汽車(chē)座椅輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成形工藝優(yōu)化的探討

張戰(zhàn)宇

舒茨曼座椅（寧波）有限公司 浙江寧波 315336

隨著汽車(chē)總保有量和新增量的不斷增加，汽車(chē)耗油量及汽車(chē)二氧化碳、有害氣體及顆粒的排放量也在快速增加。在能源日益緊缺，環(huán)境日益惡化的今天，這種矛盾已成為制約汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題。面對(duì)能源危機(jī)和低碳環(huán)保的巨大壓力，解決這一矛盾最有效、最現(xiàn)實(shí)的方法之一，也是當(dāng)今世界汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的潮流，就是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化。

1 輕量化材料

汽車(chē)輕量化是在不改變汽車(chē)剛度與強(qiáng)度的前提下，采用輕量化材料，或借助結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)減輕整車(chē)的質(zhì)量，材料技術(shù)是輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，借助輕量化材料能夠同時(shí)改善汽車(chē)質(zhì)量與行駛安全性?，F(xiàn)階段，汽車(chē)輕量化材料主要包括；（1）鋁合金。鋁作為輕質(zhì)材料之一，被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)中，由鋁加工而成的鋁合金具有耐腐蝕性強(qiáng)、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，利用先進(jìn)技術(shù)加工后可以應(yīng)用于汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)中。與此同時(shí)，鋁合金能夠更好地抵抗外部的沖擊，可以使汽車(chē)碰撞安全性得到提升。（2）高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼與一般的鋼材相比，質(zhì)量更輕，能夠顯著降低整車(chē)質(zhì)量。普通高強(qiáng)度主要有烘烤硬化鋼、含磷鋼等；先進(jìn)高強(qiáng)度鋼主要有貝氏體鋼、復(fù)相鋼、孿生誘發(fā)塑性鋼等。高強(qiáng)度鋼綜合性能好，是汽車(chē)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選材料。盡管高強(qiáng)度的強(qiáng)度較強(qiáng)，但這也意味著這類鋼材的成形性能相對(duì)較差、回彈大。（3）鎂合金。鎂合金在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛地應(yīng)用，其比剛度、比強(qiáng)度較高，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。除此之外，鎂合金較易回收、散熱性好，這也是其被用應(yīng)用于汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的重要原因之一?，F(xiàn)階段，鑄造鎂合金是汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的主要材料，其被應(yīng)用于座椅骨架、變速器殼體等部件的設(shè)計(jì)中[1]。

2 汽車(chē)座椅輕量化設(shè)計(jì)方法

汽車(chē)座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，首先是保證甚至提高座椅的靜態(tài)性能及動(dòng)態(tài)性能，其次是減輕自重，降低制造成本，提高經(jīng)濟(jì)性。座椅的輕量化設(shè)計(jì)，主要是座椅骨架的輕量化，實(shí)現(xiàn)座椅輕量化的途徑跟上述汽車(chē)輕量化一致。一是通過(guò)使用輕質(zhì)材料，二是利用有限元對(duì)骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，三是通過(guò)采用新的制造工藝來(lái)達(dá)到輕量化的目的。實(shí)際工程中，一般會(huì)綜合運(yùn)用兩種或兩種以上手段相互結(jié)合的方法。本文就是綜合采用輕質(zhì)材料結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)新的成形工藝而達(dá)到汽車(chē)座椅輕量化的目的。

低壓鑄造的優(yōu)越性：低壓鑄造具有充型能力強(qiáng)、平穩(wěn)可控，生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于汽車(chē)用鋁合金鑄件生產(chǎn)。此外，低壓鑄造件還可以熱處理強(qiáng)化，因此該方法主要應(yīng)用于中、大型復(fù)雜薄壁、優(yōu)質(zhì)鑄造鋁合金件上。低壓鑄造的優(yōu)越性概括起來(lái)主要有：（1）充型能力強(qiáng)。低壓鑄造中壓力作用提高了合金液的流動(dòng)性，有利于生產(chǎn)復(fù)雜薄壁鑄件。（2）充型平穩(wěn)可控。根據(jù)鑄件的不同結(jié)構(gòu)和鑄型的不同材料來(lái)確定不同的加壓規(guī)范。這種加壓可控性減少或避免了合金液在型腔內(nèi)的沖擊、飛濺現(xiàn)象，從而減少了氧化夾渣的形成，避免或減少鑄件的缺陷，提高了鑄件質(zhì)量，合格率一般可達(dá)95%左右。（3）補(bǔ)縮能力強(qiáng)。鑄件在壓力作用下結(jié)晶和凝固，補(bǔ)縮能力強(qiáng)，組織致密，綜合機(jī)械性能高。（4）金屬利用率高，工藝出品率可達(dá)80-95%。低壓鑄造可以不用或少用冒口且澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)單，尚未凝固的金屬液可流回坩堝中，減少金屬的損耗。（5）低壓鑄造基本上可用于各種鑄造合金，對(duì)合金材料的適用范圍廣，有色合金和鑄鐵、鑄鋼均可使用此工藝。（6）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化，較壓鑄投資小[2]。

3 汽車(chē)座椅輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁的密度較小，屬于輕金屬，由鋁加工而成的鋁合金具有耐腐蝕性強(qiáng)、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)鋁合金也可被回收二次使用。將鋁合金應(yīng)用于汽車(chē)座椅輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以大幅減輕汽車(chē)的質(zhì)量，能夠提升燃油經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)階段，沖壓鋼板是汽車(chē)座椅骨架的主要材料，這就導(dǎo)致汽車(chē)座椅質(zhì)量較大，從而影響汽車(chē)整體的經(jīng)濟(jì)性。因此，下文將鋁合金作為汽車(chē)座椅骨架的主要材料，分別對(duì)汽車(chē)椅背、椅架、邊板進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。椅背是汽車(chē)座椅的重要組成部分，椅背的舒適度直接影響駕駛員的駕車(chē)體驗(yàn)。因此，在設(shè)計(jì)汽車(chē)座椅靠背時(shí)需要參考人體背部?jī)?yōu)化曲線（見(jiàn)圖1），提高汽車(chē)駕駛員的舒適度。參考國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，鋁合金座椅靠背尺寸為470＊620毫米。椅背材料選擇機(jī)械性能良好的列車(chē)金，壁厚為4毫米，拔模斜度為0度30分，內(nèi)、外圓角半徑分別為4、8毫米（見(jiàn)圖2）。

圖 人體背部?jī)?yōu)化曲線

圖2 座椅椅背三維圖

汽車(chē)座椅椅架的承載量最大，一般由合金與椅腳固定座焊接組成。本文設(shè)計(jì)汽車(chē)座椅椅架選擇40mm×20mm的方管、厚度為4mm的鋁合金；選擇厚度為5mm的冷軋板。兩者經(jīng)過(guò)沖壓后組成汽車(chē)座椅椅架，這一設(shè)計(jì)可以節(jié)約大量的費(fèi)用，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且取材，生產(chǎn)效率高[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，座椅是給汽車(chē)駕駛員提供支撐、便于駕駛操作的重要結(jié)構(gòu)，可以在事故發(fā)生時(shí)給予一定的保護(hù)，實(shí)用性及較強(qiáng)，汽車(chē)座椅輕量化設(shè)計(jì)可以減少有害氣體的排放，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，提升燃油的經(jīng)濟(jì)性。汽車(chē)座椅輕量化設(shè)計(jì)是未來(lái)汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)制造的主要發(fā)展方向。低壓鑄造可以最大限度防止合金液的飛濺現(xiàn)象，保證鑄件質(zhì)量，綜合機(jī)械性能高，適用性較好，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。