鎂合金汽車座椅輕量化設(shè)計(jì)

孫振廣，官鈔

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

汽車輕量化技術(shù)的前提是要保證汽車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和駕駛員及乘客的安全，然后盡可能降低整車質(zhì)量，提高汽車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性，減少污染物的排放[1]。汽車座椅作為汽車的重要內(nèi)飾件，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)能大幅減小汽車質(zhì)量。而隨著人們生活水平的不斷提高，不僅有對(duì)汽車座椅安全性的要求，還對(duì)它的舒適性和美觀性提出新的要求。由于汽車零部件標(biāo)準(zhǔn)體系不完整且各項(xiàng)核心技術(shù)尚未取得顯著突破，我國(guó)在汽車座椅設(shè)計(jì)和研發(fā)方面處于基礎(chǔ)階段[2]。鎂合金具有質(zhì)量輕、尺寸穩(wěn)定性高、可回收性好和良好的機(jī)加工與鑄造性能，若將鎂合金應(yīng)用于汽車座椅，將會(huì)為汽車座椅的發(fā)展帶來曙光。

1 汽車座椅的結(jié)構(gòu)與功用

1.1 汽車座椅的結(jié)構(gòu)

汽車座椅由頭枕、骨架、坐墊、靠背和調(diào)節(jié)裝置等零部件組成，如圖1 所示。座椅框架主要是一輛被分割成類似骨骼的零件，在現(xiàn)有的汽車座椅上所使用的兩種骨架（靠背、坐盆）的材料均為St12，采用沖壓等方式制造而成，最后將所有的零部件進(jìn)行焊接而成，可實(shí)現(xiàn)靠背調(diào)節(jié)、坐墊的前后和高度調(diào)節(jié)。

圖1 汽車座椅的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Car seat structure

1.2 汽車座椅的功用

汽車座椅保證乘客的乘坐舒適和安全，是旅客運(yùn)輸有關(guān)的車內(nèi)系統(tǒng)必需的組件。其主要作用是：作為駕乘人員的主要承載件；為駕乘人員進(jìn)行位置區(qū)域劃分；為駕乘人員提供良好的駕乘感受；當(dāng)駕乘人員受到生命安全的威脅時(shí)，可與座椅形成一體，最大限度保障人員安全。

2 CATIA 軟件下的三維實(shí)體設(shè)計(jì)

2.1 鎂合金的應(yīng)用

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，而且具有比強(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(diǎn)[3]。梅賽德斯－奔馳公司在 SEL 型敞篷車上率先使用了金座椅框架。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。韓國(guó)現(xiàn)代汽車使用鎂合金替代傳統(tǒng)鋼材制作汽車座椅骨架通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終，座椅骨架通過了安全法規(guī)試驗(yàn)，并成功減質(zhì)量 50%[4]。由此可見，鎂合金的應(yīng)用對(duì)減輕汽車座椅的質(zhì)量提供了很大幫助。

2.2 鎂合金汽車座椅骨架靠背設(shè)計(jì)

汽車座椅骨架是整個(gè)汽車座椅系統(tǒng)中最核心的部件，占汽車座椅總重一半以上且承擔(dān)了絕大多數(shù)座椅功能[5]。而對(duì)座椅骨架的設(shè)計(jì)又分為骨架靠背設(shè)計(jì)和骨架坐盆設(shè)計(jì)。

骨架靠背的設(shè)計(jì)可分為以下5 個(gè)過程：

（1）首先建立H 點(diǎn)（能夠比較準(zhǔn)確地確定駕駛員或乘員在座椅位置的參考點(diǎn)是軀干與大腿相連的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)“跨點(diǎn)”）。靠背整體是弧形狀，利用 CATIA 的創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)將靠背需要的曲面創(chuàng)建出來。

（2）對(duì)于靠背的下面部分，也就是靠背與坐盆連接處的那一部分的外形，進(jìn)入草圖，將該部分的外形尺寸在草圖上畫出來，再退出草圖將所畫好的草圖利用創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)的曲面拉伸命令拉伸出曲面。

（3）創(chuàng)建空間曲面，將座椅靠背的側(cè)面的輪廓外形勾勒出來，創(chuàng)立多個(gè)曲面，利用曲面相交而成進(jìn)行的倒圓角進(jìn)行平順化。去除多余的部分，保留靠背的頭枕與背板的輪廓，去除輪廓以外的曲面，建立草圖，將草圖拉伸出來。隱藏之前的所有輔助曲面，再將曲面的銳邊倒角化。

（4）為使座椅質(zhì)量更輕，應(yīng)對(duì)靠背減重。在與背部直接接觸的位置挖孔，一方面，這個(gè)位置一半要安裝靠背彈簧，可增加座椅的舒適性，不會(huì)讓駕乘人員感到難受；另一方面，這一塊可大面積挖孔，進(jìn)行最大限度減重。為了增加靠背被挖去地方的強(qiáng)度，需要在此增加靠背發(fā)泡支撐。

（5）為了增加原有部件的強(qiáng)度，需要在靠背頸部加強(qiáng)和靠背側(cè)部加強(qiáng)進(jìn)行對(duì)加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，最后用 CATIA 的加厚曲面的命令對(duì)曲面進(jìn)行實(shí)體加厚。

經(jīng)過CATIA 繪制的靠背骨架如圖2 所示。

圖2 骨架靠背Fig.2 Skeleton backrest

2.3 鎂合金汽車座椅骨架坐盆設(shè)計(jì)

在人機(jī)工程學(xué)里，坐墊前部要考慮大腿在長(zhǎng)時(shí)間下受到的最小壓力，這樣才能保證人體大腿部的血液循環(huán)，以避免長(zhǎng)時(shí)間乘坐給人體帶來的傷害[6]。因此，對(duì)骨架坐盆的設(shè)計(jì)可以分為如下幾個(gè)過程：

（1）確定坐盆的尺寸,并將其拉伸成實(shí)體。為了后面的靠背與坐盆之間的連接處的“耳朵”安裝在坐盆上，需要對(duì)當(dāng)前實(shí)體進(jìn)行拔模，拔模角度為 5°。

（2）高度裁剪。根據(jù)座椅骨架的實(shí)際要求，將高度設(shè)立為合理要求，同時(shí)，還得兼顧外觀設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)入草圖模式，畫出要裁剪的輪廓。

（3）減重處理。一方面是為了為產(chǎn)品節(jié)約成本，減輕鎂合金汽車座椅骨架的整體質(zhì)量，另一方面會(huì)為了舒適性考慮，即使會(huì)有坐墊發(fā)泡為駕乘人員提供舒適性的減震或者說緩沖的作用，但不可忽視的是坐盆是直接與駕乘人員接觸的，中間加裝彈簧是很有必要的，不能單靠發(fā)泡的作用來實(shí)現(xiàn)舒適性的提供；

（4）靠背與坐盆之間的連接，同樣是壓鑄的方式進(jìn)行制造，這樣才能有更好的強(qiáng)度與剛度。首先將草圖繪制出來并用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)，然后將草圖與上述一樣填充出曲面。這樣的連接才更加牢固結(jié)實(shí)，最后在零件設(shè)計(jì)模塊里厚曲面命令將兩塊曲面進(jìn)行實(shí)體加厚處理，并進(jìn)行相應(yīng)的開孔處理。

（5）坐盆邊沿支架，主要起把駕乘人員固定在座椅的作用，防止轉(zhuǎn)彎處或者意外情況的出現(xiàn)，是對(duì)駕乘人員的一種保護(hù)，但出于功能和外觀設(shè)計(jì)的因素考慮，需要對(duì)其不規(guī)則設(shè)計(jì)，這樣才符合大眾的曲線設(shè)計(jì)感知。

經(jīng)過CATIA 繪制的骨架坐盆，如圖3 所示。最后把設(shè)計(jì)好的骨架靠背和骨架坐盆及其他零部件進(jìn)行裝配后，得到最終的汽車座椅結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 骨架坐盆Fig.3 Skeleton sitting basin

圖4 汽車座椅骨架Fig.4 Car seat frame

3 鎂合金汽車座椅骨架有限元分析

3.1 模型有限元前期的幾何清理

導(dǎo)入之前用 CATIA 軟件畫的三維實(shí)體，利用工具將自由邊的紅色的線最后修理成綠色的線。使用 equivalence 工具一次縫合多個(gè)自由邊，這樣軟件就自然將這些小面小縫隙進(jìn)行縫合，當(dāng)然這樣的處理方式只是前期的大范圍的處理，還有一些容差大于 0.01 的自由邊，需要用 toggle 和replace 工具來清理剩下的自由邊。

3.2 模型網(wǎng)格剖分與整理

進(jìn)行網(wǎng)格剖分的方式有很多種，但最常用的方式還是用 HyperMesh 自動(dòng)生成網(wǎng)格，再利用整理工具對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。為了能使網(wǎng)格剖分得更好，網(wǎng)格的質(zhì)量能達(dá)到要求，需要將面板上的小孔、面倒圓、邊倒圓進(jìn)行去除縫補(bǔ)。這些前期的準(zhǔn)備是為了之后的網(wǎng)格剖分時(shí)的整理。當(dāng)然，調(diào)整網(wǎng)格樣式還有很多種方法，例如在邊線上增加硬點(diǎn)，增加硬點(diǎn)的方法是為了讓網(wǎng)格劃分得更細(xì)，這樣可以讓網(wǎng)格看起來很規(guī)整。用以上方法對(duì)模型的網(wǎng)格剖分就會(huì)得出鎂合金汽車座椅骨架的靠背、坐盆、調(diào)角器等的網(wǎng)格，如圖5 和圖6 所示。

圖5 靠背網(wǎng)格整理結(jié)果Fig.5 Results of backrest grid arrangement

圖6 坐盆網(wǎng)格整理結(jié)果Fig.6 Results of grid arrangement of sitting basin

3.3 定義模型的材料屬性和幾何屬性

雖然本研究是鎂合金汽車座椅骨架的設(shè)計(jì)，但不是所有的座椅零部件都是采用的鎂合金材料，因?yàn)樵谇懊娴牟糠钟姓故境鲦V合金的應(yīng)用現(xiàn)狀和鎂合金的市場(chǎng)應(yīng)用，作為一種新型材料，材料本身的成本價(jià)格就不簡(jiǎn)單，所以在考慮實(shí)際的情況下，只需要對(duì)座椅的靠背、坐盆、靠背調(diào)角器進(jìn)行鎂合金材料賦予，其余的滑軌、高度調(diào)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)等其他金屬器件采用傳統(tǒng)汽車座椅骨架所用的鋼材。針對(duì)本次課題的研究，鎂合金選用鎂鋁合金 AM50，鋼材選用傳統(tǒng)用材冷軋鋼St12，兩種材料的物理屬性見表1。

表1 鎂合金汽車座椅骨架所用材料的物理屬性Tab.1 Physical properties of magnesium alloy car seat frame materials

將這兩種材料賦予所有的零部件，需要建立一個(gè)屬性。選擇 properties 工具按鈕，建立相應(yīng)的材料的厚度，比如坐盆部分的厚度是 3 mm，材料是 AM50。這樣就建立了一個(gè)厚度為 3 mm的 AM50 材料的鎂鋁合金，其他的厚度也是按照一樣的操作方式進(jìn)行。接下來將已有的材料賦予零部件。

3.4 邊界條件的確定與載荷加載后的靜力強(qiáng)度分析

對(duì)于邊界條件的確定，是對(duì)整體骨架進(jìn)行有限元分析約束，這個(gè)約束就是在外滑軌的下面進(jìn)行約束，如圖7 所示。然后是坐盆和靠背的載荷加載，這個(gè)座椅靠背質(zhì)心離R 點(diǎn)的距離為 246 mm，所以給靠背加載的載荷為 1 512 N，坐盆所加載是一個(gè)成人的重量為 700 N，如圖8 所示。

圖7 邊界條件確定Fig.7 Determination of boundary conditions

圖8 載荷加載Fig.8 Load loading

利用求解器進(jìn)行求解。點(diǎn)擊 Analusis 的loadstep 子面板，分別選擇之前建立的約束和載荷組件 spc 和 load 兩個(gè)組件，再點(diǎn)擊 optistruct 進(jìn)行求解，最終靜力強(qiáng)度的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖9、圖10 所示。從應(yīng)力云圖可以看出，圖8 所示加載載荷的情況下，大部分是應(yīng)力合格的，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，只有滑軌處有少許的應(yīng)力變化情況，但都屬于應(yīng)力合格的情況；從位移云圖看出，位移最大的是頭枕部，最大位移距離為 48.78 mm，這個(gè)值合格，屬于國(guó)標(biāo)規(guī)定范圍，強(qiáng)度校核合格。

圖9 應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram

圖10 位移云圖Fig.10 Displacement nephogram

5 結(jié)論

此次設(shè)計(jì)所采用的材料比較特殊，但可從中看出鎂合金在未來的發(fā)展趨勢(shì)和它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研究?jī)?nèi)容包括汽車座椅骨架的三維實(shí)體設(shè)計(jì)和最后的強(qiáng)度分析，利用三維實(shí)體軟件 CATIA 和有限元數(shù)據(jù)分析軟件 HyperMesh 對(duì)本次課題進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析。鎂合金汽車座椅骨架與傳統(tǒng)座椅的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，從兩者的結(jié)構(gòu)組成和零件數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，鎂合金座椅的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是能一次性壓鑄成型，這樣既能保證鎂合金的比強(qiáng)度和比剛度，又能減少整體上的座椅骨架的零部件數(shù)量，從而減少工序的數(shù)量，減少模具的開發(fā)，節(jié)約項(xiàng)目的成本。從以上多個(gè)角度肯定了鎂合金在我國(guó)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。