汽車座椅PVC面料打孔設(shè)計(jì)對面料力學(xué)性能影響分析

王碩 韋東林 楊松霖

摘要：汽車座椅PVC 面料在打孔后，既要滿足設(shè)計(jì)要求，又要滿足力學(xué)性能要求。本文通過對某PVC 面料常規(guī)打孔設(shè)計(jì)后的拉延強(qiáng)度以及撕裂強(qiáng)度兩項(xiàng)性能進(jìn)行測試，不同孔徑與孔距在多種排列組合情況下，PVC 面料是否滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，得出相應(yīng)結(jié)論，并規(guī)避設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的問題。

關(guān)鍵詞：汽車座椅；PVC 面料；打孔設(shè)計(jì)；拉延強(qiáng)度；切口撕裂強(qiáng)度；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U463.83+6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

汽車座椅PVC 面料打孔設(shè)計(jì)，作為汽車座椅設(shè)計(jì)中的重要元素，可以在整車設(shè)計(jì)方案中體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的風(fēng)格意圖，同時(shí)在動(dòng)靜態(tài)感知中，也有良好的表現(xiàn)，例如視覺感觀、座椅通風(fēng)、皮革手感和氣味等。隨著大眾審美的不斷提升以及對汽車認(rèn)知概念的不斷更新，各大主機(jī)廠對汽車審美也一直在提高?，F(xiàn)如今客戶在選購汽車時(shí)，造型設(shè)計(jì)逐漸成為汽車購買的重要參考點(diǎn)之一。

座椅的設(shè)計(jì)在整個(gè)汽車內(nèi)飾造型設(shè)計(jì)中，起到了關(guān)鍵作用。有數(shù)據(jù)表明，人們在觀察某一物體時(shí)，前20 s 給人最直接視覺傳達(dá)就是大面積色塊搭配；在20 s 后的視覺感官中，細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)尤為的加分，而座椅的色塊搭配正好占據(jù)了設(shè)計(jì)中的絕大部分。所以在前期設(shè)計(jì)過程中，皮革面料的孔型設(shè)計(jì)，便成為了座椅外觀設(shè)計(jì)的其中一個(gè)重要因素[1]。

皮革打孔設(shè)計(jì)對皮革本身的力學(xué)性能是一種考驗(yàn)，也可以稱作是一種“破壞性工藝”。其考驗(yàn)的是皮革在打孔后，是否既能夠滿足設(shè)計(jì)要求，也能夠滿足車企車規(guī)等力學(xué)性能要求。為了驗(yàn)證皮革面料在不用孔型條件下，是否能夠滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和力學(xué)性能要求，本文作者以常規(guī)孔型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，孔徑、孔距為變量進(jìn)行排列組合。通過拉延強(qiáng)度、切口撕裂強(qiáng)度兩項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，不同孔型條件是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并得出最終結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)材料

本文研究所使用的PVC 面料所有試樣，由同一供應(yīng)商提供，采用同一種生產(chǎn)工藝。PVC 試樣符合市面上大部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的配方，僅改變打孔參數(shù) [2]。

孔徑是指孔的直徑；孔距指的是2 個(gè)孔的中心距，即第一個(gè)孔的中心到第二個(gè)孔中心的距離（圖1）。為了保證試驗(yàn)樣品能夠覆蓋更多的孔型設(shè)計(jì)方案，將孔徑與孔距的選擇范圍，設(shè)立在常規(guī)與非常規(guī)2 種條件之間進(jìn)行排列組合?？讖絽?shù)范圍：0.7 ～ 1.4 mm ；孔距參數(shù)范圍：4.0 ～ 7.0 mm。

（1）常規(guī)范圍：孔徑為0.9 ～ 1.2 mm ；孔距為5.0 mm和6.0 mm。

（2）非常規(guī)范圍分為上下限值。上限孔徑：1.3 mm、1.4 mm，上限孔距：7.0 mm ；下限孔徑：0.7 mm 和0.8 mm，下限孔距：4.0 mm。

孔徑和孔距的選擇排列組合方式有2 種，分別為同一種孔徑與不同孔距進(jìn)行排列，以及同一種孔距與不同孔徑進(jìn)行排列，共得出32 種組合[3]。

2 試驗(yàn)方法

2.1 拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度是指材料在受到拉伸力作用下所能承受的最大應(yīng)力值。在工程設(shè)計(jì)和材料選擇中，拉伸強(qiáng)度是一個(gè)非?？傊匾膮?shù)，它直接影響材料的使用壽命和安全性能。拉延強(qiáng)度測試依據(jù)通用汽車世界范圍工程標(biāo)準(zhǔn)GMW3010-2014 Code H 斷裂加載力測試進(jìn)行。測試參數(shù)如下。

測試?yán)旆较颍捍怪睓C(jī)械方向≥ 200 N ；試樣尺寸：260.0 mm×50.0 mm，縱向、橫向各取3 個(gè)樣片，取樣以面料經(jīng)緯向?yàn)榛鶞?zhǔn)（圖2），橫向?yàn)槠叫杏诰曄?，縱向?yàn)槠叫杏诮?jīng)向；實(shí)驗(yàn)室環(huán)境：環(huán)境溫度為（22±3）℃ ，環(huán)境濕度為（50±5）%RH；測試速度：以（100.0±5.0）mm/min 條件下的試驗(yàn)速率進(jìn)行拉伸，試驗(yàn)始標(biāo)距為 100.0 mm ；預(yù)置應(yīng)力：5 N。

2.2 切口撕裂強(qiáng)度

切口撕裂強(qiáng)度是指在拉伸過程中，材料在斷裂前所承受的最大拉力。它是衡量材料抗撕裂性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常用于評價(jià)紙張、織物和皮革等柔性材料的品質(zhì)。切口撕裂強(qiáng)度依據(jù)ISO13937-2-2000《紡織品. 織物撕破特性. 第2 部分： 褲形試樣撕破強(qiáng)力的測定（單舌法）》進(jìn)行測試。測試參數(shù)如下。

拉伸方向：垂直機(jī)械方向≥ 2 0 N ；試樣尺寸：50.0 mm×200.0 mm，縱向、橫向各取3 個(gè)樣片，取樣以面料經(jīng)緯向?yàn)榛鶞?zhǔn)，橫向?yàn)槠叫杏诰曄?，縱向?yàn)槠叫杏诮?jīng)向；實(shí)驗(yàn)室環(huán)境：環(huán)境溫度為（22±3）℃ ，環(huán)境濕度為（50±5）%RH；測試速度：以100.0 mm/min 的速度拉伸直至斷裂；切口要求：從寬度中心開始做一個(gè)長度為100.0 mm 的縱向夾縫，在試樣的末切端初標(biāo)記撕裂結(jié)束25.0 mm，以指測試結(jié)束時(shí)撕裂的位置（圖3）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 同孔距不同孔徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將變量設(shè)定為孔距不變，孔徑遞增進(jìn)行測試?？拙喾謩e為0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm 和0.4 mm 的測試結(jié)果如表1 ～表4 所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相同配方的PVC 面料，孔距不變，孔徑由0.7 mm 遞增至1.4 mm。隨著孔徑的遞增，PVC 面料所承受的拉力呈現(xiàn)出遞減狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在打孔后橫向與縱向最小承受力要求≥ 200 N，據(jù)此統(tǒng)計(jì)，表1 ～表4 中標(biāo)注為紅色的數(shù)據(jù)則是失敗組合。也就是說， 7.0 mm 孔距條件下合格率達(dá)到100% ；6.0 mm 孔距條件下，除1.3 mm 孔徑與1.4 mm 孔徑組合失敗外，合格率達(dá)到75% ；而5.0 mm 孔距失敗較多，合格率僅有25% ；4.0 mm 孔距條件下則全部失敗[4]。

3.2 同孔徑不同孔距的拉伸強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

變量設(shè)定為孔徑不變，孔距遞增進(jìn)行測試?？讖椒謩e為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm 和1.4 mm 的測試結(jié)果如表5 ～表12 所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相同配方的PVC 面料孔徑不變，孔距由4.0 mm 遞增至7.0 mm，隨著孔距的遞增，PVC 面料所承受的拉力也呈現(xiàn)出遞增狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在打孔后橫向與縱向起始拉伸力要求≥ 200 N，據(jù)此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表5 ～表12 中標(biāo)注紅色的數(shù)據(jù)則為失敗組合。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，0.7 mm 和0.8 mm 孔徑條件下合格率最高達(dá)到75% ；0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm 和1.2 mm孔徑條件下合格率為50% ；1.3 mm 和1.4 mm 孔徑條件下，合格率僅為25%。

3.3 切口撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

分別在每一種孔距條件下進(jìn)行不同孔徑的切口撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表13 所示。根據(jù)切口撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)結(jié)果的合格率極高，32 組數(shù)據(jù)中，合格率達(dá)到90%。失敗的組合集中在4 mm 孔距，孔徑分別為1.2 mm、1.3 mm 和1.4 mm，而孔徑和孔距均為極限取樣值[5]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文通過某座椅PVC 面料打孔設(shè)計(jì)對力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論。

（1）孔間距是對打孔面料拉力值合格率產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在相同孔間距組合范圍條件下，孔徑由小到大逐步遞增，則拉力值數(shù)據(jù)整體呈遞減趨勢。合格的樣片集中在6.0 mm和7.0 mm 孔間距的組合范圍中，而4.0 mm 和5.0 mm 的組合合格率卻是不到半數(shù)。由此可知，孔間距數(shù)值的大小是決定面料是否合格的重要因素。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，PVC 面料打孔的孔間距越大，所能承受的拉力值也就越大，合格率也就越高。

（2）在相同孔徑不同孔間距的組合中，孔距的變化由小到大為逐步遞增，拉力值的測試結(jié)果也為遞增狀態(tài)，其中1.2 mm 以下孔徑組合合格率可以達(dá)到50%。由此可知，隨著孔間距逐步變大，面料的合格率也逐步降低。那么可以得出，在相同孔徑的狀態(tài)下，孔間距越大，面料所能承受的拉力值也就越小。換言之，越大的孔距對面料表面的破壞程度也就越大，因此面料本身對拉力的承受能力便會(huì)隨之下降。但是就合格率而言，孔徑的大小對面料本身并沒有起到?jīng)Q定性作用，而孔間距的數(shù)值大小，依然是影響面料拉伸強(qiáng)度是否合格的重要因素。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，面料在切口以后所呈現(xiàn)的狀態(tài)趨勢同拉伸強(qiáng)度結(jié)果相似，對面料所能承受拉力值影響的因素，同樣是孔距越大拉力值越大，孔徑越大拉力值越小。但根據(jù)以上切口撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，樣片合格率達(dá)到90%，其中不合格的樣片為僅3組極限值組合。這說明在常規(guī)打孔設(shè)計(jì)組合中，孔徑和孔間距的大小對面料受到撕裂或切割后，不會(huì)因?yàn)榇蚩锥馐艿礁蟮钠茐摹?/p>

（4）此次打孔試驗(yàn)的孔型組合均為常規(guī)循環(huán)孔型。如在設(shè)計(jì)中遇到非循環(huán)組合，或通過打孔呈現(xiàn)大面積花型圖案的設(shè)計(jì)案例，則需要在整個(gè)面料打孔覆蓋面積中，選取孔徑最大、孔間距最小的一部分進(jìn)行取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)的最終結(jié)果可以覆蓋整個(gè)面料。

5 結(jié)束語

在汽車座椅造型設(shè)計(jì)中，打孔作為汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的重要元素，某種意義上也是設(shè)計(jì)趨勢走向的重要信號(hào)?，F(xiàn)階段孔型設(shè)計(jì)不單只局限于常規(guī)孔型，大面積圖案定位循環(huán)或小花型的定位循環(huán)也逐漸成為趨勢。無論是國產(chǎn)品牌還是合資品牌，甚至一些將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)作為家族標(biāo)志的，也開始尋求突破。非常規(guī)孔型的設(shè)計(jì)不斷地涌出，對PVC 面料的特性以及生產(chǎn)工藝的要求也越來越高，同時(shí)對PVC 面料配方的改進(jìn)也會(huì)隨著設(shè)計(jì)的變遷而不斷地提升。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 唐國強(qiáng) 汽車座椅造型設(shè)計(jì)研究[M]，汽車與車輛， 2017.

[2] 徐樹峰， 吳先毅， 李銘儀， 等. 座椅PVC 面料的氣味性能對整車嗅覺感官品質(zhì)的影響[J]. 汽車零部件，2021（06）：9-14.

[3] 李德群， 黃志高. 塑料注射成型工藝及模具設(shè)計(jì)[M].（第2 版）. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 李彬， 黃江玲， 謝靜雅， 等. 汽車座椅PVC 革耐磨性影響因素研究[J].皮革科學(xué)與工程，2019，29（04）：40-43.

[5] 李彬， 熊芬， 胡玉潔， 等. 汽車座椅PVC 革柔軟度影響因素研究[J]. 皮革科學(xué)與工程，2021，31（05）：25-27+38.

作者簡介：

王碩，本科，工程師，研究方向?yàn)槠囓洸馁|(zhì)。