新能源汽車座椅輕量化設計研究

林 麗

華晨寶馬汽車有限公司 遼寧 沈陽110000

1 新能源汽車座椅輕量化設計原則

在新能源汽車座椅輕量化設計方案中,首先需要明確的是輕量化本身并不是目的。而是需要在座椅輕量化所付出的成本和收獲的收益之間達成合適的比例,使采取的輕量化措施是有效的、值得的。在獲益的同時必須首先考慮風險,即要在安全、舒適的前提下,達成座椅輕量化的目標。

2 新能源汽車座椅輕量化設計技術分析

實現新能源汽車座椅骨架輕量化技術主要有以下四種:第一,尺寸優化。尺寸優化是一種參數化技術,通過對座椅骨架結構件的厚度、直徑等幾何尺寸和模量、強度值等材料參數進行優化,減小零件的幾何尺寸和零件厚度,來達到輕量化目的的方法。第二,拓撲優化。拓撲優化是目前研究座椅結構優化設計最有發展前景的方向,在設計中,確定設計變量是骨架材料單元的密度,優化設計的目標是使用的材料最少,約束條件是不低于法規要求的剛強度,最后根據得到的結果來適當調整以滿足實際工程的需要,使最后方案具有最高的設計自由度和最大的設計空間。第三,形態優化。形態優化是一種優化零件形貌的概念設計技術,在薄壁結構和鈑金件不增加重量的前提下,確定適當的型材幾何形狀,壓延筋的形狀、數量,達到加強剛度的效果。第四,工藝優化。充分利用所有工藝,選擇最優工藝,實現最少的材料使用和最少連接的功能集成,改進零件的成型和連接工藝,減少構件數量。

3 新能源汽車座椅輕量化設計材料分析

3.1 鋁合金 鋁合金密度低、質量輕、強度較高、導熱性高,吸收沖擊能力強,密度是鋼的1/3,在汽車工業中已大量應用。鋁合金骨架主要結構件有靠背、邊板、椅架。靠背是汽車座椅主要承壓件,邊板連接靠背和椅架,椅架焊接在椅腳固定座上,是最大的承壓件。與鋼骨架相比,由低壓鑄造的鋁合金座椅靠背、沖壓鋁合金邊板、軋制鋁合金椅架組合而成的鋁合金骨架,能夠有效降低整體重量。骨架中結構件多采用焊接和螺栓連接,需要注意的是,鋁合金骨架滿足相關法規的鋼度強度要求,但是從整體上看鋁合金骨架上應力分布不均勻,多集中于各部件連接處,所以螺栓連接更安全可靠。使用鋁合金座椅骨架不僅能減輕新能源汽車整椅的重量,使新能源汽車整體重量下降,減少油耗,還有著良好的減震性,可以提高駕駛員和乘客的乘坐舒適性。鑄造整體式鋁合金零部件能有效減少零部件數量,大大減少了零件焊點數量,減少焊接和裝配工序。采用低壓鑄造成型工藝的零部件還可進行熱處理,進一步提高強度,而且低壓成型鑄件結構緊密,性能更好,更有利于生產薄壁鑄件。

3.2 鎂合金 隨著鎂合金在新能源汽車工業上的用量增加,鎂合金具有原材料廣泛,成本低,生產加工技術成熟的優勢。鎂合金擠壓型材和沖壓板件剛性強、強度高,能有效減少零部件數量。座椅骨架中沖壓鋼板焊接而成的結構件如前主沖壓板、后主沖壓板、中間鉸軸加強板、頭枕支架、側邊鉸軸加強板可以被鎂合金擠壓型材和沖壓板件一體式結構替代。在鎂合金板材上設置加強筋提高剛度并加強連接件之間的連接。與鋼骨架相比,鎂合金骨架不需要多次彎曲、沖壓、沖孔,工藝會更加的簡單,大大降低成本。鎂合金座椅骨架能有效的減輕整椅質量,鎂合金與鎂合金之間的連接采用氬弧焊,盡量分段焊接,減少焊接變形。但需要注意的是當鎂合金連接鋼鐵材料時,因為兩種材料間存在電位差,會產生腐蝕影響座椅使用壽命,所以采用環氧樹脂結構膠連接、鉚接孔、鋁鉚釘等連接方法能提高結構連接強度規避電化腐蝕的影響。相比與鋼骨架,能有效降低百分之五十的質量,實現了新能源汽車座椅輕量化目標。

3.3 碳纖維復合材料 碳纖維復合材料質量輕,強度大,密度是鋼的1/4,抗拉強度卻在3500 Mpa以上,很適合替代金屬材料來制作座椅骨架。相比與鎂、鋁合金,碳纖維復合材料在減振性能方面有著明顯的優勢,根據纖維材料,含量的不同,其性能具有較寬的變化范圍。與此同時,碳纖維復合材料具有高抗變形性、耐腐蝕性以及高疲勞的優點。碳纖維復合材料不僅能滿足新能源汽車座椅的剛強度需求,還能減輕座椅質量。只要降低生產成本和優化生產工藝,碳纖維就能得到廣泛應用。碳纖維復合材料座椅骨架主要分為上橫梁、下橫梁和側板三部分,上橫梁采用真空袋成型,下橫梁和側板采用層壓模壓成型,碳纖維和鋁合金復合所制骨架是一體化成型,通過結構整體化設計,設計思路貫穿產品整個成型過程,大幅減少骨架零部件數量和焊接點,不僅滿足相關法規的剛度與強度要求,而且還能減少連接件數量和制造成本。在實現材料的輕量化的前提下,運用計算機進行優化結構、優化尺寸等設計,達到新能源汽車座椅輕量化目的。

3.4 高強度鋼 高強度材料一般分為低強度鋼、高強度鋼、超高強度鋼。屈服強度低于210 Mpa的鋼為低強度鋼,屈服強度在210 Mpa～550 Mpa的鋼為高強度鋼,屈服強度大于550 Mpa的鋼為超高強度鋼。在汽車制造領域鋼材料應用廣泛,超高強度鋼制作的座椅骨架與鋼骨架相比能有效降低25%重量,且成本低,很適合作為一種新能源汽車座椅骨架的輕量化材料。采用高強度鋼、超高強度鋼制作的汽車骨架抗變形能力強,吸收沖擊能力強,彈性應變區域大,所以高強度鋼在汽車座椅骨架輕量化應用主要通過減薄零件厚度來實現。

4 結語

結構優化減重效果有限,采用輕量化材料成為實現新能源汽車座椅輕量化的首選途徑,簡言之,就是用性能參數更高的,更輕的材料代替體積質量比較大的部位材料。設計人員在實際工作的過程中,要重視這一問題度,利用新的材料來更替原有重量較大和密度較高的材料,并且對所占重量較多的座椅部位進行輕量化的優化和調整,從而使得新能源汽車能夠在當前時代下得到廣泛的推廣。