某商用车座椅固定结构优化设计

孙浩　柳存昭　种刚　刘金龙　马伊贤

摘 要：文章以某商用车座椅固定结构为研究对象，以满足座椅安全带固定点强度为目标，运用集成式设计方法进行结构轻量化。有限元模型分析结果表明，轻量化后的地板结构满足强度要求，并使白车身重量降低4.4kg，减重11.1%，轻量化效果显著。关键词：商用车;集成式;轻量化;有限元中图分类号：U463.83+6  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）01-80-03

Abstract： In this paper， the seat fixed structure of a commercial vehicle is taken as the research object， and the integrated design method is used to lighten the structure in order to meet the strength of the fixed point of the seat belt. The results of finite element model analysis show that the lightweight floor structure meets the strength requirements and reduces the weight of the mortar body by 4.4kg， the weight loss is 11.1%， and the lightweight effect is remarkable.Keywords： Commercial vehicle; Integrated design; Lightweight; Finite elementCLC NO.： U463.83+6  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）01-80-03

前言

燃油經济性是重卡用户最关心的问题，用户为了追求效益最大化，就要依靠提高运输效率实现盈利，做到低耗、快跑。近年来，国内重卡企业对轻量化车型的开发愈加重视，为了提高市场份额，轻量化重卡成为各家车企的制胜法宝，重卡轻量化研发将愈演愈烈。实现车身轻量化的方法很多，在此不作赘述。本文以某商用车座椅固定结构为研究对象，应用集成式设计方法进行结构优化，实现轻量化的同时满足性能目标。在进行结构优化设计时，力学原理和实践经验作为工作前提，结合结构分析和优化设计软件，根据实际情况和一定条件下，对结构进行优化设计，在重量和性能之间寻找平衡，实现安全性和经济实用性的结构形式。

1 座椅固定结构现状

1.1 座椅固定结构形式

主、副驾座椅通过座椅前安装与前地板形成连接，固定点处钣金为两层连接结构，在前纵梁连接板和第一横梁连接板的加强作用下，与前纵梁形成传力机构，图1为模型图示。

1.2 约束、加载及评价标准

对图1三维结构建立有限元模型，在地板四周位置进行全约束，分别对左、右两侧座椅人体上、下模块各施加与水平方向成10°角4500N集中载荷，对左侧座椅施加-X方向2750N载荷，对右侧座椅施加-X方向1650N载荷，为保守计算，载荷均放大1.2倍。载荷加载高度按法规要求为座椅质心高度。约束及加载有限元模型如图2所示。

分析评价标准要求在加载和保持阶段，座椅及安全带固定点结构无失效，当安全带上固定点在座椅靠背上时，上有效固定点的前向位移不应超过R点平面前倾10°的范围。

1.3 有限元分析结果

分析计算座椅安全带固定点强度，主要关注座椅的前倾量及冲压件的塑性应变值。

由于座椅结构不同，主驾座椅为空气弹簧座椅，副驾座椅为可翻转式座椅，导致变形量存在很大差异。从图3可以看出，主驾座椅上底座向前倾斜1.7°，地板无明显变形，副驾座椅存在前倾变形，前端安装点受压后端受拉，座椅上底座向前倾斜7.9°，满足标准。

地板结构整体应变较小，低于材料极限塑性应变，判断无失效，具体塑性应变值见表2。

2 座椅固定结构优化

2.1 集成式座椅固定结构形式

目前结构各项性能指标均满足设计要求，并且存在冗余，为了进一步减轻设计质量，优化制造工艺，提升产品竞争力，实施集成式轻量化设计，即把一些多个零件完成的功能集成到一个零件上，以达到减重的目的，通过整合零件功能、将多个零部件集成，实现零部件的多功能，减少零件数量，达到轻量化的目的。

图5为集成式设计后的座椅固定结构：座椅安装点集成到前纵梁连接板和地板第一横梁连接板上，固定点处钣金与前纵梁、前地板形成三层板焊接结构，座椅安装螺栓打紧后，连接强度进一度提升，综合分析，固定点强度已得到提升，前地板料厚降低到0.9，材料不变，同时取消座椅前安装板。

2.2 有限元分析结果

参照1.2约束、加载及评价标准，分析计算座椅安全带固定点强度，主要关注座椅的前倾量及冲压件的塑性应变值。

从图6可以看出，主驾座椅上底座向前倾斜1.8°，地板无明显变形，副驾座椅存在前倾变形，前端安装点受压后端受拉，座椅上底座向前倾斜了7.3°，满足标准。

地板结构整体应变较小，低于材料极限塑性应变，判断无失效，具体塑性应变值见表3。

3 结果校核

比较有限元分析结果，优化前后主驾座椅前倾角度无明显变化，副驾座椅前倾角度从7.8°减小到7.3°，性能得到提升;从表4可以看出，地板各零件塑性应变值虽均有所增大，

但仍处于安全许用范围，说明零件受力得到分散，结构得到优化;优化后的座椅固定结构质量减少4.4kg，降幅达11.1%，减重效果显著。

4 结论

通过集成式轻量化设计，结合有限元仿真分析技术，白车身座椅固定结构重量降低，同时副驾座椅固定结构前倾角度明显改善，地板各零件塑性应变处于合理范围内，零件结构优化合理。本文以白车身座椅固定结构为例应用集成式轻量化设计方法，不仅显著减轻车身重量，还能够减少冲压模具、焊接夹具的前期投入，减轻员工劳动强度，提升生产节拍。通过以上内容分析，汽车行业实现轻量化设计，应从最基本的优化结构设计出发，经济实用，这对于提升我国卡车行业研发人员基本能力，促进国内商用汽车行业的发展至关重要，并且在即将面临的经济挑战下，对汽车行业发展的研究和新结构设计理论的探讨更加刻不容缓。

参考文献

[1] 胡瑞.重卡轻量化设计思路.[J]重型汽车.2011.

[2] 王利团.重卡轻量化设计思路.[J]时代汽车.2018.