某車型座椅安裝點拉脫故障分析

龐 慶，陸毅初，黎 海，謝貴山

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

汽車安全座椅是汽車普遍采用的安全裝備，是一種有效的成員保護裝置。為使座椅在汽車上能充分發(fā)揮作用，除本身的結構和強度外，座椅在車身上的安裝強度也至關重要。車身座椅結構強度要保證可靠不失效，同時座椅與車身的連接結構強度也必須得到保障。在碰撞事故極限情況下，如果座椅安裝點區(qū)域發(fā)生失效，成員失去了固定支撐，可能會造成人員傷亡的情況。

應國家對汽車駕駛員、乘客安全要求，安全帶作為車輛使用過程中，對乘客起關鍵保護作用的關鍵部件，要求安全帶或約束系統(tǒng)的設計和制造應滿足，當正確安裝和由乘員正常使用時，其功能正常，并在交通事故中降低對身體的傷害程度。為保證設計要求，當新產品，新車型投入市場之前，必須要經過安全帶相關拉力試驗，檢驗設計是否符合國家相關安全要求。如產品不滿足要求，則必須更改，否則不予批準上市。

1 某車型安全帶拉力法規(guī)試驗故障介紹

某車型在試驗室做安全帶拉力法規(guī)臺架試驗，由試驗設備利用伸縮氣缸，通過加載到人體模擬塊上，對試驗白車身座椅施加拉力，白車身通過螺栓固定于試驗地板上。另利用激光劃線儀儀器，對座椅安全位移進行劃線測量。具體試驗中對人體模塊施加13 500 N±200 N的試驗載荷，再施加一個相當于座椅總成質量20倍的力，并保持0.2 s。試驗完成后，發(fā)現(xiàn)后排4/6分座椅中間座椅安裝點被拉脫出，導致座椅前移量超出期限范圍，造成試驗失敗。經詳細查看座椅安裝點拉脫出位置，車身結構鈑金被焊接螺母拉脫穿出，造成鈑金破壞形成一個撕裂口，并且裂口大小和螺母大小一致。座椅安裝點螺母脫出車身鈑金故障情況見下圖1所示。

圖1 試驗車輛車身座椅安裝結構螺母拉脫出故障

2 座椅安裝點拉脫故障分析

2.1 座椅安裝點拉脫故障的產生

座椅通過螺栓連接固定在下車體車身結構上，車身結構提供焊接螺母擰緊螺栓，在安全帶拉力法規(guī)試驗中，通過對人體模型加載拉力，拉力通過安全帶傳遞到座椅骨架上，座椅骨架又通過螺栓連接傳遞到下車體車身結構上。車身結構安裝螺母位置沿座椅腳方向受拉力作用，當拉力超過下車體車身結構最大應變極限時，車身結構將會被拉脫破壞。座椅拉脫出后失去固定點支撐，座椅將前移且移動量超出國家安全法規(guī)規(guī)定范圍，最終造成試驗失敗。

2.2 座椅安裝點拉脫故障原因分析

按照以上故障原理分析，展開座椅安裝點位置車身鈑金拉脫故障具體原因調查。發(fā)現(xiàn)安裝螺母和鈑金有效重疊接觸面積過小，寬度方向上只有2.9 mm，單位面積上受力集中，易超出車身結構應變承載最大極限；另外車身座椅安裝螺母結構單一，缺少螺母加強板，安裝結構抗拉強度不足。以上兩方面導致在安全帶拉力試驗過程中，受拉力作用，拉脫出位置車身最大應變超過了結構所承受的應變極限，導致產生螺母被拉脫穿出鈑金的故障。故障車輛車身座椅安裝結構見下圖2所示。

圖2 試驗故障車輛車身座椅安裝處結構

3 座椅安裝點結構改進和實施方案

根據(jù)以上故障原因分析結果，實施以下兩點改進：一方面增加安裝點受力面積，使受力均勻，應力分散，消除拉力時單位面積應力過于集中的風險；另外提高車身座椅安裝結構的抗拉強度，降低試驗時被拉脫的風險。結合現(xiàn)有車身結構特點，車身座椅安裝結構實施以下具體改進方案：一方面變更焊接螺母形式，采用帶法蘭盤結構焊接螺母，取代原來的普通焊接螺母，可以有效地增加受力面積；另一方面增加螺母板，選用高強度材料SAPH440進行酸洗，t=1.8 mm，通過增加拉脫位置的車身結構鈑材厚度方式，提高車身座椅安裝結構的抗拉強度[1-2]。以上兩方面的車身改進結構如圖3所示。

圖3 車身座椅安裝結構改進方案說明

4 有限元分析

有限元技術經過幾十年的發(fā)展和完善，其理論不斷成熟，并隨著在工程技術領域中的成功應用，受到工程技術界的好評，因為有限元方法簡單高效，成為工程分析領域中最為廣泛的分析方法。有限元即可完成簡單的結構分析任務，縮短了汽車產品的開發(fā)周期，同時降低生產成本，仿真分析也為實車試驗提供指導，減少實車實驗次數(shù)。

針對改進后的座椅安裝點車身結構，運用UG三維軟件建立座椅安裝點車身改進結構的幾何模型，然后把模型導入到ANSYS軟件里面，建立座椅安裝車身結構的有限元模型。利用Hypermesh軟件對有限元模型進行網格化處理，整車模型建立完成以后，在整車前懸，后懸增加約束，輸入安全帶法規(guī)拉力試驗模擬載荷，在有限元模型下，對改進后的座椅安裝車身結構進行最大強度應變分析[3]。

根據(jù)模擬分析結果顯示，座椅安裝螺母位置最大強度應變由0.106降低到0.048，降低幅度達到55%，改善效果非常良好，對比分析結果如下圖4所示。

圖4 車身座椅安裝結構原方案和改進方案最大應變對比結果

5 重新安排座椅安全帶拉力法規(guī)試驗

為驗證改進方案以及理論分析方向的有效性，在改進方案確認以后，制作新樣件重新安排造車，上臺架進行第二排4/6分座椅安全帶拉力法規(guī)試驗，進行改進方案驗證。試驗過程中，臺架設備及約束加載方式保持和拉脫故障試驗中的一樣，排出外界因素影響。試驗中同樣對人體模塊施加13 500 N±200 N的試驗載荷，再施加一個相當于座椅總成質量20倍的力，并保持0.2 s[4]。根據(jù)最新驗證試驗結果顯示：座椅頭枕位移量沒有超出國家法規(guī)規(guī)定的期限范圍，鈑金最大應變在車身合理范圍之內，座椅安裝固定點沒有失效，證明了改進方案取得良好效果，滿足了國家安全帶拉力法規(guī)要求，試驗驗證效果見圖5所示。

圖5 車身座椅安裝結構改進方案試驗驗證效果

6 結論

在汽車座椅安裝位置結構設計過程中，車身結構鈑金處最大應力應變分析，是影響ISOFIX系統(tǒng)強度分析的重要組成部分，方案設計時要同時考慮鈑金抗拉強度、最大應力應變、凸焊螺母接觸面大小等關鍵因素影響，同時需分析關聯(lián)座椅安裝點，安全帶布置方式的變化，最終確定合理的車身結構方案。

本文通過安全帶拉力法規(guī)實驗中螺母拉脫故障實際案例，分析出座椅安裝螺母拉脫出來的主要原因是安裝點位置接觸面積過小，抗拉強度不足，最大應變超出車身鈑材極限。輔助利用有限元軟件分析工具，進一步確認了故障發(fā)生的要因。最后結合原因對4/6分座椅安裝點結構提出改進方案，且利用有限元軟件進行理論校核，最后進行實際車輛試驗驗證。形成一個完整閉環(huán)的問題解決過程，整個問題的解決思路和過程方法，可以為后續(xù)車型車身結構優(yōu)化設計方面，提供寶貴歷史經驗。