汽車座椅輕量化結構設計及成形工藝優化的探討

張戰宇

舒茨曼座椅（寧波）有限公司 浙江寧波 315336

隨著汽車總保有量和新增量的不斷增加，汽車耗油量及汽車二氧化碳、有害氣體及顆粒的排放量也在快速增加。在能源日益緊缺，環境日益惡化的今天，這種矛盾已成為制約汽車產業可持續發展的突出問題。面對能源危機和低碳環保的巨大壓力，解決這一矛盾最有效、最現實的方法之一，也是當今世界汽車工業發展的潮流，就是實現汽車的輕量化。

1 輕量化材料

汽車輕量化是在不改變汽車剛度與強度的前提下，采用輕量化材料，或借助結構輕量化設計減輕整車的質量，材料技術是輕量化結構設計的重要內容，借助輕量化材料能夠同時改善汽車質量與行駛安全性。現階段，汽車輕量化材料主要包括；（1）鋁合金。鋁作為輕質材料之一，被廣泛地應用于各行各業中，由鋁加工而成的鋁合金具有耐腐蝕性強、熱導率高等優點，利用先進技術加工后可以應用于汽車輕量化設計中。與此同時，鋁合金能夠更好地抵抗外部的沖擊，可以使汽車碰撞安全性得到提升。（2）高強度鋼。高強度鋼與一般的鋼材相比，質量更輕，能夠顯著降低整車質量。普通高強度主要有烘烤硬化鋼、含磷鋼等；先進高強度鋼主要有貝氏體鋼、復相鋼、孿生誘發塑性鋼等。高強度鋼綜合性能好，是汽車輕量化結構設計的首選材料。盡管高強度的強度較強，但這也意味著這類鋼材的成形性能相對較差、回彈大。（3）鎂合金。鎂合金在現實生活中得到了廣泛地應用，其比剛度、比強度較高，具有顯著的優勢。除此之外，鎂合金較易回收、散熱性好，這也是其被用應用于汽車輕量化設計的重要原因之一。現階段，鑄造鎂合金是汽車輕量化設計的主要材料，其被應用于座椅骨架、變速器殼體等部件的設計中[1]。

2 汽車座椅輕量化設計方法

汽車座椅結構優化的目的，首先是保證甚至提高座椅的靜態性能及動態性能，其次是減輕自重，降低制造成本，提高經濟性。座椅的輕量化設計，主要是座椅骨架的輕量化，實現座椅輕量化的途徑跟上述汽車輕量化一致。一是通過使用輕質材料，二是利用有限元對骨架進行結構優化設計，三是通過采用新的制造工藝來達到輕量化的目的。實際工程中，一般會綜合運用兩種或兩種以上手段相互結合的方法。本文就是綜合采用輕質材料結合結構優化設計，最后通過新的成形工藝而達到汽車座椅輕量化的目的。

低壓鑄造的優越性：低壓鑄造具有充型能力強、平穩可控，生產效率高，經濟性好等諸多優點而被廣泛用于汽車用鋁合金鑄件生產。此外，低壓鑄造件還可以熱處理強化，因此該方法主要應用于中、大型復雜薄壁、優質鑄造鋁合金件上。低壓鑄造的優越性概括起來主要有：（1）充型能力強。低壓鑄造中壓力作用提高了合金液的流動性，有利于生產復雜薄壁鑄件。（2）充型平穩可控。根據鑄件的不同結構和鑄型的不同材料來確定不同的加壓規范。這種加壓可控性減少或避免了合金液在型腔內的沖擊、飛濺現象，從而減少了氧化夾渣的形成，避免或減少鑄件的缺陷，提高了鑄件質量，合格率一般可達95%左右。（3）補縮能力強。鑄件在壓力作用下結晶和凝固，補縮能力強，組織致密，綜合機械性能高。（4）金屬利用率高，工藝出品率可達80-95%。低壓鑄造可以不用或少用冒口且澆注系統簡單，尚未凝固的金屬液可流回坩堝中，減少金屬的損耗。（5）低壓鑄造基本上可用于各種鑄造合金，對合金材料的適用范圍廣，有色合金和鑄鐵、鑄鋼均可使用此工藝。（6）易于實現自動化、機械化，較壓鑄投資小[2]。

3 汽車座椅輕量化結構設計

鋁的密度較小，屬于輕金屬，由鋁加工而成的鋁合金具有耐腐蝕性強、熱導率高等優點，同時鋁合金也可被回收二次使用。將鋁合金應用于汽車座椅輕量化結構設計中可以大幅減輕汽車的質量，能夠提升燃油經濟性。現階段，沖壓鋼板是汽車座椅骨架的主要材料，這就導致汽車座椅質量較大，從而影響汽車整體的經濟性。因此，下文將鋁合金作為汽車座椅骨架的主要材料，分別對汽車椅背、椅架、邊板進行輕量化結構設計。椅背是汽車座椅的重要組成部分，椅背的舒適度直接影響駕駛員的駕車體驗。因此，在設計汽車座椅靠背時需要參考人體背部優化曲線（見圖1），提高汽車駕駛員的舒適度。參考國家相關標準，鋁合金座椅靠背尺寸為470＊620毫米。椅背材料選擇機械性能良好的列車金，壁厚為4毫米，拔模斜度為0度30分，內、外圓角半徑分別為4、8毫米（見圖2）。

圖 人體背部優化曲線

圖2 座椅椅背三維圖

汽車座椅椅架的承載量最大，一般由合金與椅腳固定座焊接組成。本文設計汽車座椅椅架選擇40mm×20mm的方管、厚度為4mm的鋁合金；選擇厚度為5mm的冷軋板。兩者經過沖壓后組成汽車座椅椅架，這一設計可以節約大量的費用，結構較為簡單，并且取材，生產效率高[3]。

4 結語

綜上所述，座椅是給汽車駕駛員提供支撐、便于駕駛操作的重要結構，可以在事故發生時給予一定的保護，實用性及較強，汽車座椅輕量化設計可以減少有害氣體的排放，降低對生態環境的影響，提升燃油的經濟性。汽車座椅輕量化設計是未來汽車座椅設計制造的主要發展方向。低壓鑄造可以最大限度防止合金液的飛濺現象，保證鑄件質量，綜合機械性能高，適用性較好，具有顯著的優勢。