěn)定可控。按照鑄造的各種構(gòu)造和鑄形的不同材質(zhì)，制定不同類型的加壓標準。低壓鑄造可控制并防止合金液體在型腔內(nèi)的撞擊、流淌現(xiàn)象，從而降低了氧化夾渣的產(chǎn)生，防止鑄造缺口，改善了鑄造品質(zhì)。低壓鑄造的及格率一般為95%左右。

(3) 補縮力好。鑄件在低壓情況下容易結(jié)晶和固化，補縮力高，結(jié)構(gòu)緊密，整體力學(xué)性能好。

(4) 金屬利用率較好。工藝生產(chǎn)利用率達到了80%～95%。低壓鑄造時可少開甚至不開冒口，澆注過程相對簡單，未凝結(jié)的金屬液可流回原地，降低了金屬材料的質(zhì)量損失。

(5) 適用性好。低壓鑄造法基本上能適用于所有鑄造合金材料，對合金材質(zhì)的適用性很強，有色合金材料、鑄鐵、鑄鋼等都可采用該方法。

(6) 成本較低。低壓鑄造更容易達到生產(chǎn)自動化、機械化程度，較傳統(tǒng)壓鑄投入更小。

2.2 舒適性設(shè)計

無論載體是常規(guī)動力汽車、新能源汽車還是航空高鐵，汽車座椅的舒適度一直是座椅開發(fā)的主要目標對象。在相關(guān)標準規(guī)范中，只注重于座椅靜質(zhì)量比及穩(wěn)定性，而在實際客戶的使用中，最關(guān)心的是座椅的空氣動力學(xué)功能和疲勞。調(diào)整功能才是實現(xiàn)座椅舒適度的關(guān)鍵特性，利用人力操縱和智能控制可以實現(xiàn)座椅在各個部分的自由移動，滿足不同乘客的使用需求。當(dāng)前的座椅產(chǎn)品，一般帶有四向或者六向的調(diào)整功能，而未來更加復(fù)雜的調(diào)整功能才是座椅開發(fā)的主要目標。東北大學(xué)教授張昕宇在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種全新的腰部支撐技術(shù)，針對不同的駕駛員和乘客，通過調(diào)整推板的連續(xù)進給方向，使人體腰部凸點的狀態(tài)得以相應(yīng)改變。

3 結(jié)語

在電動汽車開發(fā)逐漸步入新能源發(fā)展階段的大背景下，電動汽車座椅的產(chǎn)品設(shè)計需要適應(yīng)新的環(huán)境要求。在結(jié)構(gòu)上，座椅必須和動力電池相配合，但同時也要考慮動力電池和太陽暴曬所產(chǎn)生的熱影響；輕量化方面，由于汽車座椅是最主要車輛零件，對整車的節(jié)能有很大的作用；功能性方面，則必須從提高駕乘人員舒適度等方面不斷擴展。為了滿足上述要求，必須通過采用新型材料、改善工藝設(shè)計、改進人機工程學(xué)技術(shù)等來建立更安全可靠、更舒適、更經(jīng)濟的汽車座椅構(gòu)造。