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

段琪桐

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心 安徽省合肥市 230000

摘要：在我国快速发展过程中，新能源汽车发展十分迅速，随着世界各国对环保问题的重视，新能源汽车的发展势头越发强劲，各国车企纷纷加大对新能源汽车的研发投入，但因当前电池技术的局限性，只能通过降低整车重量的方法提升产品性能，汽车座椅作为重量级内饰件，进行轻量化设计的必然选择。

关键词：新能源汽车；座椅；轻量化设计

引言

随着汽车技术的飞速发展和人们对汽车各方面性能要求的提高，全球各大汽车公司及汽车零部件企业也在加大座椅设计及研发力度，开展座椅的新结构、新工艺、新材料的研究开发及应用，尤其在汽车座椅的安全性、轻量化方面进行着持续不断的研究。汽车座椅的设计涉及到人机工程学、结构力学、、材料学、机械振动、控制工程等众多方面，既要使汽车座椅舒适安全，又要在发生事故时，座椅可以起到保护乘员避免或减少伤亡的作用，因此，给汽车座椅的设计与改进带来了复杂性。

1汽车座椅的结构

汽车座椅一般由头枕、靠背、调节装置、坐垫和座椅连接件组成．其中座椅头枕不仅能保证乘坐的舒适性，还能在汽车发生碰撞时给乘员的颈部提供一个支撑，避免受到伤害．汽车座椅骨架是汽车座椅的基本构件，主要分为靠背骨架和坐垫骨架两部分．座椅骨架常用轧制型材（钢管、角钢）或钢板冲压焊接而成，并通过螺钉或座椅调节机构安装在车身上．座椅调节装置、靠背倾斜角度调节装置、限位装置等是与汽车座椅相关的机械装置．其中，座椅调节装置是安装在座椅的坐垫骨架和地板之间，能调节座椅前后和上下位置的装置．靠背倾斜角度调节装置是安装在座椅的坐垫骨架和靠背骨架之间，用来调节座椅靠背角度的装置．根据某款车型的座椅，运用Ｃａｔｉａ软件建立汽车座椅骨架的ＣＡＤ模型，如图１（ｂ）所示．对座椅冲压构件采用曲面方式表现，而其他部件采用三维实体表现．

2新能源汽车座椅轻量化设计

2.1仪表盘

仪表盘除了装饰作用，还为仪表、收音机、各种开关控制提供安装位置和安全装置。目前，我国的仪表盘可分为硬质和软质两大类。硬质仪表盘常用在轻、小型货车、大货车和客车上。一般是将原材料一次性注塑成加工所用的形状，成型时间快，但在成型过程中容易产生裂痕，且注塑成型的仪表盘需要进行表面涂装后才能使用。这种仪表盘表面有花纹、尺寸大、无蒙皮，对表面质量要求很高，对材料的要求耐热、耐湿且刚性好不易变形，常用的材料有PP、PC、ABS和ABS/PC。软质仪表盘由表皮、骨架材料、缓冲材料等三部分构成，其加工工艺为在仪表盘和真皮之间填充一些软质材料，然后再用金属或塑料骨架固定，常用于中高档小车如奥迪、宝马等。

2.2座椅骨架有限元分析

采用CATIAV5建立座椅骨架几何模型，并直接导入到HyperWorks软件的Hypermesh中进行前处理。针对座椅的结构特点及经验，在座椅静强度仿真分析时把座椅简化为空间梁单元和壳单元组合而成的有限元模型。对于螺栓连接，由于重点不是考虑螺栓连接强度，所以在梁单元与孔节点处进行刚性连接，焊接处用刚性单元将被连接件与连接件处于焊缝区域的结点对应相连。在座椅骨架一些调节部件中常用销钉连接，如座椅高度调节器，座椅靠背调角器、座椅四脚与滑轨连接，销轴相对转动，销和销孔之间有一定的间隙。但在国家标准和厂家标准中，进行座椅强度实验时，调角器等调节装置要处于并保持极限调节位置，对销接可采用与螺钉连接一样的模拟方法。

2.3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。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。

2.4方向盘

方向盘是汽车最基本的配件之一，是驾驶员操纵方向机构、控制汽车方向的工具，其材料和结构的设计主要会影响驾驶员的驾驶感受。方向盘结构要求坚固、轻便、外韧内软，并能耐热、耐寒、耐光、耐磨。目前，现有车型的方向盘多采用硬质或半硬质塑料结构，在真皮和硬壳之间填充高压或是低压发泡，以保证其安全性。与仪表板相比，方向盘要承受一定的载荷，因此要求其结构稳定，在受力之后不会发生任何变形。基于安全性的考虑，方向盘应该具有抵抗冲击载荷和承受扭转力矩的能力。方向盘的包裹物多用改性PP、PVC、UP和ABS等树脂。目前，从轻量化考虑，多以玻璃纤维增强PA代替金属骨架，在减少方向盘整体质量的同时也降低了方向盘制造、使用和维修的成本。为了满足对豪华、品质和美观的追求，中高档汽车会在在方向盘表面覆盖真皮或者桃木花纹等。

2.5轻量化材料

汽车轻量化是在不改变汽车刚度与强度的前提下，采用轻量化材料，或借助结构轻量化设计减轻整车的质量，材料技术是轻量化结构设计的重要内容，借助轻量化材料能够同时改善汽车质量与行驶安全性。现阶段，汽车轻量化材料主要爆包括；（1）铝合金。铝作为轻质材料之一，被广泛地应用于各行各业中，由铝加工而成的铝合金具有耐腐蚀性强、热导率高等优点，利用先进技术加工后可以应用于汽车轻量化设计中。与此同时，铝合金能够更好地抵抗外部的冲击，可以使汽车碰撞安全性得到提升。（2）高强度钢。高强度钢与一般的钢材相比，质量更轻，能够显著降低整车质量。普通高强度主要有烘烤硬化钢、含磷钢等；先进高强度钢主要有贝氏体钢、复相钢、孪生诱发塑性钢等。高强度钢综合性能好，是汽车轻量化结构设计的首选材料。尽管高强度的强度较强，但这也意味着这类钢材的成形性能相对较差、回弹大。（3）镁合金。镁合金在现实生活中得到了广泛地应用，其比刚度、比强度较高，具有显著的优势。除此之外，镁合金较易回收、散热性好，这也是其被用应用于汽车轻量化设计的重要原因之一。现阶段，铸造镁合金是汽车轻量化设计的主要材料，其被应用于座椅骨架、变速器壳体等部件的设计中。

结语

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，程一明．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．