地铁车辆自动折叠座椅坐垫轻量化研究

孔凡昌

摘要： 座椅是地铁车辆的重要组成部分，自动折叠座椅是地铁发展的趋势，采用自动折叠座椅能够增加地铁车辆的载客量，对于缓解高峰时期交通拥挤，以及节约能耗有着重要的意义。针对地铁折叠座椅坐垫的轻量化需求，分析现有设计存在的问题，并对座椅的坐垫型材以及转轴轻量化进行探究，使用有限元分析软件ANSYS对设计方案进行理论验证。以加工好的坐垫为实验对象，模拟实际工况，设计并实施了静载实验。验证了轻量化设计的可行性。

Abstract： The seat is an important part of subway vehicles. Automatic folding seat is the development trend of the subway， which can increase the capacity of subway vehicles， so it is of important significance to ease the peak traffic congestion， and save energy. Aiming at the lightweight requirements of the subway folding seat cushion， the problems of the existing design are analyzed， and the seat cushion material and the shaft weight are explored. The finite element analysis software ANSYS is used to validate the design scheme. The static load experiment was designed and implemented with the working cushion as the experimental object simulating the actual working condition. The feasibility of lightweight design is validated.

关键词： 自动折叠座椅；轻量化；静载试验

Key words： automatic folding seat；lightweight；static load test

中圖分类号：U270.38+7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0075-03

0 引言

座椅是地铁车辆的重要组成部分，座椅的设计需要讲究科学性。对比固定式座椅，自动折叠座椅运行环境复杂，具有使用强度大，使用频率频繁等特点。同时，折叠座椅增加了电机转轴等零部件，增加了重量，而列车的载重量是一定的，因此需探究对自动折叠座椅的轻量化方案[1][2]。另一方面，自动折叠座椅设计为6人位，如果结构设计不合理，会引起振动、噪声以及安全隐患，因此应保证座椅有足够的刚度、强度，确保其可靠性与安全性[3][4]。

支撑座以及坐垫型材是自动折叠座椅的重要组成部分，在自动折叠座椅中，支撑座和坐垫型材占的重量比重最大，自动折叠座椅的原设计方案为一根通长的空心轴上安置5个支撑座，虽然满足了使用的强度要求，但是重量为52.737kg，超出了50kg的设计配重。本文将支撑座以及坐垫型材的结构优化作为座椅轻量化设计的重点。

传统的结构设计主要基于经验设计以及实物验证，随着CAE以及CAD技术的发展，有限元仿真在结构设计过程中得到了越来越广泛的应用，大大提高设计效率以及合理性[5][6][7][8]。为了实现座椅的轻量化设计，首先在SolidWorks中建立座椅的三维模型，然后将几何模型导入到有限元分析软件ANSYS中，对座椅进行强度及刚度分析，为轻量化设计提供理论依据，最后通过试验验证座椅结构的合理可靠性，从而最终确定座椅的结构。

1 有限元建模

1.1 有限元模型

保留自动折叠座椅主要的零部件，即坐垫型材、支撑座以及挡块，由于座椅靠背为独立安装，不影响支撑座及挡块的强度及刚度，因此模型中忽略座椅靠背的建模。在solidworks中完成模型的简化，转换成parasolid格式后导入ansys中，有限元模型如图1所示。

坐垫型材为铝型材6063 T5，挡块及支撑座的材料均为碳钢Q235A，具体材料参数如表1所示。

坐垫型材采用六面体网格solid186单元扫掠划分，挡块及支撑采用四面体网格solid187单元自由划分，最大单元尺寸为10mm，共生成173630个单元。支撑座的螺栓孔位移全约束，对于挡块与车体骨架之间的接触，采用接触分析，以尽量减小模型简化以及约束情况对整个模型刚度及强度的影响。根据规定，6人座椅的承载可等效成对坐垫表面9000N的法向压力，均布加载于坐垫表面中部位置。

1.2 评价标准[9][10]

对于座椅强度的判定，根据欧洲标准《铁道车辆车体结构要求》（EN12663）的规定，座椅应进行静态强度的验证，即在规定载荷作用下，计算其安全系数（即材料的许用应力与计算等效应力之比）大于规定的安全系数，即：S=≥S1，式中S为座椅的安全系数，Re为材料的计算等效应力，S1为规定的安全系数。安全系数可依据标准UIC566《客车车体及其零部件的载荷》选取，对于焊接结构和安全部件，电动座椅的各零部件安全系数应大于1.1。

对于座椅的刚度，应确保座椅在使用过程中残余形变小于1mm。

2 结构优化设计

2.1 转轴部分优化

图2所示为座椅方案的转轴采用一根直径为30mm通长空心轴，四个支撑座固定在坐垫上，在空心长轴上设置六个钢板，对座椅翻转后进行支撑。座椅坐垫组成重为52.737 kg，超出了设计要求。

针对原设计方案的不足，进行改进设计，如图3的坐垫方案采用整体型材结构，由支撑座转内置轴代替原有的空心长轴，挡板设置在型材上，坐垫的重量为42.5kg，相较于原有的同轴设计，重量降低了10.237kg，轻量化效果明显，符合设计要求。

针对此设计方案，进行仿真分析，挡块的应力云图如图4所示

由图可知，挡块最大应力发生在中间左侧支撑座挡板上，为391MPa，挡块的材料为Q235，其屈服强度为235MPa，超出了支承座屈服强度。故使用4个支承座进行固定的方案不可行。

针对4个支撑座方案的情况，对于坐垫的支撑进行加强设计，如图5的折叠座椅设计采用的是5处支撑座设计，使用5个支承座分散坐垫表面的压力比4个支撑座更加稳固。使用5个支撑座的坐垫重量为46.074kg，相较于原有设计重量减轻6.663kg，满足坐垫的设计要求。

同样进行有限元分析，可知支撑座及挡块最大应力为89MPa，发生在支撑座与挡块连接内侧拐角处如图6，材料为Q235A，安全系数S=235/89=2.64，大于安全系数1.1。即支承座和挡块的满足强度要求。

故相较于原有的通轴连接设计，新方案的使用5个转轴固定在型材面端的设计更优，达到轻量化目的的同时也满足了设计要求。

2.2 坐垫型材截面优化

坐垫型材的优化，如图7原有的坐垫型材采用内置铝合金长方形型材和铝合金支撑座设计，强度以及刚度都满足坐垫的使用要求，原有设计重量为37.46kg，具有进一步轻量化的优化空间。

在不改变坐垫承载能力的同時减轻型材重量，本方案重新设计了型材的截面如图8，采用三角型加强筋稳定支撑设计，三角型支撑结构能够分解型材表面的压力，单一的垂直方向力分解为多个方向。相对于原先的垂直结构更加稳定，且达到同一强度下三角型结构所需的材料更少。新设计的型材重量为26.221kg，通过型材截面的优化设计，使得单个自动折叠坐垫减重11.239kg，新结构的座椅在9000N的乘客载荷作用下，其变形云图如图9所示，最大变形为1.63mm，发生在型材的边缘处，在设计要求范围内，满足刚度要求。

3 实验验证

根据轻量化设计结果，进行座椅试制，图10为轻量化设计后的座椅型材截面。对试制的自动折叠座椅进行加载试验。图11为静载试验，在坐垫上放置约为9000N沙袋，采用WXZ6-2型距离测量仪测量座椅的形变量，以判定坐垫的残余形变量是否满足设计需求。

由图12可知，在承载9000N的压力并静置10min后，坐垫的残余变形量为0.2mm，小于1mm的残余变形要求，因此针对坐垫型材、支撑座的轻量化设计是切实可行的。

图12坐垫形变量

4 结语

通过优化自动折叠座椅的转轴支撑座布局以及坐垫型材的支撑结构，确保座椅在强度不变的同时达到轻量化的要求。降低了自动折叠座椅的生产成本，同时减轻了列车的负载，减小能源消耗。

参考文献：

[1]吴闻宇，高速列车座椅特征提取与全局舒适度研究[D].南京：东南大学.

[2]王兴超.高速列车动力学分析与座椅舒适性设计的研究[D].沈阳：东北大学，2016.

[3]刘波.轨道交通车辆座椅的静强度和疲劳强度分析[D].吉林：吉林大学硕士论文，2002.

[4]曹鹏彬.地铁座椅结构分析与轻量化优化方法[J].武汉大学学，2013，35（6）：55-60.

[5]韩静，方亮，孙甲鹏，等.基于Pro/E与ANSYS WORKBENCH的复杂装配件协同仿真及优化[J].机械设计与制造，2010（1）：190-192.

[6]杜秀菊，贾长治，董兆伟，等.基于接口的协同仿真技术在动态优化设计中的应用[J].机械工程学报，2008，44（8）：368-376.

[7]余华俐，徐创文.基于Pro/E和ANSYS的钻机大钩强度有限元分析[J].制造业自动化，2009，31（10）：119-121.

[8]周益，刘放，李飞，等.运用SolidWorks和ANSYS的磁浮列车悬浮架结构有限元分析[J].现代制造工程，2012（8）：17-20.

[9]International Union of Railways. UIC-566-1990，Loadings of coach bodies and their components[S].1990.

[10]Beuth Verlag Gmb H. EN12663-1/2010， Structural Rerequirements of Railway Vehicle Bodies[S].2010.