某商用車座椅固定結構優化設計

孫浩　柳存昭　種剛　劉金龍　馬伊賢

摘 要：文章以某商用車座椅固定結構為研究對象，以滿足座椅安全帶固定點強度為目標，運用集成式設計方法進行結構輕量化。有限元模型分析結果表明，輕量化后的地板結構滿足強度要求，并使白車身重量降低4.4kg，減重11.1%，輕量化效果顯著。關鍵詞：商用車;集成式;輕量化;有限元中圖分類號：U463.83+6? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-80-03

Abstract： In this paper， the seat fixed structure of a commercial vehicle is taken as the research object， and the integrated design method is used to lighten the structure in order to meet the strength of the fixed point of the seat belt. The results of finite element model analysis show that the lightweight floor structure meets the strength requirements and reduces the weight of the mortar body by 4.4kg， the weight loss is 11.1%， and the lightweight effect is remarkable.Keywords： Commercial vehicle; Integrated design; Lightweight; Finite elementCLC NO.： U463.83+6 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-80-03

前言

燃油經濟性是重卡用戶最關心的問題，用戶為了追求效益最大化，就要依靠提高運輸效率實現盈利，做到低耗、快跑。近年來，國內重卡企業對輕量化車型的開發愈加重視，為了提高市場份額，輕量化重卡成為各家車企的制勝法寶，重卡輕量化研發將愈演愈烈。實現車身輕量化的方法很多，在此不作贅述。本文以某商用車座椅固定結構為研究對象，應用集成式設計方法進行結構優化，實現輕量化的同時滿足性能目標。在進行結構優化設計時，力學原理和實踐經驗作為工作前提，結合結構分析和優化設計軟件，根據實際情況和一定條件下，對結構進行優化設計，在重量和性能之間尋找平衡，實現安全性和經濟實用性的結構形式。

1 座椅固定結構現狀

1.1 座椅固定結構形式

主、副駕座椅通過座椅前安裝與前地板形成連接，固定點處鈑金為兩層連接結構，在前縱梁連接板和第一橫梁連接板的加強作用下，與前縱梁形成傳力機構，圖1為模型圖示。

1.2 約束、加載及評價標準

對圖1三維結構建立有限元模型，在地板四周位置進行全約束，分別對左、右兩側座椅人體上、下模塊各施加與水平方向成10°角4500N集中載荷，對左側座椅施加-X方向2750N載荷，對右側座椅施加-X方向1650N載荷，為保守計算，載荷均放大1.2倍。載荷加載高度按法規要求為座椅質心高度。約束及加載有限元模型如圖2所示。

分析評價標準要求在加載和保持階段，座椅及安全帶固定點結構無失效，當安全帶上固定點在座椅靠背上時，上有效固定點的前向位移不應超過R點平面前傾10°的范圍。

1.3 有限元分析結果

分析計算座椅安全帶固定點強度，主要關注座椅的前傾量及沖壓件的塑性應變值。

由于座椅結構不同，主駕座椅為空氣彈簧座椅，副駕座椅為可翻轉式座椅，導致變形量存在很大差異。從圖3可以看出，主駕座椅上底座向前傾斜1.7°，地板無明顯變形，副駕座椅存在前傾變形，前端安裝點受壓后端受拉，座椅上底座向前傾斜7.9°，滿足標準。

地板結構整體應變較小，低于材料極限塑性應變，判斷無失效，具體塑性應變值見表2。

2 座椅固定結構優化

2.1 集成式座椅固定結構形式

目前結構各項性能指標均滿足設計要求，并且存在冗余，為了進一步減輕設計質量，優化制造工藝，提升產品競爭力，實施集成式輕量化設計，即把一些多個零件完成的功能集成到一個零件上，以達到減重的目的，通過整合零件功能、將多個零部件集成，實現零部件的多功能，減少零件數量，達到輕量化的目的。

圖5為集成式設計后的座椅固定結構：座椅安裝點集成到前縱梁連接板和地板第一橫梁連接板上，固定點處鈑金與前縱梁、前地板形成三層板焊接結構，座椅安裝螺栓打緊后，連接強度進一度提升，綜合分析，固定點強度已得到提升，前地板料厚降低到0.9，材料不變，同時取消座椅前安裝板。

2.2 有限元分析結果

參照1.2約束、加載及評價標準，分析計算座椅安全帶固定點強度，主要關注座椅的前傾量及沖壓件的塑性應變值。

從圖6可以看出，主駕座椅上底座向前傾斜1.8°，地板無明顯變形，副駕座椅存在前傾變形，前端安裝點受壓后端受拉，座椅上底座向前傾斜了7.3°，滿足標準。

地板結構整體應變較小，低于材料極限塑性應變，判斷無失效，具體塑性應變值見表3。

3 結果校核

比較有限元分析結果，優化前后主駕座椅前傾角度無明顯變化，副駕座椅前傾角度從7.8°減小到7.3°，性能得到提升;從表4可以看出，地板各零件塑性應變值雖均有所增大，

但仍處于安全許用范圍，說明零件受力得到分散，結構得到優化;優化后的座椅固定結構質量減少4.4kg，降幅達11.1%，減重效果顯著。

4 結論

通過集成式輕量化設計，結合有限元仿真分析技術，白車身座椅固定結構重量降低，同時副駕座椅固定結構前傾角度明顯改善，地板各零件塑性應變處于合理范圍內，零件結構優化合理。本文以白車身座椅固定結構為例應用集成式輕量化設計方法，不僅顯著減輕車身重量，還能夠減少沖壓模具、焊接夾具的前期投入，減輕員工勞動強度，提升生產節拍。通過以上內容分析，汽車行業實現輕量化設計，應從最基本的優化結構設計出發，經濟實用，這對于提升我國卡車行業研發人員基本能力，促進國內商用汽車行業的發展至關重要，并且在即將面臨的經濟挑戰下，對汽車行業發展的研究和新結構設計理論的探討更加刻不容緩。

參考文獻

[1] 胡瑞.重卡輕量化設計思路.[J]重型汽車.2011.

[2] 王利團.重卡輕量化設計思路.[J]時代汽車.2018.