镁合金汽车座椅轻量化设计探析-汽车设计论文-设计论文
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[摘要]针对传统座椅骨架生产工序复杂和重量过大等问题，开发一款镁合金汽车座椅骨架，以迎合现代所倡导的简洁化、轻量化等理念。利用软件CATIA对座椅进行三维实体设计，并通过HyperMesh进行有限元分析保证座椅的结构强度。镁合金座椅可通过模具浇注一次性成型，降低了传统座椅骨架的零件数量，从而减轻汽车的总重量，提高车辆动态和排放性能，减少噪音和振动，改善驾驶的稳定性。
[关键词]汽车座椅；镁合金；三维设计；有限元分析
0引言
汽车轻量化技术的前提是要保证汽车的结构强度和驾驶员及乘客的安全，然后尽可能降低整车质量，提高汽车动力性能和经济性，减少污染物的排放[1]。汽车座椅作为汽车的重要内饰件，对其进行轻量化设计能大幅减小汽车质量。而随着人们生活水平的不断提高，不仅有对汽车座椅安全性的要求，还对它的舒适性和美观性提出新的要求。由于汽车零部件标准体系不完整且各项核心技术尚未取得显著突破，我国在汽车座椅设计和研发方面处于基础阶段[2]。镁合金具有质量轻、尺寸稳定性高、可回收性好和良好的机加工与铸造性能，若将镁合金应用于汽车座椅，将会为汽车座椅的发展带来曙光。
1汽车座椅的结构与功用
1.1汽车座椅的结构
汽车座椅由头枕、骨架、坐垫、靠背和调节装置等零部件组成，
如图1所示。座椅框架主要是一辆被分割成类似骨骼的零件，在现有的汽车座椅上所使用的两种骨架（靠背、坐盆）的材料均为St12，采用冲压等方式制造而成，最后将所有的零部件进行焊接而成，可实现靠背调节、坐垫的前后和高度调节。
1.2汽车座椅的功用
汽车头枕
汽车座椅保证乘客的乘坐舒适和安全，是旅客运输有关的车内系统必需的组件。其主要作用是：作为驾乘人员的主要承载件；为驾乘人员进行位置区域划分；为驾乘人员提供良好的驾乘感受；当驾乘人员受到生命安全的威胁时，可与座椅形成一体，最大限度保障人员安全。
2CATIA软件下的三维实体设计
2.1镁合金的应用
镁合金是目前工业应用材料中最轻的一种金属材料，其密度仅为钢铁材料的2/9、铝合金材料的2/3，而且具有比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性、导热导电性能好、吸振性和易于加工成型等特点[3]。梅赛德斯－奔驰公司在SEL型敞篷车上率先使用了金座椅框架。随后，福特汽车公司用镁合金生产座椅骨架钢制骨架，使座椅质量从4.0kg减为1.0kg。韩国现代汽车使用镁合金替代传统钢材制作汽车座椅骨架通过结构优化，最终，座椅骨架通过了安全法规试验，并成功减质量50%[4]。由此可见，镁合金的应用对减轻汽车座椅的质量提供了很大帮助。
2.2镁合金汽车座椅骨架靠背设计
汽车座椅骨架是整个汽车座椅系统中最核心的部件，占汽车座椅
总重一半以上且承担了绝大多数座椅功能[5]。而对座椅骨架的设计又分为骨架靠背设计和骨架坐盆设计。骨架靠背的设计可分为以下5个过程：（1）首先建立H点（能够比较准确地确定驾驶员或乘员在座椅位置的参考点是躯干与大腿相连的旋转点“跨点”）。靠背整体是弧形状，利用CATIA的创成式曲面设计将靠背需要的曲面创建出来。（2）对于靠背的下面部分，也就是靠背与坐盆连接处的那一部分的外形，进入草图，将该部分的外形尺寸在草图上画出来，再退出草图将所画好的草图利用创成式曲面设计的曲面拉伸命令拉伸出曲面。（3）创建空间曲面，将座椅靠背的侧面的轮廓外形勾勒出来，创立多个曲面，利用曲面相交而成进行的倒圆角进行平顺化。去除多余的部分，保留靠背的头枕与背板的轮廓，
去除轮廓以外的曲面，建立草图，将草图拉伸出来。隐藏之前的所有辅助曲面，再将曲面的锐边倒角化。（4）为使座椅质量更轻，应对靠背减重。在与背部直接接触的位置挖孔，一方面，这个位置一半要安装靠背弹簧，可增加座椅的舒适性，不会让驾乘人员感到难受；另一方面，这一块可大面积挖孔，进行最大限度减重。为了增加靠背被挖去地方的强度，需要在此增加靠背发泡支撑。（5）为了增加原有部件的强度，需要在靠背颈部加强和靠背侧部加强进行对加强筋的设计，最后用CATIA的加厚曲面的命令对曲面进行实体加厚。经过CATIA绘制的靠背骨架如图2所示。