座椅骨架強度與零部件設(shè)計優(yōu)化研究

徐敬超 梁磊

摘 要：汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對汽車內(nèi)部的材料、設(shè)置等也提出了較高的要求。本文針對汽車座椅，研究座椅骨架的強度和座椅零部件的設(shè)計問題，本文將以單邊角調(diào)靠背骨架作為研究對象，從“座椅的概述”著手，引出了有限元分析工況與試驗方法差異對比問題，并主要在差異對比和結(jié)果對比兩個方面進行了詳細(xì)論述，在文章中，還分析了座椅骨架結(jié)構(gòu)和零部件的設(shè)計優(yōu)化問題，并最終得出相關(guān)結(jié)論，以期為座椅骨架強度與零部件設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車座椅；骨架強度；零部件；設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號： U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）15-189-2

0 引言

汽車基本裝置中包括座椅，作為基本裝置的一部分，座椅也是汽車安全部件的重要部分，座椅的設(shè)置主要是為了提供支撐、確定位置，讓乘員在駕乘的過程中能夠感受到舒適感，并起到保護的作用，在突發(fā)狀況使保證乘員不受到身體傷害。而汽車行業(yè)的激烈競爭對座椅的安全性也提出了更高的要求，而怎樣才能在保證原來的安全等級的前提下，優(yōu)化座椅產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、控制座椅成本就成了當(dāng)前絕大多數(shù)主機廠著重注意和研究的問題。

1 關(guān)于座椅的概述

既然強調(diào)座椅的安全性，那么首先要了解決定座椅安全性的主要因素，座椅的骨架強度是其安全性的影響因素，并且是主要影響因素。一般的汽車座椅骨架由三部分組成，分別是：靠背骨架、坐墊骨架、核心件，而且座椅的安裝支腳要經(jīng)螺栓起到固定作用，使之可以被固定在車身的橫梁部位上。其中，汽車座椅的核心件也是由一些子部分構(gòu)成，主要是滑軌總成、高調(diào)器總成、角調(diào)器總成等，對于核心件的質(zhì)量要求嚴(yán)格，所以一般由專業(yè)的廠家來設(shè)計、制造核心件，除了嚴(yán)格要求產(chǎn)品的質(zhì)量外，對所有部件質(zhì)量的一致性、通用性等要求也比較高。[1]

一般汽車座椅靠背骨架總成由四部分組成，不僅包括鋼管框架、靠背彈簧、側(cè)面支撐鋼絲，還包括左右角調(diào)器總成，這一部分又是由兩個部分組成的，角調(diào)上下連接板、角調(diào)器核心件組成了左右角調(diào)器總成，如圖1。當(dāng)前，一般的中高端車型都用“沖壓件框架”來替代傳統(tǒng)的汽車座椅鋼管框架的靠背結(jié)構(gòu)。但一般低配置的車型用的是單邊角調(diào)座椅骨架，本文將以單邊角調(diào)靠背骨架為研究對象，來分析骨架強度和零部件的優(yōu)化設(shè)計問題，從而分析出汽車座椅骨架和相關(guān)零部件的受力情況，通過有限元分析和試驗結(jié)果的對比，優(yōu)化零部件設(shè)計，從而滿足骨架設(shè)計和使用要求。

2 有限元分析工況與試驗方法差異對比

有限元分析主要是利用數(shù)學(xué)等方法模擬真實的物理系統(tǒng)，如幾何、載荷工況等，并利用簡單的、相互作用的元素（單元），用有限數(shù)量的未知量逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。就汽車座椅使用的鋼材情況來分析，當(dāng)剛才承受著正、負(fù)兩種交變應(yīng)力相等時，那么材料所承受的最大應(yīng)力值（材料疲勞度）就會隨著鋼材材料交變次數(shù)的增大而逐漸變小（見圖2）。[2]根據(jù)圖2的坐標(biāo)可以看出，當(dāng)材料所承受的交變次數(shù)達(dá)到了107次以后，其疲勞度就發(fā)展成為一個固定的數(shù)值，那么也就達(dá)到鋼材材料的持久極限值。一般來講，材料的持久極限相對于靜強度是比較小的，一般只占靜強度的50%左右，如果交變應(yīng)力始終小于持久極限值，那么鋼材材料就具有了無限的使用壽命。

通過有限元分析來模擬材料靜強度的試驗，可以考察座椅骨架的應(yīng)力變化情況與試驗的結(jié)果是否能夠保持一致。那么作為依據(jù)，可以為優(yōu)化座椅和零部件結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，并分別對比、分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的結(jié)果，得出結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理性和有效性的結(jié)論。

2.1 差異對比

具體的試驗方法如下：

將汽車座椅牢牢固定于試驗臺架之上，注意要嚴(yán)格按照事先設(shè)計好的位置，并在汽車座椅靠背的頂端中間部分，沿著垂直于人體模特軀干的方向施加指定力矩，那么就也相當(dāng)于是在“H”點的部分，并加、卸載循環(huán)指定次數(shù)。在試驗完成之后發(fā)現(xiàn)，汽車座椅的骨架并沒有松動或斷裂的情況出現(xiàn)。[3]

在加載方式方面進行分析：對座椅施加的相對靜載荷試驗力矩，要求是兩倍載荷于座椅靠背的頂端中間部分，保持施加方向要垂直于座椅的靠背。

在約束條件進行分析：約束汽車座椅的4個支腳安裝孔，并要對所有的節(jié)點（從1至6，6個方向的自由度）進行約束。該試驗是對座椅的耐久性進行的試驗，在進行座椅的靜強度分析時，注意要保證載荷是耐久性試驗的二倍。這樣才能得出座椅靜強度分析的應(yīng)力分布圖例，并進而完成與試驗結(jié)果的趨勢性對比。

2.2 結(jié)果對比

經(jīng)過多方面的試驗和分析，得出了相對完善的結(jié)果。在幾次試驗的過程中，將板焊接邊緣處的撕裂部分連接上，有限元分析的結(jié)果在焊接邊緣的位置會產(chǎn)生座椅應(yīng)力的集中，考慮到因為焊接而引起的鋼材材料的脆化問題和焊接缺口問題，破壞了鋼材材料。有限元分析的結(jié)果中，可見應(yīng)力的分布和試驗的結(jié)果是相對吻合的（見圖3）。

3 座椅骨架結(jié)構(gòu)與零部件的設(shè)計優(yōu)化分析

如果汽車座椅的骨架結(jié)構(gòu)不變，其他的零部件材料和結(jié)構(gòu)也保持不變，在這樣的情況下更改座椅連接板結(jié)構(gòu)，那么此時選擇使用材料強度比較低的鋼材，同樣有可能提高座椅的骨架整體性。但如果鋼材材料的強度過低，就會造成材料失效的危險，在座椅結(jié)構(gòu)強度比較薄弱的部分，如果增加一定數(shù)量的加強筋，則會使座椅整體結(jié)構(gòu)的強度得到明顯提升。此外，科學(xué)合理的座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼材材料選擇，不但可以提高座椅骨架的整體強度，還可以有效降低鋼材原材料的成本。

4 結(jié)束語

通過分析、研究，試驗和對比得出了以下結(jié)論：第一，汽車座椅受力比較大的部位結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量使用簡單的設(shè)計，進而使材料的折彎和結(jié)構(gòu)的突變情況得到減少；第二，在座椅的結(jié)構(gòu)強度比較薄弱的位置應(yīng)該增加一定的翻邊和加強筋，進而使座椅局部的結(jié)構(gòu)強度得到提高；第三，骨架強度和零部件優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)該注意焊接質(zhì)量的問題，因為焊接質(zhì)量會對座椅骨架的性能產(chǎn)生較大影響，如果質(zhì)量問題得不到規(guī)避，就需要在焊接時多加注意，以免在焊接時引起材料脆化問題，并避免因焊接缺口而加劇鋼材材料的破壞；第四，對于汽車座椅的質(zhì)量和舒適性而言，需要注意座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性和座椅材料的選用問題，不僅要能夠提高座椅骨架的整體強度，還要實現(xiàn)對座椅原材料成本的控制。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王吉昌.汽車座椅骨架輕量化及被動安全研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2011.

[2] 楊麗，王瑩，王躍貞，楊黎.座椅骨架強度分析及零部件設(shè)計優(yōu)化[J].汽車實用技術(shù)，2015，09：63-64+96.

[3] 蔡俊.國產(chǎn)座椅架骨盆結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化[D].武漢理工大學(xué)，2011.