新能源汽车座椅轻量化设计研究

林 丽

华晨宝马汽车有限公司 辽宁 沈阳110000

1 新能源汽车座椅轻量化设计原则

在新能源汽车座椅轻量化设计方案中,首先需要明确的是轻量化本身并不是目的。而是需要在座椅轻量化所付出的成本和收获的收益之间达成合适的比例,使采取的轻量化措施是有效的、值得的。在获益的同时必须首先考虑风险,即要在安全、舒适的前提下,达成座椅轻量化的目标。

2 新能源汽车座椅轻量化设计技术分析

实现新能源汽车座椅骨架轻量化技术主要有以下四种:第一,尺寸优化。尺寸优化是一种参数化技术,通过对座椅骨架结构件的厚度、直径等几何尺寸和模量、强度值等材料参数进行优化,减小零件的几何尺寸和零件厚度,来达到轻量化目的的方法。第二,拓扑优化。拓扑优化是目前研究座椅结构优化设计最有发展前景的方向,在设计中,确定设计变量是骨架材料单元的密度,优化设计的目标是使用的材料最少,约束条件是不低于法规要求的刚强度,最后根据得到的结果来适当调整以满足实际工程的需要,使最后方案具有最高的设计自由度和最大的设计空间。第三,形态优化。形态优化是一种优化零件形貌的概念设计技术,在薄壁结构和钣金件不增加重量的前提下,确定适当的型材几何形状,压延筋的形状、数量,达到加强刚度的效果。第四,工艺优化。充分利用所有工艺,选择最优工艺,实现最少的材料使用和最少连接的功能集成,改进零件的成型和连接工艺,减少构件数量。

3 新能源汽车座椅轻量化设计材料分析

3.1 铝合金 铝合金密度低、质量轻、强度较高、导热性高,吸收冲击能力强,密度是钢的1/3,在汽车工业中已大量应用。铝合金骨架主要结构件有靠背、边板、椅架。靠背是汽车座椅主要承压件,边板连接靠背和椅架,椅架焊接在椅脚固定座上,是最大的承压件。与钢骨架相比,由低压铸造的铝合金座椅靠背、冲压铝合金边板、轧制铝合金椅架组合而成的铝合金骨架,能够有效降低整体重量。骨架中结构件多采用焊接和螺栓连接,需要注意的是,铝合金骨架满足相关法规的钢度强度要求,但是从整体上看铝合金骨架上应力分布不均匀,多集中于各部件连接处,所以螺栓连接更安全可靠。使用铝合金座椅骨架不仅能减轻新能源汽车整椅的重量,使新能源汽车整体重量下降,减少油耗,还有着良好的减震性,可以提高驾驶员和乘客的乘坐舒适性。铸造整体式铝合金零部件能有效减少零部件数量,大大减少了零件焊点数量,减少焊接和装配工序。采用低压铸造成型工艺的零部件还可进行热处理,进一步提高强度,而且低压成型铸件结构紧密,性能更好,更有利于生产薄壁铸件。

3.2 镁合金 随着镁合金在新能源汽车工业上的用量增加,镁合金具有原材料广泛,成本低,生产加工技术成熟的优势。镁合金挤压型材和冲压板件刚性强、强度高,能有效减少零部件数量。座椅骨架中冲压钢板焊接而成的结构件如前主冲压板、后主冲压板、中间铰轴加强板、头枕支架、侧边铰轴加强板可以被镁合金挤压型材和冲压板件一体式结构替代。在镁合金板材上设置加强筋提高刚度并加强连接件之间的连接。与钢骨架相比,镁合金骨架不需要多次弯曲、冲压、冲孔,工艺会更加的简单,大大降低成本。镁合金座椅骨架能有效的减轻整椅质量,镁合金与镁合金之间的连接采用氩弧焊,尽量分段焊接,减少焊接变形。但需要注意的是当镁合金连接钢铁材料时,因为两种材料间存在电位差,会产生腐蚀影响座椅使用寿命,所以采用环氧树脂结构胶连接、铆接孔、铝铆钉等连接方法能提高结构连接强度规避电化腐蚀的影响。相比与钢骨架,能有效降低百分之五十的质量,实现了新能源汽车座椅轻量化目标。

3.3 碳纤维复合材料 碳纤维复合材料质量轻,强度大,密度是钢的1/4,抗拉强度却在3500 Mpa以上,很适合替代金属材料来制作座椅骨架。相比与镁、铝合金,碳纤维复合材料在减振性能方面有着明显的优势,根据纤维材料,含量的不同,其性能具有较宽的变化范围。与此同时,碳纤维复合材料具有高抗变形性、耐腐蚀性以及高疲劳的优点。碳纤维复合材料不仅能满足新能源汽车座椅的刚强度需求,还能减轻座椅质量。只要降低生产成本和优化生产工艺,碳纤维就能得到广泛应用。碳纤维复合材料座椅骨架主要分为上横梁、下横梁和侧板三部分,上横梁采用真空袋成型,下横梁和侧板采用层压模压成型,碳纤维和铝合金复合所制骨架是一体化成型,通过结构整体化设计,设计思路贯穿产品整个成型过程,大幅减少骨架零部件数量和焊接点,不仅满足相关法规的刚度与强度要求,而且还能减少连接件数量和制造成本。在实现材料的轻量化的前提下,运用计算机进行优化结构、优化尺寸等设计,达到新能源汽车座椅轻量化目的。

3.4 高强度钢 高强度材料一般分为低强度钢、高强度钢、超高强度钢。屈服强度低于210 Mpa的钢为低强度钢,屈服强度在210 Mpa～550 Mpa的钢为高强度钢,屈服强度大于550 Mpa的钢为超高强度钢。在汽车制造领域钢材料应用广泛,超高强度钢制作的座椅骨架与钢骨架相比能有效降低25%重量,且成本低,很适合作为一种新能源汽车座椅骨架的轻量化材料。采用高强度钢、超高强度钢制作的汽车骨架抗变形能力强,吸收冲击能力强,弹性应变区域大,所以高强度钢在汽车座椅骨架轻量化应用主要通过减薄零件厚度来实现。

4 结语

结构优化减重效果有限,采用轻量化材料成为实现新能源汽车座椅轻量化的首选途径,简言之,就是用性能参数更高的,更轻的材料代替体积质量比较大的部位材料。设计人员在实际工作的过程中,要重视这一问题度,利用新的材料来更替原有重量较大和密度较高的材料,并且对所占重量较多的座椅部位进行轻量化的优化和调整,从而使得新能源汽车能够在当前时代下得到广泛的推广。