汽车座椅轻量化结构设计及成形工艺优化的探讨

张战宇

舒茨曼座椅（宁波）有限公司 浙江宁波 315336

随着汽车总保有量和新增量的不断增加，汽车耗油量及汽车二氧化碳、有害气体及颗粒的排放量也在快速增加。在能源日益紧缺，环境日益恶化的今天，这种矛盾已成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。面对能源危机和低碳环保的巨大压力，解决这一矛盾最有效、最现实的方法之一，也是当今世界汽车工业发展的潮流，就是实现汽车的轻量化。

1 轻量化材料

汽车轻量化是在不改变汽车刚度与强度的前提下，采用轻量化材料，或借助结构轻量化设计减轻整车的质量，材料技术是轻量化结构设计的重要内容，借助轻量化材料能够同时改善汽车质量与行驶安全性。现阶段，汽车轻量化材料主要包括；（1）铝合金。铝作为轻质材料之一，被广泛地应用于各行各业中，由铝加工而成的铝合金具有耐腐蚀性强、热导率高等优点，利用先进技术加工后可以应用于汽车轻量化设计中。与此同时，铝合金能够更好地抵抗外部的冲击，可以使汽车碰撞安全性得到提升。（2）高强度钢。高强度钢与一般的钢材相比，质量更轻，能够显著降低整车质量。普通高强度主要有烘烤硬化钢、含磷钢等；先进高强度钢主要有贝氏体钢、复相钢、孪生诱发塑性钢等。高强度钢综合性能好，是汽车轻量化结构设计的首选材料。尽管高强度的强度较强，但这也意味着这类钢材的成形性能相对较差、回弹大。（3）镁合金。镁合金在现实生活中得到了广泛地应用，其比刚度、比强度较高，具有显著的优势。除此之外，镁合金较易回收、散热性好，这也是其被用应用于汽车轻量化设计的重要原因之一。现阶段，铸造镁合金是汽车轻量化设计的主要材料，其被应用于座椅骨架、变速器壳体等部件的设计中[1]。

2 汽车座椅轻量化设计方法

汽车座椅结构优化的目的，首先是保证甚至提高座椅的静态性能及动态性能，其次是减轻自重，降低制造成本，提高经济性。座椅的轻量化设计，主要是座椅骨架的轻量化，实现座椅轻量化的途径跟上述汽车轻量化一致。一是通过使用轻质材料，二是利用有限元对骨架进行结构优化设计，三是通过采用新的制造工艺来达到轻量化的目的。实际工程中，一般会综合运用两种或两种以上手段相互结合的方法。本文就是综合采用轻质材料结合结构优化设计，最后通过新的成形工艺而达到汽车座椅轻量化的目的。

低压铸造的优越性：低压铸造具有充型能力强、平稳可控，生产效率高，经济性好等诸多优点而被广泛用于汽车用铝合金铸件生产。此外，低压铸造件还可以热处理强化，因此该方法主要应用于中、大型复杂薄壁、优质铸造铝合金件上。低压铸造的优越性概括起来主要有：（1）充型能力强。低压铸造中压力作用提高了合金液的流动性，有利于生产复杂薄壁铸件。（2）充型平稳可控。根据铸件的不同结构和铸型的不同材料来确定不同的加压规范。这种加压可控性减少或避免了合金液在型腔内的冲击、飞溅现象，从而减少了氧化夹渣的形成，避免或减少铸件的缺陷，提高了铸件质量，合格率一般可达95%左右。（3）补缩能力强。铸件在压力作用下结晶和凝固，补缩能力强，组织致密，综合机械性能高。（4）金属利用率高，工艺出品率可达80-95%。低压铸造可以不用或少用冒口且浇注系统简单，尚未凝固的金属液可流回坩埚中，减少金属的损耗。（5）低压铸造基本上可用于各种铸造合金，对合金材料的适用范围广，有色合金和铸铁、铸钢均可使用此工艺。（6）易于实现自动化、机械化，较压铸投资小[2]。

3 汽车座椅轻量化结构设计

铝的密度较小，属于轻金属，由铝加工而成的铝合金具有耐腐蚀性强、热导率高等优点，同时铝合金也可被回收二次使用。将铝合金应用于汽车座椅轻量化结构设计中可以大幅减轻汽车的质量，能够提升燃油经济性。现阶段，冲压钢板是汽车座椅骨架的主要材料，这就导致汽车座椅质量较大，从而影响汽车整体的经济性。因此，下文将铝合金作为汽车座椅骨架的主要材料，分别对汽车椅背、椅架、边板进行轻量化结构设计。椅背是汽车座椅的重要组成部分，椅背的舒适度直接影响驾驶员的驾车体验。因此，在设计汽车座椅靠背时需要参考人体背部优化曲线（见图1），提高汽车驾驶员的舒适度。参考国家相关标准，铝合金座椅靠背尺寸为470＊620毫米。椅背材料选择机械性能良好的列车金，壁厚为4毫米，拔模斜度为0度30分，内、外圆角半径分别为4、8毫米（见图2）。

图 人体背部优化曲线

图2 座椅椅背三维图

汽车座椅椅架的承载量最大，一般由合金与椅脚固定座焊接组成。本文设计汽车座椅椅架选择40mm×20mm的方管、厚度为4mm的铝合金；选择厚度为5mm的冷轧板。两者经过冲压后组成汽车座椅椅架，这一设计可以节约大量的费用，结构较为简单，并且取材，生产效率高[3]。

4 结语

综上所述，座椅是给汽车驾驶员提供支撑、便于驾驶操作的重要结构，可以在事故发生时给予一定的保护，实用性及较强，汽车座椅轻量化设计可以减少有害气体的排放，降低对生态环境的影响，提升燃油的经济性。汽车座椅轻量化设计是未来汽车座椅设计制造的主要发展方向。低压铸造可以最大限度防止合金液的飞溅现象，保证铸件质量，综合机械性能高，适用性较好，具有显著的优势。