楊麗，王瑩，王躍貞，楊黎

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

座椅骨架強(qiáng)度分析及零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化

楊麗，王瑩，王躍貞，楊黎

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

文章以一種單邊角調(diào)式座椅靠背骨架結(jié)構(gòu)為例，分析零部件材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)座椅骨架總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。應(yīng)用有限元方法、理論分析以及與試驗(yàn)驗(yàn)證方法對(duì)單邊角調(diào)式座椅靠背骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，并滿足強(qiáng)度要求,可為單角調(diào)式座椅靠背骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方向提供參考。

座椅靠背骨架；有限元分析；設(shè)計(jì)優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.022

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-63-03

引言

汽車座椅屬于汽車的基本裝置，是汽車的重要安全部件，其主要作用是為乘員提供支撐、確定乘員位置，提供乘員駕乘舒適性以及保護(hù)乘員不受傷害。隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，如何在保證安全等級(jí)不降的前提下，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)行成本控制是當(dāng)前很多主機(jī)廠研究的重要課題之一。

座椅的安全性主要取決于骨架強(qiáng)度；座椅骨架是由靠背骨架和坐墊骨架及核心件三部分組成，并由安裝支腳通過(guò)螺栓固定在車身橫梁上；其中座椅的核心件一般包括角調(diào)器總成、高調(diào)器總成和滑軌總成等，這些核心件一般是由專業(yè)廠家設(shè)計(jì)制造，產(chǎn)品質(zhì)量一致性和通用性較高。

座椅靠背骨架總成是一般是由鋼管框架、左右角調(diào)器總成（角調(diào)上下連接板和角調(diào)器核心件）、側(cè)面支撐鋼絲以及靠背彈簧等組成，如圖1所示。中高端車型一般采用沖壓件框架替代鋼管框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)前市場(chǎng)上A0級(jí)以下的車型成本壓力巨大，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查62款A(yù)0級(jí)以下車型低配前座椅骨架，其中單邊角調(diào)骨架 43款，約占70%；可見(jiàn)單邊角調(diào)座椅骨架是A0級(jí)以下車型主流配置。

本文以某單邊角調(diào)式座椅靠背骨架為例，用有限元方法分析座椅骨架及零部件受力情況，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比；參照有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以滿足設(shè)計(jì)要求。

1、有限元分析工況與試驗(yàn)方法差異對(duì)比

1.1金屬材料耐久性與靜強(qiáng)度關(guān)系

就鋼材而言，當(dāng)其承受正、負(fù)相等的交變應(yīng)力時(shí)，其疲勞強(qiáng)度（材料承受的最大應(yīng)力值）隨材料可以承受的交變次數(shù)的增加而減小，如圖2所示；當(dāng)可以承受的交變次數(shù)達(dá)到107次以上時(shí)，疲勞強(qiáng)度就變成了一個(gè)固定值，稱其為持久極限。持久極限一般只有靜強(qiáng)度的40%～50%，當(dāng)應(yīng)力低于持久極限時(shí)，材料具有無(wú)限壽命。

因此可以通過(guò)FEA，模擬靜強(qiáng)度試驗(yàn)，考察骨架應(yīng)力變化趨勢(shì)是否與試驗(yàn)結(jié)果保持一致。以此為依據(jù)，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，比對(duì)優(yōu)化前后的分析結(jié)果，考量結(jié)構(gòu)優(yōu)化是否合理有效。

1.2有限元分析工況與試驗(yàn)方法差異對(duì)比

試驗(yàn)方法：將座椅按照設(shè)計(jì)位置固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，在座椅靠背頂端中間位置，沿垂直于假人軀干線方向，相對(duì)于“H”點(diǎn)施加指定的力矩，并加卸載循環(huán)指定次數(shù)。試驗(yàn)后座椅骨架無(wú)松動(dòng)、斷裂。

有限元分析工況：

1)加載方式

施加相對(duì)靜載荷試驗(yàn)力矩兩倍載荷于靠背頂端中間位置，方向垂直于靠背，如圖3。

2)約束條件

約束4個(gè)支腳安裝孔所有節(jié)點(diǎn)1-6方向自由度。

試驗(yàn)為耐久性試驗(yàn)：有限元分析是進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，其載荷為耐久試驗(yàn)的2倍。可通過(guò)靜強(qiáng)度分析的骨架應(yīng)力分布圖與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行趨勢(shì)性對(duì)比。

1.3有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)中上連接板焊接邊緣處撕裂，F(xiàn)EA結(jié)果在焊接邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中；考慮焊接引起的材料脆化和焊接缺口，加劇材料破壞。FEA結(jié)果中應(yīng)力分布與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)吻合。

2、骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比

表1 骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比表

2.2分析結(jié)果對(duì)比

表2 FEA結(jié)果對(duì)比

從以上分析結(jié)果可以看出，在骨架其他零部件材料和結(jié)構(gòu)不變的情況下，更改連接板的結(jié)構(gòu)，選用強(qiáng)度較低的材料，也可以提高骨架整體性能。但若材料強(qiáng)度選用過(guò)低，也會(huì)有失效風(fēng)險(xiǎn)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱處增加加強(qiáng)筋會(huì)提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用，既可提高骨架整體強(qiáng)度，也可降低原材料成本。

3、結(jié)論

（1）從試驗(yàn)結(jié)果和FEA結(jié)果對(duì)比來(lái)看，單角調(diào)連接板結(jié)果應(yīng)避免mod0中的結(jié)構(gòu)；

（2）在受力較大部位結(jié)構(gòu)盡可能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，減少折彎以及結(jié)構(gòu)的突變；

（3）在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱處應(yīng)增加翻邊和加強(qiáng)筋，提高局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

（4）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免焊接質(zhì)量對(duì)骨架性能的影響，若無(wú)法規(guī)避，則焊接時(shí)需注意，鋼管與單角調(diào)連接板焊接時(shí)不可在連接板邊緣處焊接，焊接引起的材料脆化和焊接缺口會(huì)加劇材料破壞；

（5）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用，既可提高骨架整體強(qiáng)度，也可降低原材料成本。

[1] 孫井晶,周炳海.汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)的改善[J].機(jī)械制造,2009(11).

[2] 付斌.材料性能[N].材料科學(xué)與工程學(xué)院,2011.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)(第5版)[M].北京：中國(guó)高等教育出版社,2011.

Strength analysis of seat frame and optimum structural design

Yang Li, Wang Ying, Wang Yuezhen, Yang Li
（Chery Automobile Co., Ltd., Anhui Wuhu 241009）

Taking the seatback frame with the single adjustor as an example, the influence of the structural design and the material using on the strength of the seat frame is analyzed. FEA, theoretical analysis and experimental verification are applied to optimize the frame structure of the seatback. Provide the design reference and optimization direction for the seat back frame structure with single adjustor.

single adjustor; seatback frame; FEA; design optimization

U463.9

A

1671-7988（2015）09-63-03

楊麗，座椅工程師，就職于奇瑞汽車工程技術(shù)研發(fā)總院，目前主要從事座椅開(kāi)發(fā)工作。