李明 杜徐徐

摘要：隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)保問(wèn)題的重視，新能源汽車(chē)的發(fā)展勢(shì)頭越發(fā)強(qiáng)勁，各國(guó)車(chē)企紛紛加大對(duì)新能源汽車(chē)的研發(fā)投入，但因當(dāng)前電池技術(shù)的局限性，只能通過(guò)降低整車(chē)重量的方法提升產(chǎn)品性能，汽車(chē)座椅作為重量級(jí)內(nèi)飾件，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的必然選擇。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);座椅;輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）01-0151-02

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車(chē)數(shù)量急劇增加，給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)也對(duì)資源、能源和環(huán)境帶來(lái)了不利影響，石油資源短缺，大氣污染，溫室效應(yīng)等因素迫使汽車(chē)技術(shù)向著節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，因此世界各國(guó)鼓勵(lì)新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)和使用。但新能源技術(shù)的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順，存在充電時(shí)間、續(xù)航里程短等問(wèn)題都需要逐一解決，汽車(chē)輕量化雖不能從根本上解決這些問(wèn)題但是能提高新能源汽車(chē)的性能。

座椅作為汽車(chē)重量級(jí)的內(nèi)飾件，新能源汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)工作也更加復(fù)雜?，F(xiàn)有的新能源汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)仍沿襲傳統(tǒng)燃油動(dòng)力汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)原則，沒(méi)有對(duì)新能源汽車(chē)的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和優(yōu)化。研究表明，新能源汽車(chē)座椅的質(zhì)量不到車(chē)輛總質(zhì)量的百分之二，但新能源汽車(chē)座椅的輕量化對(duì)新能源汽車(chē)的整體質(zhì)量有著重要的影響，從技術(shù)、材料兩方面對(duì)新能源汽車(chē)座椅進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最大限度地減輕座椅質(zhì)量，保證座椅功能的安全性，同時(shí)必須考慮到美觀性、舒適性等因素。

1 新能源汽車(chē)座椅輕量化設(shè)計(jì)原則

在新能源汽車(chē)座椅輕量化設(shè)計(jì)方案中，首先需要明確的是輕量化本身并不是目的。而是需要我們?cè)谧屋p量化所付出的成本和收獲的收益之間達(dá)成合適的比例，使采取的輕量化措施是有效的、值得的。在獲益的同時(shí)必須首先考慮風(fēng)險(xiǎn)，即要在安全、舒適的前提下，達(dá)成座椅輕量化的目標(biāo)。

只有在確保座椅安全性的前提下，才能考慮實(shí)現(xiàn)輕量化。輕量化設(shè)計(jì)也遵循木桶理論，輕量化設(shè)計(jì)也存在應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)，這限制了座椅的使用要求，如剛度、強(qiáng)度、使用壽命等?；诶碚撉疤?，需要選擇合適的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)的多層級(jí)過(guò)程，在不同的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸的配合方式中進(jìn)行循環(huán)反復(fù)。汽車(chē)座椅關(guān)系著駕駛?cè)牒统丝偷纳踩?，座椅制造材料的選擇最重要的就是安全性，在保障座椅安全性的前提下，考慮座椅的重量問(wèn)題，其次是材料的成本問(wèn)題，汽車(chē)座椅的大規(guī)模生產(chǎn)勢(shì)必要用到大規(guī)模的材料，如果座椅材料輕量化效果好但成本過(guò)高，就不利于推廣生產(chǎn)使用，因此輕量化原則主要有：不妨礙安全、功能;質(zhì)量更輕，強(qiáng)度更高的材料;先進(jìn)的結(jié)構(gòu);適當(dāng)?shù)某叽?先進(jìn)的制造工藝。

2 新能源汽車(chē)座椅輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)分析

新能源汽車(chē)座椅部件有座椅骨架、座椅泡沫、座椅面套、塑料件和其它小零件。座椅骨架約占整椅質(zhì)量的65%，座椅泡沫約占整椅質(zhì)量的10%、座椅面套約占整椅質(zhì)量的10%，塑料件約占5%，而其它則約占10%[1]。從各個(gè)座椅部件在整椅質(zhì)量中的占比我們可以看出骨架在整椅中質(zhì)量占比最大。所以減輕座椅骨架質(zhì)量能有效實(shí)現(xiàn)座椅輕量化。新能源汽車(chē)普及的同時(shí)，人們對(duì)新能源汽車(chē)的各種研究也隨之展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)座椅骨架輕量化技術(shù)主要有以下四種：

1）拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是目前我們研究座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最有發(fā)展前景的方向，在設(shè)計(jì)中，我們確定設(shè)計(jì)變量是骨架材料單元的密度，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使用的材料最少，約束條件是不低于法規(guī)要求的剛強(qiáng)度，最后根據(jù)得到的結(jié)果來(lái)適當(dāng)調(diào)整以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，使最后方案具有最高的設(shè)計(jì)自由度和最大的設(shè)計(jì)空間。

2）尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化是一種參數(shù)化技術(shù)，我們通過(guò)對(duì)座椅骨架結(jié)構(gòu)件的厚度、直徑等幾何尺寸和模量、強(qiáng)度值等材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減小零件的幾何尺寸和零件厚度，來(lái)達(dá)到輕量化目的的方法。

3）形態(tài)優(yōu)化。形態(tài)優(yōu)化是一種優(yōu)化零件形貌的概念設(shè)計(jì)技術(shù)，在薄壁結(jié)構(gòu)和鈑金件不增加重量的前提下，確定適當(dāng)?shù)男筒膸缀涡螤?，壓延筋的形狀、?shù)量，達(dá)到加強(qiáng)剛度的效果。

4）工藝優(yōu)化。充分利用所有工藝，選擇最優(yōu)工藝，實(shí)現(xiàn)最少的材料使用和最少連接的功能集成，改進(jìn)零件的成型和連接工藝，減少構(gòu)件數(shù)量。

3 新能源汽車(chē)座椅輕量化設(shè)計(jì)材料分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法能降低新能源汽車(chē)座椅的質(zhì)量，但減重效果有限并不能滿(mǎn)足要求，而新的材料應(yīng)用是用低密度材料代替高密度材料，借助輕量化材料在不改變汽車(chē)座椅剛強(qiáng)度，保證行駛安全的前提下，有效減輕汽車(chē)座椅重量。即在材料優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形態(tài)優(yōu)化和工藝優(yōu)化。

3.1 鎂合金

鎂合金強(qiáng)度高、剛性強(qiáng)，比鋁合金更輕，密度是鋁的2/3，鋼的2/9，是理想的新能源汽車(chē)工業(yè)輕質(zhì)材料[2]。隨著鎂合金在新能源汽車(chē)工業(yè)上的用量增加，鎂合金具有原材料廣泛，成本低，生產(chǎn)加工技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)。鎂合金擠壓型材和沖壓板件剛性強(qiáng)、強(qiáng)度高，能有效減少零部件數(shù)量。當(dāng)前座椅骨架中沖壓鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件如前主沖壓板、后主沖壓板、頭枕支架、中間鉸軸加強(qiáng)板、側(cè)邊鉸軸加強(qiáng)板可以被鎂合金擠壓型材和沖壓板件一體式結(jié)構(gòu)替代。在鎂合金板材上設(shè)置加強(qiáng)筋提高剛度并加強(qiáng)連接件之間的連接。與鋼骨架相比，鎂合金骨架不需要多次彎曲、沖壓、沖孔，工藝會(huì)更加的簡(jiǎn)單，大大降低成本。

鎂合金座椅骨架能有效的減輕整椅質(zhì)量，鎂合金與鎂合金之間的連接采用氬弧焊，盡量分段焊接，減少焊接變形。但需要注意的是當(dāng)鎂合金連接鋼鐵材料時(shí)，因?yàn)閮煞N材料間存在電位差，會(huì)產(chǎn)生腐蝕影響座椅使用壽命，所以采用環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠連接、鉚接孔.鋁鉚釘?shù)冗B接方法能提高結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度規(guī)避電化腐蝕的影響。鎂合金骨架剛度、強(qiáng)度、連接方法、可靠性均能達(dá)到相關(guān)法規(guī)的要求，與鋼骨架相比能有效降低百分之五十的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車(chē)座椅輕量化目標(biāo)。

3.2 鋁合金

鋁合金密度低、強(qiáng)度較高、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性高，吸收沖擊能力強(qiáng)，密度是鋼的1/3，在汽車(chē)工業(yè)中已大量應(yīng)用[3]。鋁合金在汽車(chē)工業(yè)上應(yīng)用早，技術(shù)成熟，開(kāi)發(fā)成本低。

鋁合金骨架主要結(jié)構(gòu)件有靠背、邊板、椅架?？勘呈瞧?chē)座椅主要承壓件，邊板連接靠背和椅架，椅架焊接在椅腳固定座上，是最大的承壓件。由低壓鑄造的鋁合金座椅靠背、沖壓鋁合金邊板、軋制鋁合金椅架組合而成的鋁合金骨架與鋼骨架相比能有效降低百分之四十重量。骨架中結(jié)構(gòu)件多采用焊接和螺栓連接，需要注意的是鋁合金骨架滿(mǎn)足相關(guān)法規(guī)的鋼度強(qiáng)度要求，但從整體上看鋁合金骨架上應(yīng)力分布不均勻，多集中于各部件連接處，所以螺栓連接更安全可靠。使用鋁合金座椅骨架不僅能減輕新能源汽車(chē)整椅的重量，使新能源汽車(chē)整體重量下降，減少油耗，還有著良好的減震性，可以提高駕駛員和乘客的乘坐舒適性。鑄造整體式鋁合金零部件能有效減少零部件數(shù)量，大大減少了零件焊點(diǎn)數(shù)量，減少焊接和裝配工序。采用低壓鑄造成型工藝的零部件還可進(jìn)行熱處理，進(jìn)一步提高強(qiáng)度，而且低壓成型鑄件結(jié)構(gòu)緊密，性能更好，更有利于生產(chǎn)薄壁鑄件。鋁合金是良好的輕量化材料，但也存在局部拉伸性不好，容易產(chǎn)生裂紋，易形變，表面易碰傷等問(wèn)題。

3.3 高強(qiáng)度鋼

相比鎂、鋁合金，高強(qiáng)度鋼在碰撞性能上有著明顯優(yōu)勢(shì)。高強(qiáng)度材料一般分為低強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼。屈服強(qiáng)度低于210Mpa的鋼為低強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度在210Mpa～550Mpa的鋼為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度大于550Mpa的鋼為超高強(qiáng)度鋼[4]。在汽車(chē)制造領(lǐng)域鋼材料應(yīng)用廣泛，超高強(qiáng)度鋼制作的座椅骨架與鋼骨架相比能有效降低25%重量，而且成本低，很適合作為一種新能源汽車(chē)座椅骨架的輕量化材料。

采用高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼制作的汽車(chē)骨架抗變形能力強(qiáng)，吸收沖擊能力強(qiáng)，彈性應(yīng)變區(qū)域大，所以高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)座椅骨架輕量化應(yīng)用主要通過(guò)減薄零件厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。但由于高強(qiáng)度鋼的延展性低，易產(chǎn)生加工硬化等一系列問(wèn)題，限制了高強(qiáng)度鋼在新能源汽車(chē)骨架輕量化方面的應(yīng)用。同時(shí)，高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)座椅減重、安全性方面有顯著優(yōu)勢(shì)，但高強(qiáng)度鋼可焊性較差，隨著強(qiáng)度增加還會(huì)出現(xiàn)沖壓性變差，回彈量變大等問(wèn)題。

3.4 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是碳纖維和金屬、陶瓷、樹(shù)脂等復(fù)合形成的結(jié)構(gòu)材料。碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，密度是鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度卻在3500Mpa以上l51，對(duì)酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)有很好的耐受能力，很適合替代金屬材料來(lái)制作座椅骨架。相比鎂、鋁合金，高強(qiáng)度鋼等金屬材料，碳纖維復(fù)合材料在減振性能有著明顯優(yōu)勢(shì)，根據(jù)纖維材料，含量的不同，其性能具有較寬的變化范圍。同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有高抗變形性、耐腐蝕性、高疲勞的優(yōu)點(diǎn)。

碳纖維復(fù)合材料不僅能滿(mǎn)足新能源汽車(chē)座椅的剛強(qiáng)度需求，還能減輕座椅質(zhì)量。只要降低生產(chǎn)成本和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，碳纖維就能得到廣泛應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料座椅骨架主要分為上橫梁、下橫梁和側(cè)板三部分，上橫梁采用真空袋成型，下橫梁和側(cè)板采用層壓模壓成型，碳纖維和鋁合金復(fù)合所制骨架是一體化成型，通過(guò)結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路貫穿產(chǎn)品整個(gè)成型過(guò)程，大幅減少骨架零部件數(shù)量和焊接點(diǎn)，不僅滿(mǎn)足相關(guān)法規(guī)的剛度與強(qiáng)度要求，而且還能減少連接件數(shù)量和制造成本。

在實(shí)現(xiàn)材料的輕量化的前提下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化尺寸等設(shè)計(jì)，如拓?fù)鋬?yōu)化、有限元分析，通過(guò)改變零件的尺寸和結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足新能源汽車(chē)座椅安全性、舒適性等要求的前提下，達(dá)到新能源汽車(chē)座椅輕量化目的。

4 結(jié)論

綜上所述，結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重效果有限，采用輕量化材料成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)座椅輕量化的首選途徑，簡(jiǎn)而言之，就是用性能參數(shù)更高的，更輕的材料代替體積質(zhì)量比較大的部位材料。因此，采用單一的材料會(huì)存在局限性，輕量化效果不明顯，不能有效的加強(qiáng)新能源汽車(chē)的性能。就輕量化效果而言，碳纖維、鎂合金更具優(yōu)勢(shì)，但較高的原材料成本和新材料的加工工藝會(huì)才成為新能源汽車(chē)座椅輕量化的主要障礙。

參考文獻(xiàn)

[1]張光亞，龔云云，程明.某微車(chē)座椅骨架的輕量化拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2018，8 （06）：36-43.

[2]高云凱，林典，余海燕，等.鎂合金在座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然 科學(xué)版），2009，37 （07）.

[3]馬鳴圖，游江海，路洪洲汽車(chē)輕量化以及鋁合金汽車(chē)板的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2009 （09）：34-37.

[4]戰(zhàn)磊，孫軍，何金光，等.汽車(chē)座椅骨架輕量化的研究概況[J].汽車(chē)零部件，2015 （11）：68-73.

[5]佳工.基于碳纖維的低成本座椅制造工藝開(kāi)發(fā)成功[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015 （1）：23-23.