汽車座椅輕量化研究進展

丁美娟

廣汽零部件有限公司技術(shù)中心，廣東廣州 510300

0 引言

汽車已成為人們?nèi)粘３鲂兄胁豢苫蛉钡囊徊糠?。不論是以化石燃料為主要動力來源的燃油汽車，還是目前國家大力推動的新能源汽車，如何在能耗相同的情況下，使汽車的駕駛里程更長，是目前車輛工程領(lǐng)域內(nèi)的一個熱門的研究課題。

汽車的輕量化就是在保證整車強度和剛度的前提下，通過結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計及輕量化材料的使用，達到減輕整車質(zhì)量的目的。有研究表明，當整車質(zhì)量降低10%，燃油汽車的燃油效率可提高6%～8%。具體而言，汽車整車質(zhì)量每減少100 kg，其百公里油耗可降低0.3～0.6 L。對于電動汽車而言，整車質(zhì)量每減少10%，其續(xù)航里程可增加5.5%。

汽車座椅的比重占整車質(zhì)量的8%，在所有汽車零部件系統(tǒng)中排在第四位。所以汽車座椅輕量化相關(guān)研究，對于整車質(zhì)量的降低至關(guān)重要。已有多家汽車零部件企業(yè)，對不同品牌的汽車座椅進行輕量化開發(fā)。文中重點綜述了國內(nèi)外關(guān)于汽車座椅相關(guān)的輕量化研究進展，針對輕量化原理、角度以及目前存在的困難展開討論，為今后汽車座椅的研發(fā)提供一定的參考。

1 汽車座椅輕量化的方法

目前減少整車質(zhì)量的方法主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料輕量化以及制造工藝3個方向入手，而汽車座椅作為重要汽車零部件之一，實現(xiàn)其輕量化的方法與整車所采用的方法基本一致。

1.1 產(chǎn)品輕量化設(shè)計

拓撲優(yōu)化是對座椅骨架等進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方法，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程是：先對座椅結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，再簡化模型，然后將該模型按照相關(guān)規(guī)定進行模擬受力過程分析，之后對結(jié)果中可能存在應(yīng)力集中位置處進行不斷結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到輕量化座椅骨架。

盧建志等對某汽車座椅骨架進行了拓撲優(yōu)化，研究結(jié)果表明:在輕量化拓撲優(yōu)化設(shè)計后，該座椅骨架質(zhì)量降低為原座椅骨架的85%。姚為民等采用拓撲優(yōu)化的方法對某汽車座椅進行了輕量化設(shè)計，質(zhì)量降低為原座椅骨架質(zhì)量的89.6%。陳紅飛等利用HyperMesh對模型進行網(wǎng)格劃分，利用Optistruct求解器對網(wǎng)格模型進行靜強度分析滿足標準要求，之后進行材料輕量化設(shè)計，使座椅最終達到減重32.96%。

1.2 輕量化材料應(yīng)用

在推進汽車減重進程中，復(fù)合材料、輕質(zhì)合金材料、鍍鋅高強度鋼、異種材料和特種材料等，被廣泛地應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，成為汽車中包括零部件和車身等制造原料。在不改變座椅結(jié)構(gòu)的情況下，使用密度小的材料，可有效降低產(chǎn)品質(zhì)量。目前汽車座椅上，座椅骨架的質(zhì)量占整椅質(zhì)量60%以上，因此減輕骨架質(zhì)量，可以有效地降低汽車座椅質(zhì)量，實現(xiàn)座椅輕量化。目前汽車座椅上使用較多的新材料主要包括金屬材料如鎂合金、鋁合金、高強度鋼等，非金屬材料如由纖維增強的熱塑性、熱固性復(fù)合材料等。

1.2.1 金屬材料

金屬材料由于其強度高，成為汽車座椅骨架的主流材料。座椅骨架是整椅中主要支撐且承受載荷的結(jié)構(gòu)，座椅在整車上作為與乘員最直接接觸的安全件，對座椅骨架的強度、剛度要求非常高。汽車座椅骨架最常使用的材料為各類合金鋼，由于傳統(tǒng)金屬材料其本身密度高，且相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計受到加工手段的限制，故制品都十分笨重。而采用鎂合金、鋁合金等輕質(zhì)金屬，材料本身密度低，結(jié)構(gòu)設(shè)計多樣，其制品減重明顯。為實現(xiàn)其產(chǎn)品質(zhì)量的減少，在2018年國際汽車零部件展覽會上，安道拓展示了其使用高強度鋼與薄壁矩管材料成功減輕座椅骨架質(zhì)量，并將模塊化、功能化的零件和模具設(shè)計理念引入進來，提升其通用性，進而縮短研發(fā)周期；李爾的新一代ECO座椅骨架，也同樣采用了高強度鋼作為座椅骨架原料，可以使汽車座椅質(zhì)量較之前的版本減輕20%左右，其更加靈活的結(jié)構(gòu)使該骨架同時具有模塊化和通用性的特點。

張光亞等通過將新的鋁合金材料應(yīng)用到座椅骨架上，使得骨架總成靜強度、剛度均達到相關(guān)標準且比原結(jié)構(gòu)方案有所提高，骨架質(zhì)量減輕了46.6%。高云凱等應(yīng)用鎂合金材料以及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，使座椅后排骨架質(zhì)量共計減輕了41.3%。徐棟愷等將超高強鋼應(yīng)用到座椅骨架的部分零件，各零件均減輕25%～35%。

1.2.2 非金屬材料

汽車座椅上使用的較多的非金屬材料主要是塑料及其復(fù)合材料。與金屬材料相比，非金屬材料具有質(zhì)量輕、強度優(yōu)異等特點。目前，汽車座椅上的塑料件主要有座椅護板、手動座椅調(diào)節(jié)手柄、電動座椅調(diào)節(jié)開關(guān)、扶手杯托、頭枕導(dǎo)套等。

目前非金屬材料在整車輕量化中的應(yīng)用已十分廣泛，在日本美國等汽車工業(yè)發(fā)達的國家，車用高分子材料占全車身材料近12%，與金屬材料相比，近年來高分子材料在汽車上的應(yīng)用得到了空前絕后的發(fā)展。2021款豐田塞納為克服上一代第三排座椅質(zhì)量大，導(dǎo)致車身笨重的缺點，座椅背板設(shè)計采用了巴斯夫含有質(zhì)量分數(shù)為35%的玻纖增強尼龍(PA)原料，在研發(fā)過程中使用Ultrasim熱塑性材料成型仿真軟件，得到第一款全注塑座椅靠背。該靠背在滿足座椅的延伸率、沖擊強度要求以外，同時滿足其作為承重地板的強度要求。最終該款非金屬材料背板組裝而成的第三排整椅減小30%，合計節(jié)省15%的成本。

張云青等論證了前端框架日趨精益輕量化的趨勢，重點討論了全塑前端模塊的目前發(fā)展狀況。陳杰龍通過對全塑翼子板材料的選擇與討論，最終成功制備出質(zhì)量減輕40%的塑料翼子板，并且具有良好的吸能性，在汽車發(fā)生碰撞的時候自行恢復(fù)。張松峰等綜述了EPP材料在整車內(nèi)飾件上的應(yīng)用，與傳統(tǒng)坐墊發(fā)泡對比，EPP可以在座椅坐墊中起到鋼材骨架的作用，使得汽車座椅獲得較大減重比。汪慶洋研究了碳纖維材料替換汽車后排金屬座椅骨架的方案，最終設(shè)計出比金屬骨架減重40%的碳纖維座椅骨架。汽車零部件供應(yīng)商赫氏也積極與原材料供應(yīng)商展開合作，已成功開發(fā)出一種碳纖和木纖共混增強的復(fù)合材料座椅，這種輕量化的座椅靠背減少了40%的質(zhì)量，相比全碳纖維部件，CO排放也明顯降低且安全性與吸音效果也顯著提高。

1.3 先進成型工藝

當座椅的結(jié)構(gòu)以及材料無法發(fā)生改變時，需要在原有結(jié)構(gòu)和材料的基礎(chǔ)上通過加工工藝的優(yōu)化，達到輕量化的目的。工藝優(yōu)化主要有兩種思路：①可以從原有的加工方法上進行工藝參數(shù)優(yōu)化，使成型過程達到更好的成型效果，產(chǎn)品具有更優(yōu)的性能；②可以應(yīng)用一些創(chuàng)新工藝，如：激光焊接、低壓鑄造、粉末冶金、微發(fā)泡、SMC等可有效降低座椅部件質(zhì)量，實現(xiàn)整椅輕量化。

1.3.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

當座椅零件的生產(chǎn)設(shè)備及原料確定后，工藝參數(shù)則成為影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的最大因素，好的工藝參數(shù)可以優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，在宏觀表現(xiàn)為材料性能的提高，如針對注塑成型：當注射溫度提高時，高分子材料黏度低，產(chǎn)品充填效果好，且可成型薄壁零件，但注射溫度過高，材料易焦煳，產(chǎn)品品質(zhì)差；當保壓壓力越高則產(chǎn)品補縮效果越好，產(chǎn)品出現(xiàn)縮痕等缺陷的可能性越低，但保壓壓力越高，產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力越高，則出現(xiàn)翹曲變形的變形量越大。

代雷霆等采用Moldflow注塑模流分析軟件聯(lián)合Abaqus力學分析軟件，通過對座椅塑料大護板注塑工藝參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，最終得出模具溫度和熔體溫度越高，保壓壓力在較低情況下，應(yīng)力分布越均勻，所得產(chǎn)品力學性能越好。

李登云等將熱處理工藝應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，對某款車型座椅骨架進行了輕量化設(shè)計，通過工藝參數(shù)優(yōu)化使得試驗材料拉伸強度提高25%，進行結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化后座椅骨架減重1.38 kg。

龍少雄等對彈簧類汽車零件進行鑄造成型仿真，通過不斷優(yōu)化成型工藝參數(shù)，并結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到了安全系數(shù)提高25%，質(zhì)量降低58.1%的輕量化汽車零部件。

昶立杰等通過對4種注塑方式分別進行模流分析和動力學仿真，得出了澆口位置對于產(chǎn)品力學性能的影響，在其他工藝參數(shù)合適時，澆口位置靠下，則產(chǎn)品的力學性能越優(yōu)。

1.3.2 先進加工工藝

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各類新加工工藝在汽車座椅輕量化的進程上起著越來越關(guān)鍵的作用。通過這些特殊的加工工藝，在維持原有性能不變的情況下可以使座椅零部件降低10%～20%的質(zhì)量。

汽車座椅上的塑料件如內(nèi)外護板、調(diào)節(jié)扶手、座椅背板等，可采用微發(fā)泡工藝，實現(xiàn)塑料零件質(zhì)量降低。微孔注塑發(fā)泡是指向塑料熔體中引入微小泡孔，然后注入型腔內(nèi)部使制品內(nèi)部用氣體代替原有的塑料，從而達到減重的目的。目前微發(fā)泡技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到汽車各種結(jié)構(gòu)件、內(nèi)外飾件，實現(xiàn)單件零件質(zhì)量降低20%～40%。

片狀模塑材料(SMC)是一種強度高且密度小的高分子材料，經(jīng)過模壓成型可得到形狀復(fù)雜的各類結(jié)構(gòu)。好的模壓工藝可以使SMC制件性能好、尺寸精度高、產(chǎn)品表面質(zhì)量優(yōu)異。該材料及成型工藝，可應(yīng)用到座椅前排坐墊骨架坐盆，后排骨架背板的成型。SMC模壓成型已經(jīng)在汽車零件中推廣，并取得良好減重效果。李波等使用新型SMC 復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材作為汽車車身翼子板用材，在保證性能要求的前提下，通過模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝優(yōu)化實現(xiàn)減重20%。吳鳳楠等對比了SMC片材和PCM片材，在不同模壓工藝下，力學性能的差異點，PCM力學性能優(yōu)于SMC，但其預(yù)浸料鋪層工藝較SMC更為復(fù)雜。李菁華等將SMC材料用到了商用車門下裝飾板的成型，并探究了成型工藝對SMC成型過程的影響，最終得到了減重23%但成本上升不超過10%的產(chǎn)品。李燕龍等在開發(fā)某新型純電動汽車發(fā)動機罩蓋的過程中，使用SMC材料替代傳統(tǒng)的金屬材料，實現(xiàn)了單品質(zhì)量降低23%的目標。

2 結(jié)束語

本文圍繞汽車座椅輕量化，從座椅輕量化設(shè)計、輕量化材料應(yīng)用和先進工藝使用3個角度分別探討了結(jié)構(gòu)、材料和工藝對座椅輕量化的影響。通過分析得出，若僅從三者中某一個角度出發(fā)，最終并不能得到減重效果令人滿意的座椅。而成功的案例往往是一個多層級循環(huán)往復(fù)的過程：需要從材料選擇到工藝參數(shù)的不斷調(diào)整，再到針對該材料、工藝，進行一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，之后通過不斷優(yōu)化，反復(fù)驗證，最終才能研發(fā)出既能滿足各項標準要求，質(zhì)量又低于常規(guī)的輕量化的汽車座椅。

此外，針對整車零部件輕量化的結(jié)構(gòu)、材料和工藝，亦可以逐步拓展到汽車座椅的零部件生產(chǎn)上，且汽車座椅本身作為一個總成件，可將多種材料和工藝結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過單個零件降低質(zhì)量的不斷累積，最終實現(xiàn)整椅質(zhì)量的降低。