地鐵車輛自動折疊座椅坐墊輕量化研究

孔凡昌

摘要： 座椅是地鐵車輛的重要組成部分，自動折疊座椅是地鐵發展的趨勢，采用自動折疊座椅能夠增加地鐵車輛的載客量，對于緩解高峰時期交通擁擠，以及節約能耗有著重要的意義。針對地鐵折疊座椅坐墊的輕量化需求，分析現有設計存在的問題，并對座椅的坐墊型材以及轉軸輕量化進行探究，使用有限元分析軟件ANSYS對設計方案進行理論驗證。以加工好的坐墊為實驗對象，模擬實際工況，設計并實施了靜載實驗。驗證了輕量化設計的可行性。

Abstract： The seat is an important part of subway vehicles. Automatic folding seat is the development trend of the subway， which can increase the capacity of subway vehicles， so it is of important significance to ease the peak traffic congestion， and save energy. Aiming at the lightweight requirements of the subway folding seat cushion， the problems of the existing design are analyzed， and the seat cushion material and the shaft weight are explored. The finite element analysis software ANSYS is used to validate the design scheme. The static load experiment was designed and implemented with the working cushion as the experimental object simulating the actual working condition. The feasibility of lightweight design is validated.

關鍵詞： 自動折疊座椅；輕量化；靜載試驗

Key words： automatic folding seat；lightweight；static load test

中圖分類號：U270.38+7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0075-03

0 引言

座椅是地鐵車輛的重要組成部分，座椅的設計需要講究科學性。對比固定式座椅，自動折疊座椅運行環境復雜，具有使用強度大，使用頻率頻繁等特點。同時，折疊座椅增加了電機轉軸等零部件，增加了重量，而列車的載重量是一定的，因此需探究對自動折疊座椅的輕量化方案[1][2]。另一方面，自動折疊座椅設計為6人位，如果結構設計不合理，會引起振動、噪聲以及安全隱患，因此應保證座椅有足夠的剛度、強度，確保其可靠性與安全性[3][4]。

支撐座以及坐墊型材是自動折疊座椅的重要組成部分，在自動折疊座椅中，支撐座和坐墊型材占的重量比重最大，自動折疊座椅的原設計方案為一根通長的空心軸上安置5個支撐座，雖然滿足了使用的強度要求，但是重量為52.737kg，超出了50kg的設計配重。本文將支撐座以及坐墊型材的結構優化作為座椅輕量化設計的重點。

傳統的結構設計主要基于經驗設計以及實物驗證，隨著CAE以及CAD技術的發展，有限元仿真在結構設計過程中得到了越來越廣泛的應用，大大提高設計效率以及合理性[5][6][7][8]。為了實現座椅的輕量化設計，首先在SolidWorks中建立座椅的三維模型，然后將幾何模型導入到有限元分析軟件ANSYS中，對座椅進行強度及剛度分析，為輕量化設計提供理論依據，最后通過試驗驗證座椅結構的合理可靠性，從而最終確定座椅的結構。

1 有限元建模

1.1 有限元模型

保留自動折疊座椅主要的零部件，即坐墊型材、支撐座以及擋塊，由于座椅靠背為獨立安裝，不影響支撐座及擋塊的強度及剛度，因此模型中忽略座椅靠背的建模。在solidworks中完成模型的簡化，轉換成parasolid格式后導入ansys中，有限元模型如圖1所示。

坐墊型材為鋁型材6063 T5，擋塊及支撐座的材料均為碳鋼Q235A，具體材料參數如表1所示。

坐墊型材采用六面體網格solid186單元掃掠劃分，擋塊及支撐采用四面體網格solid187單元自由劃分，最大單元尺寸為10mm，共生成173630個單元。支撐座的螺栓孔位移全約束，對于擋塊與車體骨架之間的接觸，采用接觸分析，以盡量減小模型簡化以及約束情況對整個模型剛度及強度的影響。根據規定，6人座椅的承載可等效成對坐墊表面9000N的法向壓力，均布加載于坐墊表面中部位置。

1.2 評價標準[9][10]

對于座椅強度的判定，根據歐洲標準《鐵道車輛車體結構要求》（EN12663）的規定，座椅應進行靜態強度的驗證，即在規定載荷作用下，計算其安全系數（即材料的許用應力與計算等效應力之比）大于規定的安全系數，即：S=≥S1，式中S為座椅的安全系數，Re為材料的計算等效應力，S1為規定的安全系數。安全系數可依據標準UIC566《客車車體及其零部件的載荷》選取，對于焊接結構和安全部件，電動座椅的各零部件安全系數應大于1.1。

對于座椅的剛度，應確保座椅在使用過程中殘余形變小于1mm。

2 結構優化設計

2.1 轉軸部分優化

圖2所示為座椅方案的轉軸采用一根直徑為30mm通長空心軸，四個支撐座固定在坐墊上，在空心長軸上設置六個鋼板，對座椅翻轉后進行支撐。座椅坐墊組成重為52.737 kg，超出了設計要求。

針對原設計方案的不足，進行改進設計，如圖3的坐墊方案采用整體型材結構，由支撐座轉內置軸代替原有的空心長軸，擋板設置在型材上，坐墊的重量為42.5kg，相較于原有的同軸設計，重量降低了10.237kg，輕量化效果明顯，符合設計要求。

針對此設計方案，進行仿真分析，擋塊的應力云圖如圖4所示

由圖可知，擋塊最大應力發生在中間左側支撐座擋板上，為391MPa，擋塊的材料為Q235，其屈服強度為235MPa，超出了支承座屈服強度。故使用4個支承座進行固定的方案不可行。

針對4個支撐座方案的情況，對于坐墊的支撐進行加強設計，如圖5的折疊座椅設計采用的是5處支撐座設計，使用5個支承座分散坐墊表面的壓力比4個支撐座更加穩固。使用5個支撐座的坐墊重量為46.074kg，相較于原有設計重量減輕6.663kg，滿足坐墊的設計要求。

同樣進行有限元分析，可知支撐座及擋塊最大應力為89MPa，發生在支撐座與擋塊連接內側拐角處如圖6，材料為Q235A，安全系數S=235/89=2.64，大于安全系數1.1。即支承座和擋塊的滿足強度要求。

故相較于原有的通軸連接設計，新方案的使用5個轉軸固定在型材面端的設計更優，達到輕量化目的的同時也滿足了設計要求。

2.2 坐墊型材截面優化

坐墊型材的優化，如圖7原有的坐墊型材采用內置鋁合金長方形型材和鋁合金支撐座設計，強度以及剛度都滿足坐墊的使用要求，原有設計重量為37.46kg，具有進一步輕量化的優化空間。

在不改變坐墊承載能力的同時減輕型材重量，本方案重新設計了型材的截面如圖8，采用三角型加強筋穩定支撐設計，三角型支撐結構能夠分解型材表面的壓力，單一的垂直方向力分解為多個方向。相對于原先的垂直結構更加穩定，且達到同一強度下三角型結構所需的材料更少。新設計的型材重量為26.221kg，通過型材截面的優化設計，使得單個自動折疊坐墊減重11.239kg，新結構的座椅在9000N的乘客載荷作用下，其變形云圖如圖9所示，最大變形為1.63mm，發生在型材的邊緣處，在設計要求范圍內，滿足剛度要求。

3 實驗驗證

根據輕量化設計結果，進行座椅試制，圖10為輕量化設計后的座椅型材截面。對試制的自動折疊座椅進行加載試驗。圖11為靜載試驗，在坐墊上放置約為9000N沙袋，采用WXZ6-2型距離測量儀測量座椅的形變量，以判定坐墊的殘余形變量是否滿足設計需求。

由圖12可知，在承載9000N的壓力并靜置10min后，坐墊的殘余變形量為0.2mm，小于1mm的殘余變形要求，因此針對坐墊型材、支撐座的輕量化設計是切實可行的。

圖12坐墊形變量

4 結語

通過優化自動折疊座椅的轉軸支撐座布局以及坐墊型材的支撐結構，確保座椅在強度不變的同時達到輕量化的要求。降低了自動折疊座椅的生產成本，同時減輕了列車的負載，減小能源消耗。

參考文獻：

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[2]王興超.高速列車動力學分析與座椅舒適性設計的研究[D].沈陽：東北大學，2016.

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[9]International Union of Railways. UIC-566-1990，Loadings of coach bodies and their components[S].1990.

[10]Beuth Verlag Gmb H. EN12663-1/2010， Structural Rerequirements of Railway Vehicle Bodies[S].2010.