汽车座椅骨架轻量化的研究概况
战磊;孙军;何金光;李威;孙继国
【摘 要】简要介绍了目前汽车座椅骨架轻量化技术的研究概况,从结构轻量化和材料轻量化两方面对汽车座椅骨架轻量化的实现途径进行了阐述.对于汽车座椅骨架,在众多轻量化途径中,材料轻量化的效果优于结构轻量化.镁合金和碳纤维复合材料在轻量化材料中比传统钢铁材料更具有优势,是未来汽车座椅骨架轻量化发展的重点.根据目前汽车座椅骨架制造工艺和成本的需求,采用高强钢、超高强钢进行轻量化设计仍然具有现实意义.
【期刊名称】《汽车零部件》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】6页(P68-73)
【关键词】汽车座椅;轻量化;研究概况
【作 者】战磊;孙军;何金光;李威;孙继国
【作者单位】长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司技术中心,吉林长春130033;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司技术中心,吉林长春130033;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司技术中心,吉林长春130033;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司技术中心,吉林长春130033;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司技术中心,吉林长春130033
【正文语种】中 文
近年来，随着汽车工业的飞速发展，全球汽车保有量急剧增长，由此产生的能源和环境污染问题凸显。为了应对这些问题，欧洲经济委员会(ECE)和欧盟于1992年正式颁布了汽车排放指令。随后，我国也制定了《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》标准(GB27999-2011)。这些法令的颁布，极大地限制了汽车制造商的发展。有研究表明：一辆轿车的质量若能减少10%，则其燃油经济性可提高3%～4%，同时汽车的排放量也会相应降低[1-3]。因而，汽车轻量化成为广大汽车制造商能够满足相关排放法规的主要手段之一。对于汽车轻量化，其范围大体上可分为4类：车身、底盘、发动机和内外饰件。由于汽车内外饰件相对较好的受力条件及工况，其轻量化实现起来相对容易，受到了广大汽车制造商的关注[4-5]。作为汽车内外饰件中最大的零部件之一的汽车座椅，在满足舒适性、安全性和美观性的条件下，如何制作得更加轻盈自然而然地成了广大汽车制造商所追求的目标。
汽车座椅主要由骨架、泡沫、面料、塑料件和其他功能件组成。对于整椅质量来说，骨架占60%～70%，泡沫占9%～12%、面料占7%～12%，塑料件占5%，而其他辅助的功能件则占到9%。很显然，座椅骨架在整椅中质量占比最大，因此，减轻座椅骨架的质量，可以有效地实现整椅轻量化。自20世纪90年代以来，陆续有一些学者和研究机构开始了汽车座椅骨架轻量化的研究[6-8]。然而，由于国内汽车座椅的研发起步较晚，许多研究仅限于对座椅骨架一些过设计结构进行改进和优化，并未对整椅骨架轻量化进行深入的研究。因此，汽车座椅骨架轻量化的研究有着重要的理论意义和实际应用价值。
文中通过对比目前国内外汽车座椅骨架轻量化的研究概况，对轻量化技术及材料进行了分析，为发展汽车座椅骨架轻量化材料及其工艺技术奠定了一定的理论基础。
对于汽车车身，各个研发机构已经有了一些轻量化评价方法。较为流行的是宝马汽车公司提出的轻量化系数表证方法[9]。该方法通过考虑汽车车身质量、扭转刚度和投影面积，计算出一个数值，即为轻量化系数L，其具体表示如下：
其中：  　m为车身质量，kg；
Ct为车身静态扭转刚度，N·m/(°);
A为车身四轮间的正投影面积，m2。
轻量化系数L值越小，代表着其轻量化效果越明显。
目前，有关汽车座椅轻量化评价方面的报道较少，国内外汽车座椅制造商也还未形成一套较为成熟的评价方法。根据车身轻量化系数的计算公式，可以类推，座椅的质量、刚度和正投影面积是影响其轻量化效果的主要因素。除此之外，考虑到汽车座椅在主动安全、被动安全方面的特性，其E(C)-NCAP分值、振动传递特性等因素也应被考虑到轻量化评价内容里。
目前，对汽车座椅骨架进行轻量化的技术有2类：(1)结构优化和零部件的模块化设计；(2)换用轻质材料或增加轻质材料的使用比重。汽车座椅骨架轻量化设计，结构优化主要有尺寸优化和拓扑优化2类，而材料轻量化技术则包括高强度钢、铝合金、镁合金、塑料及其复合材料这几大类材料在汽车座椅上的应用。
2.1　结构轻量化
2.1.1　尺寸优化
尺寸优化是对座椅骨架上相关零部件的外形尺寸、材料壁厚等进行优化，采用相对小尺寸、薄壁厚的零件方案，以达到减重目的的方法。吉林大学黄炫等人[10]利用有限元分析，对某汽车后排座椅骨架进行了尺寸优化，优化后的座椅骨架能够减质量13.1%，且能够满足GB15083-2006规定的《行李位移乘客防护装置的试验方法》相关要求。上海工程技术大学王吉昌等[8]对某车型主司机座椅进行了尺寸优化轻量化设计，结果表明：轻量化设计的座椅质量减少11.2%，并且座椅轻量化后的强度完全满足国家标准GB15083-2006的要求。上海理工大学陈道炯等[11]结合FEA分析，将汽车座椅靠背骨架上横梁由冲压件结构改为钢管结构，并优化了座椅焊缝，最终使靠背骨架质量减少0.268 kg，约占靠背质量的14.46%。结果表明：减重后的座椅靠背能够满足GB15083-2006的要求。座椅靠背骨架尺寸优化实例见图1。
2.1.2　拓扑优化
拓扑优化起源于1904年Michell 提出的桁架理论，以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间中到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是结构优化最具发展前景的一个方面[12]。
美国江森自控公司运用拓扑优化技术，开发出了轻量化的靠背骨架[13](见图2)，并成功将该骨架应用在大众公司某一轿车车型上。与传统的座椅骨架相比较，该轻量化骨架能实现减质量约10%。
Alexander Saveski等[14]，根据拓扑优化的结果，将座椅滑轨与坐垫骨架统一在一个零件上(见图3)。研究表明：这种轻量化结构，不但能够使座椅骨架减质量12%，而且由于其集成式的设计，能够使座椅的制造成本降低约7%左右。
中北大学卢建志等[6]通过拓扑优化的方法，对某汽车座椅进行了轻量化设计，研究结果表明：轻量化设计后，座椅骨架减质量15%。吉林大学姚为民等[15]采用拓扑优化的方法对某汽车座椅进行了轻量化设计，轻量化后，座椅骨架能够减质量10.4%。
长春汽车厂
从以上结构优化的结果可以看出：通过改变零件的尺寸或者零件的结构，能够达到汽车座椅轻量化设计的目的。但是，由于需要满足国家和行业对汽车座椅安全性、舒适性等方面的要求[16-18]，无论是尺寸优化方法还是拓扑优化方法，最终能够使汽车座椅的质量减少10%～15%，减重效果相对有限。
2.2　材料轻量化
在汽车技术高速发展的今天，一方面，终端客户对座椅舒适性、功能性等方面的需求逐渐提高，另一方面，由于国家和汽车行业对汽车排放要求的逐渐提高，汽车座椅减质量需求也与日俱增。因此，仅仅通过结构优化一种手段实现对汽车座椅骨架质量的减少已逐渐不能满足当前需求，于是，新材料的应用逐渐成为了汽车座椅轻量化的主要手段之一。目前，能够实现汽车座椅轻量化的工程材料主要包括高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料和碳纤维复合材料等。
2.2.1　高强度钢
按照美国钢铁协会AISI发起的汽车车身超轻钢项目(Ultra Light Steel Body Auto，ULSBA)的定义:屈服强度210～550 MPa、抗拉强度270～700 MPa的钢为高强度钢(High-Strength Steels，HSS);屈服强度大于550 MPa、抗拉强度大于700 MPa的钢则为超高强度钢(Ultra-High-Strength Steels，UHSS)(见图4)[19]。也有一些学者仅从抗拉强度的角度定义高强度钢，认为抗拉强度大于1 200 MPa的为高强度钢，大于1 500 MPa的为超高强度钢。根据强化机制的不同，又把高强度钢板分为普通高强度钢板和先进高强度钢板。其中，普通高强度钢板主要包括高强度IF(无间隙原子)钢、烘烤硬化钢、含磷钢、各向同性钢、碳-锰钢
和高强度低合金钢；先进高强度钢板主要包括双相钢、复相钢、相变诱发塑性钢、贝氏体钢和马氏体钢等。JFE Steel公司自1990年开始，致力于汽车零部件用高强度钢的开发，相继开发出了TS780 MPa、TS980 MPa和TS1470 MPa级高强度钢。瑞典SSAB钢铁公司近年来也陆续开发出了抗拉强度为1 200、1 400和1 700 MPa的马氏体超高强度钢。