轎車后排座椅行李箱沖擊的降本減重優化方法

2021-09-29 05:34:38宋和平劉廣喜徐偉濤周翔

汽車零部件 2021年9期

宋和平，劉廣喜，徐偉濤，周翔

(1.長興吉利汽車部件有限公司，浙江湖州 313100；2.寧波吉利汽車研究開發有限公司，浙江湖州 313100；3.長城汽車保定技術研發分公司，河北保定 071000；4.寶能(西安)汽車研究院有限公司，陜西西安 712000)

0 引言

隨著經濟的持續發展以及生活水平的提高，汽車消費逐漸從原來的奢侈品消費，變成普通民眾負擔得起的居家消費[1]。隨著消費者對汽車的實用性的追求，擁有行李箱、能夠裝載居家物品的車型受到青睞。

因為行李箱一般與后排座椅相通或相鄰，汽車行李箱的設計在提供了便利性的同時，還要考慮對后排乘員的安全性。車輛座椅作為重要的汽車被動安全組成部分，不僅負責承載乘員，還要負責承受車輛起步、制動、加速以及碰撞的沖擊[2]。車輛在發生碰撞或緊急剎車等情況時，行李箱(后備廂)中的物品因為慣性會對后排座椅形成沖擊，物品的質量越大、慣性加速度越大，對后排乘員的沖擊就越大，乘員受傷情況也就越嚴重[3]。

基于以上原因，各國都制定了相關標準來保護乘員，避免行李箱沖擊導致的乘員傷害。中國發布GB 15083強制性法規來對乘員進行保護，汽車企業為了保證車輛上市要求必須滿足此法規，因此研究行李箱沖擊，滿足GB 15083就顯得很有意義。

1 優化行李箱結構的需求和背景

GB 15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》針對汽車座椅及頭枕等方面進行了詳細的規定和要求，因GB 15083—2019于2019-10-14發布，且在2020-7-1實施，因此2020年下半年及以后上市的車輛必須滿足此法規才允許銷售。同時，解決行李箱沖擊的問題，還能解決新能源汽車電池放置在行李箱的碰撞安全性問題[4-5]。所以研究行李箱沖擊，滿足GB 15083—2019的要求顯得意義重大。

試驗按照GB 15083—2019附錄B中的方法進行[6]，因所涉及的車型僅座椅靠背構成行李箱，按照試驗要求，需要按照圖1所示放置兩個質量為18 kg的沖擊塊，沖擊塊的尺寸是300 mm×300 mm×300 mm。

圖1 行李箱沖擊試驗示意

按照GB 15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》對于防止移動行李對乘員傷害的特殊要求：在試驗過程中和試驗后，若座椅靠背及其鎖止裝置仍保持在原位置，則認為滿足國標。但是允許在試驗期間，頭枕變形向前移動時，不能超過座椅R點前方150 mm處的平面；座椅靠背變形后，不能超過距離R點前方100 mm處所在的平面。

基于以上需求和背景，結合GB 15083—2019中的法規要求，文中提出一種優化行李箱結構的方法，為行業其他車企提供一種參考方案。

2 行李箱結構設計方案

針對上一版GB 15083—2006，國內已經有了一定數量的研究，其中文獻[7]開發了一種對撞型臺車試驗設備，文獻[8]提出對后排座椅支撐梁左右各額外增加一塊加強板的方式進行改進，文獻[9]提出在沖擊彎折處增加一根橫管的方案，雖然文獻[8]和文獻[9]滿足了國標要求，但是增加了整車質量和額外的成本(開模費用等)，文獻[10]提出對后排座椅調角器上臂板厚度和下臂板厚度進行加厚等方法，文獻[11]提出采用碳纖維復合材料制造座椅骨架的方式，造價相對較高，文獻[10]和文獻[11]對于當前汽車研發重點考慮的減重降本方向來說，借鑒意義有限。

因為法規試驗要求的沖擊塊的擺放位置是固定的，且沖擊塊撞擊座椅靠背的位置也相對固定，所以設計方向初步確定為加強座椅靠背受沖擊塊影響部位的強度。同時，法規還允許一定程度的塑性變形，所以座椅骨架強度不需要設計過高[12]。

文中以某在研車型進行方法的實現與分析，基本信息如下：A0級三廂型轎車，傳統燃油車，質量1 215 kg，預計2021年下半年上市。

初步的設計方案如圖2所示，其中座椅骨架中部主體采用縱向三根加粗空心管和一根橫向加粗空心管組成，空心管參數如下：外徑12.7 mm，內徑10.9 mm，料厚1.8 mm，用于主要承受沖擊結構，輔助用若干鋼絲作為座椅輔助支撐，鋼絲半徑2.5 mm，實心結構。

圖2 座椅骨架初步設計方案

另外，座椅骨架與車身的連接處采用卡接式結構，如圖3所示，即在圖2的輔助鋼絲上焊接金屬鉤式結構，卡接在圖3的卡接式結構中，如圖4所示。

圖3 座椅骨架與車身的連接處結構

圖4 卡接式結構

針對設計的初步方案，采用LS-DYNA進行仿真分析，按照法規要求的試驗方法，試驗沖擊前的效果圖如圖5所示，試驗沖擊后的效果圖如圖6所示。

圖5 試驗沖擊前的效果

圖6 試驗沖擊后的效果

從沖擊后的圖6中可以看到，座椅骨架上沿脫離車身結構，證明圖4中的卡接式結構失效，且頭枕和座椅靠背均超過了法規中定義的R點前方150 mm處的平面，證明未滿足法規要求，試驗失敗。因此初步的設計方案需要進一步優化來滿足法規的要求。

3 優化方法的實現與結果分析

通過對沖擊后的座椅骨架結構進行分析，發現行李箱沖擊試驗后，座椅骨架未出現嚴重變形，證明座椅骨架當前初步設計基本可以滿足法規試驗，而法規試驗失敗的主要原因在于圖4中所示的卡接式結構，因為是在鋼絲上焊接的金屬鉤式結構，當受到較強烈的行李沖擊時，鉤式結構失效，導致座椅骨架與車身脫離，造成試驗失敗。

所以優化的方向是加強座椅骨架與車身連接處的結構。另外，因為開發的是A0級緊湊型轎車，存在降本和減重的需求，因此對座椅骨架結構也需要進行一定的優化。通過分析圖2中的初步設計圖，發現質量主要集中在加粗的空心管結構上，如果直接用鋼絲取代空心管，將極大實現降本減重的目的，經過多輪的設計與結構調整，優化后的座椅骨架結構如圖7所示。