汽車座椅骨架輕量化的研究概況

戰(zhàn)磊，孫軍，何金光，李威，孫繼國

(長春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心，吉林長春 130033)

汽車座椅骨架輕量化的研究概況

戰(zhàn)磊，孫軍，何金光，李威，孫繼國

(長春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心，吉林長春 130033)

簡要介紹了目前汽車座椅骨架輕量化技術(shù)的研究概況, 從結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化兩方面對汽車座椅骨架輕量化的實現(xiàn)途徑進(jìn)行了闡述。對于汽車座椅骨架，在眾多輕量化途徑中，材料輕量化的效果優(yōu)于結(jié)構(gòu)輕量化。鎂合金和碳纖維復(fù)合材料在輕量化材料中比傳統(tǒng)鋼鐵材料更具有優(yōu)勢，是未來汽車座椅骨架輕量化發(fā)展的重點。根據(jù)目前汽車座椅骨架制造工藝和成本的需求，采用高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼進(jìn)行輕量化設(shè)計仍然具有現(xiàn)實意義。

汽車座椅；輕量化；研究概況

0　引言

近年來，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，全球汽車保有量急劇增長，由此產(chǎn)生的能源和環(huán)境污染問題凸顯。為了應(yīng)對這些問題，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(ECE)和歐盟于1992年正式頒布了汽車排放指令。隨后，我國也制定了《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》標(biāo)準(zhǔn)(GB27999-2011)。這些法令的頒布，極大地限制了汽車制造商的發(fā)展。有研究表明：一輛轎車的質(zhì)量若能減少10%，則其燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3%～4%，同時汽車的排放量也會相應(yīng)降低[1-3]。因而，汽車輕量化成為廣大汽車制造商能夠滿足相關(guān)排放法規(guī)的主要手段之一。對于汽車輕量化，其范圍大體上可分為4類：車身、底盤、發(fā)動機(jī)和內(nèi)外飾件。由于汽車內(nèi)外飾件相對較好的受力條件及工況，其輕量化實現(xiàn)起來相對容易，受到了廣大汽車制造商的關(guān)注[4-5]。作為汽車內(nèi)外飾件中最大的零部件之一的汽車座椅，在滿足舒適性、安全性和美觀性的條件下，如何制作得更加輕盈自然而然地成了廣大汽車制造商所追求的目標(biāo)。

汽車座椅主要由骨架、泡沫、面料、塑料件和其他功能件組成。對于整椅質(zhì)量來說，骨架占60%～70%，泡沫占9%～12%、面料占7%～12%，塑料件占5%，而其他輔助的功能件則占到9%。很顯然，座椅骨架在整椅中質(zhì)量占比最大，因此，減輕座椅骨架的質(zhì)量，可以有效地實現(xiàn)整椅輕量化。自20世紀(jì)90年代以來，陸續(xù)有一些學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開始了汽車座椅骨架輕量化的研究[6-8]。然而，由于國內(nèi)汽車座椅的研發(fā)起步較晚，許多研究僅限于對座椅骨架一些過設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，并未對整椅骨架輕量化進(jìn)行深入的研究。因此，汽車座椅骨架輕量化的研究有著重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

文中通過對比目前國內(nèi)外汽車座椅骨架輕量化的研究概況，對輕量化技術(shù)及材料進(jìn)行了分析，為發(fā)展汽車座椅骨架輕量化材料及其工藝技術(shù)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

1　汽車座椅輕量化評價方法

對于汽車車身，各個研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)有了一些輕量化評價方法。較為流行的是寶馬汽車公司提出的輕量化系數(shù)表證方法[9]。該方法通過考慮汽車車身質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度和投影面積，計算出一個數(shù)值，即為輕量化系數(shù)L，其具體表示如下：

(1)

其中：m為車身質(zhì)量，kg；

Ct為車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/(°);

A為車身四輪間的正投影面積，m2。

輕量化系數(shù)L值越小，代表著其輕量化效果越明顯。

目前，有關(guān)汽車座椅輕量化評價方面的報道較少，國內(nèi)外汽車座椅制造商也還未形成一套較為成熟的評價方法。根據(jù)車身輕量化系數(shù)的計算公式，可以類推，座椅的質(zhì)量、剛度和正投影面積是影響其輕量化效果的主要因素。除此之外，考慮到汽車座椅在主動安全、被動安全方面的特性，其E(C)-NCAP分值、振動傳遞特性等因素也應(yīng)被考慮到輕量化評價內(nèi)容里。

2　輕量化技術(shù)

目前，對汽車座椅骨架進(jìn)行輕量化的技術(shù)有2類：(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計；(2)換用輕質(zhì)材料或增加輕質(zhì)材料的使用比重。汽車座椅骨架輕量化設(shè)計，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要有尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化2類，而材料輕量化技術(shù)則包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料及其復(fù)合材料這幾大類材料在汽車座椅上的應(yīng)用。

2.1結(jié)構(gòu)輕量化

2.1.1尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是對座椅骨架上相關(guān)零部件的外形尺寸、材料壁厚等進(jìn)行優(yōu)化，采用相對小尺寸、薄壁厚的零件方案，以達(dá)到減重目的的方法。吉林大學(xué)黃炫等人[10]利用有限元分析，對某汽車后排座椅骨架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，優(yōu)化后的座椅骨架能夠減質(zhì)量13.1%，且能夠滿足GB15083-2006規(guī)定的《行李位移乘客防護(hù)裝置的試驗方法》相關(guān)要求。上海工程技術(shù)大學(xué)王吉昌等[8]對某車型主司機(jī)座椅進(jìn)行了尺寸優(yōu)化輕量化設(shè)計，結(jié)果表明：輕量化設(shè)計的座椅質(zhì)量減少11.2%，并且座椅輕量化后的強(qiáng)度完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB15083-2006的要求。上海理工大學(xué)陳道炯等[11]結(jié)合FEA分析，將汽車座椅靠背骨架上橫梁由沖壓件結(jié)構(gòu)改為鋼管結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了座椅焊縫，最終使靠背骨架質(zhì)量減少0.268 kg，約占靠背質(zhì)量的14.46%。結(jié)果表明：減重后的座椅靠背能夠滿足GB15083-2006的要求。座椅靠背骨架尺寸優(yōu)化實例見圖1。

2.1.2拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化起源于1904年Michell 提出的桁架理論，以材料分布為優(yōu)化對象，通過拓?fù)鋬?yōu)化，可以在均勻分布材料的設(shè)計空間中找到最佳的分布方案。拓?fù)鋬?yōu)化相對于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，具有更多的設(shè)計自由度，能夠獲得更大的設(shè)計空間，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化最具發(fā)展前景的一個方面[12]。

美國江森自控公司運用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，開發(fā)出了輕量化的靠背骨架[13](見圖2)，并成功將該骨架應(yīng)用在大眾公司某一轎車車型上。與傳統(tǒng)的座椅骨架相比較，該輕量化骨架能實現(xiàn)減質(zhì)量約10%。

Alexander Saveski等[14]，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，將座椅滑軌與坐墊骨架統(tǒng)一在一個零件上(見圖3)。研究表明：這種輕量化結(jié)構(gòu)，不但能夠使座椅骨架減質(zhì)量12%，而且由于其集成式的設(shè)計，能夠使座椅的制造成本降低約7%左右。

中北大學(xué)盧建志等[6]通過拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對某汽車座椅進(jìn)行了輕量化設(shè)計，研究結(jié)果表明：輕量化設(shè)計后，座椅骨架減質(zhì)量15%。吉林大學(xué)姚為民等[15]采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對某汽車座椅進(jìn)行了輕量化設(shè)計，輕量化后，座椅骨架能夠減質(zhì)量10.4%。

從以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果可以看出：通過改變零件的尺寸或者零件的結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到汽車座椅輕量化設(shè)計的目的。但是，由于需要滿足國家和行業(yè)對汽車座椅安全性、舒適性等方面的要求[16-18]，無論是尺寸優(yōu)化方法還是拓?fù)鋬?yōu)化方法，最終能夠使汽車座椅的質(zhì)量減少10%～15%，減重效果相對有限。

2.2材料輕量化

在汽車技術(shù)高速發(fā)展的今天，一方面，終端客戶對座椅舒適性、功能性等方面的需求逐漸提高，另一方面，由于國家和汽車行業(yè)對汽車排放要求的逐漸提高，汽車座椅減質(zhì)量需求也與日俱增。因此，僅僅通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化一種手段實現(xiàn)對汽車座椅骨架質(zhì)量的減少已逐漸不能滿足當(dāng)前需求，于是，新材料的應(yīng)用逐漸成為了汽車座椅輕量化的主要手段之一。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車座椅輕量化的工程材料主要包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和碳纖維復(fù)合材料等。

2.2.1高強(qiáng)度鋼

按照美國鋼鐵協(xié)會AISI發(fā)起的汽車車身超輕鋼項目(Ultra Light Steel Body Auto，ULSBA)的定義:屈服強(qiáng)度210～550 MPa、抗拉強(qiáng)度270～700 MPa的鋼為高強(qiáng)度鋼(High-Strength Steels，HSS);屈服強(qiáng)度大于550 MPa、抗拉強(qiáng)度大于700 MPa的鋼則為超高強(qiáng)度鋼(Ultra-High-Strength Steels，UHSS)(見圖4)[19]。也有一些學(xué)者僅從抗拉強(qiáng)度的角度定義高強(qiáng)度鋼，認(rèn)為抗拉強(qiáng)度大于1 200 MPa的為高強(qiáng)度鋼，大于1 500 MPa的為超高強(qiáng)度鋼。根據(jù)強(qiáng)化機(jī)制的不同，又把高強(qiáng)度鋼板分為普通高強(qiáng)度鋼板和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板。其中，普通高強(qiáng)度鋼板主要包括高強(qiáng)度IF(無間隙原子)鋼、烘烤硬化鋼、含磷鋼、各向同性鋼、碳-錳鋼和高強(qiáng)度低合金鋼；先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板主要包括雙相鋼、復(fù)相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼、貝氏體鋼和馬氏體鋼等。JFE Steel公司自1990年開始，致力于汽車零部件用高強(qiáng)度鋼的開發(fā)，相繼開發(fā)出了TS780 MPa、TS980 MPa和TS1470 MPa級高強(qiáng)度鋼。瑞典SSAB鋼鐵公司近年來也陸續(xù)開發(fā)出了抗拉強(qiáng)度為1 200、1 400和1 700 MPa的馬氏體超高強(qiáng)度鋼。

2009年5月，豐田汽車與愛信精機(jī)合作，率先將抗拉強(qiáng)度為980 MPa的超高強(qiáng)鋼板應(yīng)用在座椅骨架和滑軌上，制造出了型號為TB-NF110的輕量化座椅骨架(見圖5)。此座椅隨后被成功運用在了豐田的新款“普銳斯”車上。其中，該輕量化座椅滑軌比原設(shè)計質(zhì)量減輕22%，而制造成本則降低了約15%。

圖5豐田TB-NF110型輕量化座椅骨架

江森自控2011年將抗拉強(qiáng)度780 MPa的雙相鋼應(yīng)用于其新一代前排座椅骨架平臺上。對比原設(shè)計，此平臺座椅骨架實現(xiàn)了減質(zhì)量26%。

采用高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼制作汽車座椅骨架可以有效地減輕整椅質(zhì)量。然而，由于高強(qiáng)度鋼往往伴隨著延展性低、冷成型能力差和易產(chǎn)生加工硬化等一系列問題，使得它在汽車座椅上的應(yīng)用受限。另一方面，對于汽車座椅用高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼，原材料大部分依賴于從SSAB和POSCO等國外鋼鐵公司進(jìn)口，我國僅有寶鋼目前已經(jīng)具備了780、980 MPa兩種強(qiáng)度的超高強(qiáng)度鋼批量生產(chǎn)技術(shù)，其他相關(guān)鋼材廠商還處于研發(fā)階段，未形成大批量的生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，抗拉強(qiáng)度大于780 MPa的鋼材相對成本都較高，削弱了其在應(yīng)用過程中的優(yōu)勢。

2.2.2鋁合金

鋁合金作為工程材料，具有密度小、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能高、吸收沖擊能力強(qiáng)、易于回收再生等特點。通常，鋁合金的密度是鋼鐵的1/3，吸收沖擊的能力大約是鋼的2倍，導(dǎo)熱性能大約比鐵高3倍[20]。由于以上優(yōu)點，作為汽車輕量化材料之一，鋁合金較早在汽車車身以及零部件上得到了應(yīng)用，其相關(guān)技術(shù)也比較成熟。根據(jù)目前鋁合金在我國汽車行業(yè)的應(yīng)用統(tǒng)計，一個零件的材質(zhì)由鋼鐵替換為鋁合金時，其質(zhì)量通常能夠減少30%～60%[21]。

盡管鋁合金在汽車發(fā)動機(jī)罩、行李箱罩、車門、翼子板、保險杠、輪轂和其他汽車結(jié)構(gòu)零件上廣泛使用，但其在汽車座椅上的應(yīng)用相對較少，目前僅在扶手內(nèi)骨架、DVD支架和滑軌等一些零件上得到了使用。汽車座椅骨架未大規(guī)模采用鋁合金材料存在以下幾種原因：(1)原材料成本高。鋁合金的市場售價一般為稅前17～20 元/kg左右。與鋼材的市場售價(4～9 元/kg)相比，其價格高出了2～3倍；(2)焊接性能差。由于鋁合金具有較高的熱膨脹系數(shù)，在焊接受熱時，熱影響區(qū)域?qū)?，這會導(dǎo)致鋁合金發(fā)生較大的變形，零件尺寸不易被控制。采用點焊工藝進(jìn)行鋁合金零件設(shè)計時，其焊接所需壓力高于鋼板2～3倍，所需要的設(shè)備能力較強(qiáng)。另一方面，由于鋁合金表面氧化膜的存在，對點焊銅電極的損壞較大，設(shè)備維護(hù)費用高；(3)鋁合金成型工藝限制。根據(jù)成型工藝，目前有3種鋁合金被應(yīng)用于汽車上：鑄造鋁合金、形變鋁合金和鍛造鋁合金。對于汽車座椅，目前所采用的鋼鐵材料厚度通常在0.8～3.0 mm之間，強(qiáng)度多為300～780 MPa，如果想達(dá)到減重的目的，采用鑄造鋁合金代替時，要求鑄件壁厚應(yīng)該盡可能地小(1.5～3 mm)。但是受熔融態(tài)鋁合金流動性的限制，鋁合金零件壁厚通常要求大于3.0 mm，因此，采用鋁合金設(shè)計的座椅骨架減重效果并不明顯。如果采用形變鋁合金制造座椅骨架，由于鋁合金變形能力的限制，零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計受限，此外尺寸又不易控制。鍛造鋁合金在強(qiáng)度和韌性方面均優(yōu)于鑄造和形變鋁合金，但其價格較高，限制了其在中低端車型上的使用。

盡管鋁合金在汽車座椅骨架上的應(yīng)用比較少，但其在飛機(jī)座椅骨架、高速列車座椅骨架上的應(yīng)用相對成熟，可以作為未來汽車座椅骨架輕量化設(shè)計的參考。

2.2.3鎂合金

鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用材料中最輕的一種金屬材料，其密度僅為鋼鐵材料的2/9、鋁合金材料的2/3。此外，它具有比強(qiáng)度和比剛度高、良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、吸振性和易于加工成型等特點[22]。在汽車上使用鎂合金至少已有60年的歷史。這些鎂合金汽車零部件絕大多數(shù)都采用壓鑄工藝制造。這是由于鎂合金壓鑄件在所有壓鑄合金中是最輕的而且使用期限要比鋁合金長。我國生產(chǎn)鎂合金鑄件的主要企業(yè)有一汽鑄造有限公司、重慶博奧鎂業(yè)有限公司、成都發(fā)動機(jī)集團(tuán)、和華禹光谷集團(tuán)、青島金谷鎂業(yè)有限公司、威海萬豐鎂業(yè)有限公司、宜春風(fēng)動有限公司等。

自20世紀(jì)80年代以來，一些研究機(jī)構(gòu)已開始了鎂合金在汽車座椅骨架上應(yīng)用的研究。

梅賽德斯-奔馳公司在SEL 型敞篷車上率先使用了鎂合金座椅框架，隨后，福特汽車公司用鎂合金生產(chǎn)座椅骨架取代鋼制骨架，使座椅質(zhì)量從4.0 kg減為1.0 kg。2000 年日本豐田公司以及Celsius相繼開始采用鎂合金座椅骨架，結(jié)果表明：采用鎂合金座椅骨架，可使座椅質(zhì)量減輕40%[23]。我國在鎂合金座椅骨架方面的研究在近幾年較為集中。吉林大學(xué)趙愛霞[24]和重慶大學(xué)韓潔麗[23]分別對鎂鋁合金輕量化汽車座椅骨架靜態(tài)特性和鎂合金在汽車座椅骨架上的應(yīng)用進(jìn)行了模擬和有限元分析。韓國現(xiàn)代汽車Young Jin Ko等[25]使用鎂合金替代傳統(tǒng)鋼材制作汽車座椅骨架(見圖6)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，他們將超過30個零件組成的全鋼汽車座椅骨架簡化成了2個零件組成的鎂合金座椅骨架，并取消了所有的焊縫。最終，座椅骨架通過了安全法規(guī)試驗，并成功減質(zhì)量50%。

重慶大學(xué)、長安汽車[7,23]通過壓鑄法也開發(fā)出了鎂合金座椅骨架(見圖7)，并研究了澆注系統(tǒng)對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響。壓鑄件材料選用AM60B,鑄件體積約為1.17×10-3m3, 最大壁厚為6.0 mm, 最小為3.0 mm, 平均為3.5 mm。研究表明：通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)，不但可以制造出滿足要求的座椅骨架，而且能極大地減少廢品率。

2013年，一汽鑄造公司與法國佛吉亞公司簽署了共同開發(fā)鎂合金整體座椅骨架的技術(shù)協(xié)議，也開始著手鎂合金輕量化座椅骨架的研發(fā)。

鎂合金在汽車座椅骨架上的應(yīng)用實例表明，它可以作為輕量化材料應(yīng)用于汽車座椅骨架上。然而，由于鎂合金在壓鑄過程中易產(chǎn)生微觀缺陷，而且疲勞強(qiáng)度低，原材料價格較高，在應(yīng)用推廣過程中一度受到了限制。另一方面，鎂合金與鋼鐵材料進(jìn)行連接時，兩種材料間電位差的存在，會產(chǎn)生材料腐蝕的問題，這也限制了鎂合金在汽車座椅上的應(yīng)用。如何降低鎂合金產(chǎn)品成本和解決鎂合金零件與傳統(tǒng)鋼鐵材料連接時的腐蝕問題，將成為鎂合金應(yīng)用過程中需要解決的重點問題。

2.2.4塑料及其復(fù)合材料

塑料材料，比如PP、PA6或者PA66等材料經(jīng)常與玻璃纖維、碳纖維等高強(qiáng)度材料混合在一起，制備成為復(fù)合材料，用于汽車結(jié)構(gòu)零件的制造。自20世紀(jì)50年代以來，塑料復(fù)合材料在汽車上的用量持續(xù)增加，且增速非常快。塑料及其復(fù)合材料不僅可以減輕零部件約40%的質(zhì)量，還可使成本降低40%左右。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計：2000年世界平均每輛汽車上塑料的用量已達(dá)到105 kg，約占汽車總質(zhì)量的8%～12%。

1993年，Marc D.Hewko[26]將塑料與金屬內(nèi)嵌物相結(jié)合，制造出了塑料座墊骨架，并申請了美國專利。其原理是：將金屬件內(nèi)嵌于塑料件中，通過注塑工藝成型為所需的坐墊骨架，隨后通過預(yù)先設(shè)計好的安裝孔實現(xiàn)與靠背骨架及滑軌、泡沫等的裝配，如圖8 所示。

2014 年，江森自控推出了碳纖維與工程塑料混合設(shè)計的輕量化汽車座椅靠背骨架“CAMISMA”(見圖9)。

此靠背骨架不僅可使座椅保持與以往座椅相同的強(qiáng)度，同時還可減輕約40%的質(zhì)量。初期研究結(jié)果表明：擁有“CAMISMA”內(nèi)部結(jié)構(gòu)的座椅達(dá)到了現(xiàn)有金屬結(jié)構(gòu)座椅的全部強(qiáng)度要求[27]。

國內(nèi)，工程塑料在汽車座椅骨架上應(yīng)用較早的為南京汽車制造廠[28]。1991 年，南京汽車制造廠從意大利引進(jìn)了DAILY系列汽車制造技術(shù)，其中部分車型座椅骨架為塑料骨架。通過對引進(jìn)技術(shù)的分析， 他們最終研制出了國產(chǎn)化的塑料座椅骨架(見圖10)， 此種座椅不但能夠滿足乘用車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，還極大地減輕了整椅質(zhì)量，降低了座椅成本。

通常使用工程塑料或者塑料復(fù)合材料制造汽車座椅骨架，均采用注塑工藝，不但能極大地減小整椅質(zhì)量，而且能夠減少鋼鐵骨架焊接、鉚接等中間工藝步驟，可以有效地減少人工的投入。然而，由于汽車座椅多需要角度、高度和前后方向的調(diào)整，而調(diào)角器、高調(diào)器和滑軌多為金屬件，如何將塑料骨架與這些核心零件進(jìn)行有效連接，則是困擾塑料座椅骨架開發(fā)的一個難題。除此之外，由于塑料材料本身強(qiáng)度并不能滿足汽車座椅強(qiáng)度以及吸能性方面的需求，為提高其性能，在塑料材料中添加玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)、增韌相必不可少，材料成本因此會大幅上升。另一方面，由于增強(qiáng)相的添加，材料的回收再利用難度增加， 這也進(jìn)一步阻礙了塑料材料在汽車座椅上的應(yīng)用。

近期，一些汽車零部件制造商已經(jīng)把目光裝轉(zhuǎn)向了更具減重潛力的新材料—— EPP(Expanded Polypropylene)材料。EPP 材料是一種工程用塑料泡沫材料，它是在CO2氣氛和高壓條件下，通過加熱和突然冷卻聚丙烯材料而形成一種高結(jié)晶型聚合物/氣體復(fù)合材料[30]。EPP材料具備優(yōu)良的耐熱性能、良好的尺寸穩(wěn)定性、質(zhì)量輕、優(yōu)良的緩沖性能、良好的低溫特性以及高能量吸收性等優(yōu)點，使其逐漸被汽車制造商所青睞[31]。

目前，日本的JSP、Kaneka和德國BASF公司是EPP材料的主要供應(yīng)商。其中，JSP公司生產(chǎn)的ARPRO?EPP材料已經(jīng)在汽車后排座椅、汽車兒童座椅上得到了應(yīng)用[32](見圖11)。由于EPP材料本身強(qiáng)度的不足，在汽車座椅骨架上應(yīng)用時，通常需要與鋼鐵骨架一同配合進(jìn)行設(shè)計以滿足強(qiáng)度的需要，制成的汽車座椅能夠減質(zhì)量20%～50%。但由于EPP材料生產(chǎn)的核心技術(shù)目前主要掌握在國外，較高的原材料成本使其在汽車工業(yè)內(nèi)的推廣速度較慢。

從以上分析可知：無論采用哪一種輕質(zhì)材料進(jìn)行輕量化設(shè)計，單一材料的減重能力均有限，不能完全滿足未來汽車座椅骨架的輕量化需求，需要通過多種材料的混合設(shè)計才能達(dá)到減質(zhì)量目標(biāo)。

3　結(jié)論

綜上所述，為滿足汽車行業(yè)以及國家頒布的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，單一采用結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)實現(xiàn)汽車座椅骨架的輕量化，具有一定的局限性，輕量化效果不明顯，不能完全滿足當(dāng)前汽車輕量化的需求。采用材料輕量化技術(shù)是目前汽車座椅骨架輕量化實現(xiàn)的有效途徑。在輕質(zhì)材料當(dāng)中，就輕量化效果而言，鎂合金和碳纖維復(fù)合材料比傳統(tǒng)黑色金屬更具有優(yōu)勢。但是采用鎂合金和碳纖維復(fù)合材料，較高的原材料成本和由于新材料的使用而帶來的加工制造工藝變革，會成為制約汽車座椅輕量化發(fā)展的主要障礙。根據(jù)目前各汽車零部件生產(chǎn)商的設(shè)備、工藝布局特點以及對整椅成本的控制，采用超高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度大于700 MPa)實現(xiàn)汽車座椅輕量化仍然具有現(xiàn)實意義。

此外，目前采用單一材料或者結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化已經(jīng)很難滿足日益增長的輕量化需求，多種材料的混合設(shè)計將成為未來汽車座椅輕量化發(fā)展的趨勢。

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Research Status on the Lightweight of the Automotive Seat

>ZHAN Lei, SUN Jun, HE Jinguang, LI Wei, SUN Jiguo

(Technical Center, Changchun FAWAY-Johnson Controls Automotive Systems Co., Ltd., Changchun Jilin 130033,China)

The research status on the lightweight of automotive seat was reviewed. Through the comparison of the research results, the light weight methods, including the lightweight structure and lightweight materials, were discussed in details. Among the lightweight methods, the application of the lightweight material in auto seat frame was prior to that of the lightweight structure on the realization of the lightweight. Mg alloys and carbon fiber composites were the key materials for the auto seat frame lightweight compared with the conventional steel material and would be the key point of the research work in the future. Currently, taking the manufacture process and the cost into consideration, the application of the high-strength steel and ultra-high-strength steels was practically meaningful for the lightweight of the auto seat.

Automotive seat; Lightweight; Research status

2015-06-24

戰(zhàn)磊(1979—)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事汽車座椅、內(nèi)飾件開發(fā)及汽車零部件輕量化研究。E-mail：lei.zhan@jci.com。