汽車座椅輕量化結構設計及成形工藝優化的探討

李侃敏

摘 要：隨著社會經濟的發展，汽車已經走進了千家萬戶，但汽車與能源、環境之間的矛盾日益凸顯。汽車輕量化是首先節能減排、生態文明建設的有效途徑，這也進一步推動了新技術在汽車工業中的應用。本文首先簡單地介紹輕量化材料，對汽車座椅輕量化結構設計方法進行了分析，之后探討了低壓鑄造成型在汽車輕量化中的應用，以供參考。

關鍵詞：汽車座椅；輕量化結構設計；成形工藝

1 引言

汽車總保有量的增加加劇了環境污染的問題，也增加了能源的消耗量，這些問題嚴重制約了我國汽車行業的長遠發展。而汽車輕量化是緩解這一矛盾的有效方式，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。汽車輕量化不僅可以使二氧化碳等有害氣體的排放量大幅下降，還可以提升燃油的經濟性，是汽車設計新的發展方向。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，研究汽車座椅輕量化結構設計及成形工藝優化可以提高汽車能源利用率，減少污染，具有重要的意義。

2 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爆包括；（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[1]。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[2]。（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。

3 汽車座椅結構設計方法

第一，軌道固定式。這類方式一般在客車中較為常見，座椅模塊化是其最大特征，具有實用性強，安裝難度低等特點。第二，螺栓固定式。借助預埋螺母固定座椅具有成本低、操作難度低的優勢，但是通用性較差。第三，卡腳固定式。這一固定方式在SUV車型中較為常見，為了滿足出行需求，可以將車內的座椅進行折疊，擴大空間，靈活性較高。

汽車座椅的生產工藝包括住注塑、發泡、焊接等。其中，注塑工藝包括填充、冷卻等階段，在注塑環節，生產人員需要密切關注溫度、時間、速度等參數，保證塑料件的質量。發泡成型是使塑料產生微孔結構的重要工藝，主要包括物理發泡與化學發泡。成型方法一般為稱料后混合攪拌，其次由專業人員進行澆筑，之后熟化并脫模處理，最后熟化。在設計制造座椅骨架時一般采用鋼質沖壓、合金鑄造等方法，前者具有靈活性、成本低的特點，后者具有強度高、質量輕的優勢，但是成本先對較高。

4 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）。

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40毫米*20毫米的方管、厚度為4毫米的鋁合金；選擇厚度為5毫米的冷軋板。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，汽車座椅椅架的三維結構圖如圖3所示。

邊板是連接椅架、側扶手等零件的載體，對強度具有較高的要求。在設計鋁合金邊板過程中需要充分考慮螺栓與靠背的的連接以及抗拉強度等因素。在沖壓成型后采用油漆烘烤、低壓鑄造可以提高鋁合金邊板的強度。

一般情況下，工程塑料或者塑料復合材料制造汽車座椅骨架均采用注塑工藝，旨在減少鋼鐵骨架焊接等步驟，節約人工費用。但是因為汽車座椅在實際使用過程中需要調整角度、高度，而調角器等基本為全屬件，骨架與零件的連接值得我們思考。與此同時，因為塑料材料本身強度并不能滿足汽車座椅強度要求，材料的回收再利用較高，本文認為可考慮選取EPP新材料，提高汽車座椅的耐熱性能、尺寸穩定性，將其與與鋼鐵骨架一同進行設計提高汽車座椅的強度，減輕質量。

5 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。

參考文獻：

[1]史紅燕，宋佰弘，李淑穎.某國產汽車座椅骨架輕量化結構設計研究[J].南方農機， 2017，48（2）：93-93.

[2]呂標，付艷超.熱成型工藝在汽車輕量化中的應用研究[J].工程技術：全文版， 2016 （6）：00245-00245.

[3]夏益新，王娜，陳新平，徐偉力.熱沖壓和液壓成形技術在寶鋼汽車輕量化服務中的應用及發展趨勢[J].精密成形工程， 2017 （6）：104-110.