座椅骨架強度分析及零部件設計優化

楊麗，王瑩，王躍貞，楊黎

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

座椅骨架強度分析及零部件設計優化

楊麗，王瑩，王躍貞，楊黎

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

文章以一種單邊角調式座椅靠背骨架結構為例，分析零部件材料和結構設計對座椅骨架總成的結構強度的影響。應用有限元方法、理論分析以及與試驗驗證方法對單邊角調式座椅靠背骨架結構設計優化，并滿足強度要求,可為單角調式座椅靠背骨架結構設計及優化方向提供參考。

座椅靠背骨架；有限元分析；設計優化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.022

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-63-03

引言

汽車座椅屬于汽車的基本裝置，是汽車的重要安全部件，其主要作用是為乘員提供支撐、確定乘員位置，提供乘員駕乘舒適性以及保護乘員不受傷害。隨著汽車行業競爭日趨激烈，如何在保證安全等級不降的前提下，對產品結構優化，進行成本控制是當前很多主機廠研究的重要課題之一。

座椅的安全性主要取決于骨架強度；座椅骨架是由靠背骨架和坐墊骨架及核心件三部分組成，并由安裝支腳通過螺栓固定在車身橫梁上；其中座椅的核心件一般包括角調器總成、高調器總成和滑軌總成等，這些核心件一般是由專業廠家設計制造，產品質量一致性和通用性較高。

座椅靠背骨架總成是一般是由鋼管框架、左右角調器總成（角調上下連接板和角調器核心件）、側面支撐鋼絲以及靠背彈簧等組成，如圖1所示。中高端車型一般采用沖壓件框架替代鋼管框架結構。當前市場上A0級以下的車型成本壓力巨大，經市場調查62款A0級以下車型低配前座椅骨架，其中單邊角調骨架 43款，約占70%；可見單邊角調座椅骨架是A0級以下車型主流配置。

本文以某單邊角調式座椅靠背骨架為例，用有限元方法分析座椅骨架及零部件受力情況，并與試驗結果對比；參照有限元分析與試驗結果對比，對零部件進行設計優化，以滿足設計要求。

1、有限元分析工況與試驗方法差異對比

1.1金屬材料耐久性與靜強度關系

就鋼材而言，當其承受正、負相等的交變應力時，其疲勞強度（材料承受的最大應力值）隨材料可以承受的交變次數的增加而減小，如圖2所示；當可以承受的交變次數達到107次以上時，疲勞強度就變成了一個固定值，稱其為持久極限。持久極限一般只有靜強度的40%～50%，當應力低于持久極限時，材料具有無限壽命。

因此可以通過FEA，模擬靜強度試驗，考察骨架應力變化趨勢是否與試驗結果保持一致。以此為依據，進而對結構進行優化，比對優化前后的分析結果，考量結構優化是否合理有效。

1.2有限元分析工況與試驗方法差異對比

試驗方法：將座椅按照設計位置固定在試驗臺架上，在座椅靠背頂端中間位置，沿垂直于假人軀干線方向，相對于“H”點施加指定的力矩，并加卸載循環指定次數。試驗后座椅骨架無松動、斷裂。

有限元分析工況：

1)加載方式

施加相對靜載荷試驗力矩兩倍載荷于靠背頂端中間位置，方向垂直于靠背，如圖3。

2)約束條件

約束4個支腳安裝孔所有節點1-6方向自由度。

試驗為耐久性試驗：有限元分析是進行靜強度分析，其載荷為耐久試驗的2倍。可通過靜強度分析的骨架應力分布圖與試驗結果進行趨勢性對比。

1.3有限元分析與試驗結果對比

試驗中上連接板焊接邊緣處撕裂，FEA結果在焊接邊緣處產生應力集中；考慮焊接引起的材料脆化和焊接缺口，加劇材料破壞。FEA結果中應力分布與試驗結果趨勢吻合。

2、骨架結構優化分析

2.1骨架結構優化對比

表1 骨架結構優化對比表

2.2分析結果對比

表2 FEA結果對比

從以上分析結果可以看出，在骨架其他零部件材料和結構不變的情況下，更改連接板的結構，選用強度較低的材料，也可以提高骨架整體性能。但若材料強度選用過低，也會有失效風險，在結構強度薄弱處增加加強筋會提高整體結構強度。

合理的結構設計和材料選用，既可提高骨架整體強度，也可降低原材料成本。

3、結論

（1）從試驗結果和FEA結果對比來看，單角調連接板結果應避免mod0中的結構；

（2）在受力較大部位結構盡可能設計簡單，減少折彎以及結構的突變；

（3）在結構強度薄弱處應增加翻邊和加強筋，提高局部結構強度；

（4）設計時應盡可能避免焊接質量對骨架性能的影響，若無法規避，則焊接時需注意，鋼管與單角調連接板焊接時不可在連接板邊緣處焊接，焊接引起的材料脆化和焊接缺口會加劇材料破壞；

（5）合理的結構設計和材料選用，既可提高骨架整體強度，也可降低原材料成本。

[1] 孫井晶,周炳海.汽車座椅骨架結構的改善[J].機械制造,2009(11).

[2] 付斌.材料性能[N].材料科學與工程學院,2011.

[3] 劉鴻文.材料力學(第5版)[M].北京：中國高等教育出版社,2011.

Strength analysis of seat frame and optimum structural design

Yang Li, Wang Ying, Wang Yuezhen, Yang Li
（Chery Automobile Co., Ltd., Anhui Wuhu 241009）

Taking the seatback frame with the single adjustor as an example, the influence of the structural design and the material using on the strength of the seat frame is analyzed. FEA, theoretical analysis and experimental verification are applied to optimize the frame structure of the seatback. Provide the design reference and optimization direction for the seat back frame structure with single adjustor.

single adjustor; seatback frame; FEA; design optimization

U463.9

A

1671-7988（2015）09-63-03

楊麗，座椅工程師，就職于奇瑞汽車工程技術研發總院，目前主要從事座椅開發工作。