面向新能源汽車的座椅結構設計

王瓊

(蔚來汽車科技(安徽)有限公司，安徽 合肥 230071)

0 前言

隨著新能源汽車的出現，全新的汽車市場與應用環境對汽車座椅發展有了全新的需求。汽車座椅是與車體直接聯系的主要部位，對于行車環境中的安全性、被動安全性都有著十分關鍵的作用。產品設計過程中，需要全面考慮座椅的安全性與舒適度，使其能夠更加全面地適應人們的需要。

1 新能源汽車對座椅結構設計的新要求

1.1 結構和尺寸設計

新能源汽車搭載新的汽車發動機，沒有油箱、傳動軸、后驅動橋、適當座椅等常規動力汽車設計的車體后列座位的設計，使后列座位在體積與構造方面的設計方面有了擴展的余地。和常規動力汽車相比，新能源汽車車身設計的主要差異為添加了動力電池。動力電池的體積龐大且自重較大，在設計上無法得到充分的控制；另外，動力電池的高速充放電伴隨的反應熱會造成電池組間很大的溫度變化，需要安裝冷卻系統。

目前，在售新能源汽車系統的布局方案也各有不同。純電動汽車一般將動力組件設置于車身底板上，如：特斯拉Model S的組件設計為平板式，設計于底板下部；后列坐墊采取了有坐墊骨架的構造，占用了很多空間，為位置調整、按摩、通風等性能創造了必要條件。

混合動力汽車的驅動電池格局更加多元化，如：別克VELITE5的電池組件呈T形布置在前后排座位下方的連接式前排座位扶手,由于具有較大寬度的中央凸起區，后部坐墊則自然舍棄了座椅中部的使用區域；混動型運動型多用途汽車(SUV)的WEY P8則直接將動力電池布置安裝在后備廂，但也由于動力電池受限于汽車前排換水閥門位置與油缸位置的垂直布置,所以該車后部的坐墊設計也直接采取了國內常規動力汽車底盤中采用的無坐墊骨架設計。

就目前我國交易市場上在售的純電動汽車來看，應用T形動力電池組布局的汽車并不少，如比亞迪秦、榮威RX 5等都應用了無坐墊骨骼型的后排座位；而應用平板形動力電池組布局的汽車，如蔚來ES 8、特斯拉Model S/X等則應用了坐墊骨骼型的后排座位[1]。電動座椅的構造形式設計應當服從于整車動力系統布局的要求。在純電動汽車中，有坐墊骨骼的后排座位適合于使用平板形電池組布局的車輛，無坐墊骨骼的后排座位則適合于使用T形及一些特殊外形電池組布局的車輛，而混動汽車中則普遍使用無坐墊骨骼的后排座位。

座椅的尺寸系數受清潔燃料、車輛特殊構造，尤其是電池組設計的限制。新能源汽車動力電池的設計涉及整個車身的軸荷分布。純電動汽車通常將動力電池布置在前底板下、左右軸中間，在這樣的車身設計結構形式下,汽車擁有良好的車身低重心穩定性和較合理的前后軸荷分布。較好的車載動力電池系統設計是將所有動力電池都聚集放置到整個鋰離子電池組群內,將前后座電池組分為左右2個部分并設置安裝在坐墊的下面。車身結構設計上，鋰離子電池長度受汽車人機工程要求的影響，前后排座位位置、后排乘員頭部空間等,都需要通過人機校核確定：首先確定出后排乘員模型的位置,即確定前后排座位、座椅基準點在整車坐標體系內的最大位置；再通過前后排座位坐墊厚度來確定坐墊與下座底板之間的垂直高度，從而確定空間高度。而許多混動汽車卻因為其繼承使用了常規動力汽車平臺,為進一步增加車后的電池艙空間,刻意舍棄了后排座位的坐墊骨架設計,并降低其后座坐墊厚度,以犧牲舒適度來換得較長續航的高功率輸出與超長續航。依據當前市售的型號規格及個人使用體驗,后排座位坐墊骨架的實際最小厚度應在85 mm以內。但針對前排乘客座位來說，可以采取改變坐墊厚度、減少坐墊的控制部分、增加滑軌、改變安裝點排布等妥協方案。

1.2 熱環境設計要求

新能源汽車區別于常規動力汽車，其動力電池的最高工作溫度有一定區間，過高或過低的工作溫度都將影響動力電池效能。汽車內熱環境不但與乘員的舒適度有關，還與汽車的發動機類型、功率有關。電池組的溫度控制設備和高功率的汽車空調都會對汽車內熱環境產生影響。汽車座椅受陽光輻照而升溫，汽車窗玻璃的表面透射率對汽車座椅表面升溫起重要作用。未來，新能源汽車將會越來越多地使用全景天窗，汽車座椅作為與電池組位置最近的零件之一，同時又是在太陽暴曬時車身內部熱輻射比例最大的地方，因此其使用也需要考慮新能源汽車對散熱性能的特殊需求。

2 面向新能源汽車的座椅結構設計

2.1 輕量化設計

汽車座椅的輕量化是車輛輕量化的主要部分，車輛材質的降低能夠有效減少燃料的損耗和改善車輛的經濟性。對新能源汽車而言，因為添加了動力電池等新的技術，輕量化設計變得更加重要。座椅輕量化的重點是降低座椅骨架的質量，具體可以采用以下3種方案：① 采用輕量化復合材料；② 采用拓撲設計的方法對架子材料進行優化設計；③ 引入新型材料制作技術，在設計實踐中采用多種方法互相融合的新技術[2]。

使用輕質建筑材料是完成座椅骨架最輕質量目標的主要實現路徑之一。在國內，未來生產的中高檔汽車座椅都將逐步采用輕鋁合金、鎂合金材質代替高強度鋼；而在目前碳纖維材質制作的座椅工藝已越來越趨向完善成熟的市場背景下,碳纖維材質座椅被作為第一選擇優先考慮。

鋁合金材質具有輕量化、導熱性能好、沖擊吸收能力強、易于回收等優點。按照鋁合金材質在我國汽車車輛制造業中的實際使用情況，以鋁合金材料取代鋼鐵時，每個零部件的整體質量一般會減少30%～60%。盡管鋁合金材質可以應用在汽車發動機蓋、后備箱罩、翼子板、門窗、槳轂等重要結構零部件上，但它在汽車座椅上的適用范圍較小，主要因為：① 生產成本高，鋁合金材料的市場銷售量是鋼鐵的2～3倍；② 焊接性能較差，鋁合金材料具有很大的熱膨脹系數，當焊縫受熱時熱影響范圍較廣，零部件體積不易控制，對所需技術條件要求較高；③ 成型工藝局限，淬火、形變和壓鑄的加工方式都存在缺陷。雖然鋁合金材料在汽車座椅骨架上的使用相對較少，但是它在航空、動車座位上的使用已經較為成熟，可成為未來汽車座椅骨架輕量化的重要參考。

此外，用鎂合金AM 60所制作的座椅骨架質量比鋁合金制作的座椅骨架輕33%左右，比鋼鐵材料制作的座椅骨架輕77%左右。鋁鎂材料在國內的價格比國外低，其加工成本比鋁合金材料的加工成本低，其壓鑄模具的使用壽命是鋁合金材料壓鑄模具使用壽命的2～3倍。從20世紀80年代開始，有些科研單位進行了鋁鎂復合材料在汽車座椅骨架中的應用研發，并有不少比較成功的例子。但鋁鎂材料在壓鑄過程中會產生疲勞強度降低等微觀問題；另外，鋁鎂材料與鋼鐵材料接觸時，容易出現材料銹蝕的現象。這些都是鋁鎂復合材料使用時必須克服的關鍵性困難。

拓撲改善是一種幾何設計方法，可以從給定的框架中得到最佳優化的形式和框架分布。通過運用拓撲改善的方式，對給定限制條件下的骨骼模型，利用計算尋求材質的最佳分配，從而獲得最佳的結構形式，達到座椅輕量化的目的。研究表明，考慮擠出方式限制和應力方向限制的座椅骨骼構造優化模型，以材質密度為主要設計因素，在限定條件中增加了擠出路徑限制，使模型在限制的應力和擠出路徑范圍內可以實現材質分配的尋優，結果比改善前減重了50%。趙世佳等[3]以原結構的靜態強度最大值為優選目標，通過變密度法對后排座椅的骨架結構實行了拓撲優化，將原結構與改善后的結構比較，結果表明：改善后的骨架結構在整體質量降低1.92%的情況下，增加了約19%的靜態強度。

汽車座椅的構造材料大多為復雜薄壁管/板結構，在以鋁合金材質代替鋼鐵材料結構的新形勢下，低壓鑄造普遍用于汽車座椅用鋁合金材質的鑄造。低壓鑄造具有以下優點：

(1) 充型性能好。低壓鑄造的加壓效果增強了合金溶液的流動性，可以用于復雜薄壁鑄造。

(2) 穩定可控。按照鑄造的各種構造和鑄形的不同材質，制定不同類型的加壓標準。低壓鑄造可控制并防止合金液體在型腔內的撞擊、流淌現象，從而降低了氧化夾渣的產生，防止鑄造缺口，改善了鑄造品質。低壓鑄造的及格率一般為95%左右。

(3) 補縮力好。鑄件在低壓情況下容易結晶和固化，補縮力高，結構緊密，整體力學性能好。

(4) 金屬利用率較好。工藝生產利用率達到了80%～95%。低壓鑄造時可少開甚至不開冒口，澆注過程相對簡單，未凝結的金屬液可流回原地，降低了金屬材料的質量損失。

(5) 適用性好。低壓鑄造法基本上能適用于所有鑄造合金材料，對合金材質的適用性很強，有色合金材料、鑄鐵、鑄鋼等都可采用該方法。

(6) 成本較低。低壓鑄造更容易達到生產自動化、機械化程度，較傳統壓鑄投入更小。

2.2 舒適性設計

無論載體是常規動力汽車、新能源汽車還是航空高鐵，汽車座椅的舒適度一直是座椅開發的主要目標對象。在相關標準規范中，只注重于座椅靜質量比及穩定性，而在實際客戶的使用中，最關心的是座椅的空氣動力學功能和疲勞。調整功能才是實現座椅舒適度的關鍵特性，利用人力操縱和智能控制可以實現座椅在各個部分的自由移動，滿足不同乘客的使用需求。當前的座椅產品，一般帶有四向或者六向的調整功能，而未來更加復雜的調整功能才是座椅開發的主要目標。東北大學教授張昕宇在現有技術的基礎上提出了一種全新的腰部支撐技術，針對不同的駕駛員和乘客，通過調整推板的連續進給方向，使人體腰部凸點的狀態得以相應改變。

3 結語

在電動汽車開發逐漸步入新能源發展階段的大背景下，電動汽車座椅的產品設計需要適應新的環境要求。在結構上，座椅必須和動力電池相配合，但同時也要考慮動力電池和太陽暴曬所產生的熱影響；輕量化方面，由于汽車座椅是最主要車輛零件，對整車的節能有很大的作用；功能性方面，則必須從提高駕乘人員舒適度等方面不斷擴展。為了滿足上述要求，必須通過采用新型材料、改善工藝設計、改進人機工程學技術等來建立更安全可靠、更舒適、更經濟的汽車座椅構造。