镁合金汽车座椅轻量化设计

孙振广，官钞

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

汽车轻量化技术的前提是要保证汽车的结构强度和驾驶员及乘客的安全，然后尽可能降低整车质量，提高汽车动力性能和经济性，减少污染物的排放[1]。汽车座椅作为汽车的重要内饰件，对其进行轻量化设计能大幅减小汽车质量。而随着人们生活水平的不断提高，不仅有对汽车座椅安全性的要求，还对它的舒适性和美观性提出新的要求。由于汽车零部件标准体系不完整且各项核心技术尚未取得显著突破，我国在汽车座椅设计和研发方面处于基础阶段[2]。镁合金具有质量轻、尺寸稳定性高、可回收性好和良好的机加工与铸造性能，若将镁合金应用于汽车座椅，将会为汽车座椅的发展带来曙光。

1 汽车座椅的结构与功用

1.1 汽车座椅的结构

汽车座椅由头枕、骨架、坐垫、靠背和调节装置等零部件组成，如图1 所示。座椅框架主要是一辆被分割成类似骨骼的零件，在现有的汽车座椅上所使用的两种骨架（靠背、坐盆）的材料均为St12，采用冲压等方式制造而成，最后将所有的零部件进行焊接而成，可实现靠背调节、坐垫的前后和高度调节。

图1 汽车座椅的基础结构Fig.1 Car seat structure

1.2 汽车座椅的功用

汽车座椅保证乘客的乘坐舒适和安全，是旅客运输有关的车内系统必需的组件。其主要作用是：作为驾乘人员的主要承载件；为驾乘人员进行位置区域划分；为驾乘人员提供良好的驾乘感受；当驾乘人员受到生命安全的威胁时，可与座椅形成一体，最大限度保障人员安全。

2 CATIA 软件下的三维实体设计

2.1 镁合金的应用

镁合金是目前工业应用材料中最轻的一种金属材料，其密度仅为钢铁材料的2/9、铝合金材料的2/3，而且具有比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性、导热导电性能好、吸振性和易于加工成型等特点[3]。梅赛德斯－奔驰公司在 SEL 型敞篷车上率先使用了金座椅框架。随后，福特汽车公司用镁合金生产座椅骨架取代钢制骨架，使座椅质量从4.0 kg 减为 1.0 kg。韩国现代汽车使用镁合金替代传统钢材制作汽车座椅骨架通过结构优化，最终，座椅骨架通过了安全法规试验，并成功减质量 50%[4]。由此可见，镁合金的应用对减轻汽车座椅的质量提供了很大帮助。

2.2 镁合金汽车座椅骨架靠背设计

汽车座椅骨架是整个汽车座椅系统中最核心的部件，占汽车座椅总重一半以上且承担了绝大多数座椅功能[5]。而对座椅骨架的设计又分为骨架靠背设计和骨架坐盆设计。

骨架靠背的设计可分为以下5 个过程：

（1）首先建立H 点（能够比较准确地确定驾驶员或乘员在座椅位置的参考点是躯干与大腿相连的旋转点“跨点”）。靠背整体是弧形状，利用 CATIA 的创成式曲面设计将靠背需要的曲面创建出来。

（2）对于靠背的下面部分，也就是靠背与坐盆连接处的那一部分的外形，进入草图，将该部分的外形尺寸在草图上画出来，再退出草图将所画好的草图利用创成式曲面设计的曲面拉伸命令拉伸出曲面。

（3）创建空间曲面，将座椅靠背的侧面的轮廓外形勾勒出来，创立多个曲面，利用曲面相交而成进行的倒圆角进行平顺化。去除多余的部分，保留靠背的头枕与背板的轮廓，去除轮廓以外的曲面，建立草图，将草图拉伸出来。隐藏之前的所有辅助曲面，再将曲面的锐边倒角化。

（4）为使座椅质量更轻，应对靠背减重。在与背部直接接触的位置挖孔，一方面，这个位置一半要安装靠背弹簧，可增加座椅的舒适性，不会让驾乘人员感到难受；另一方面，这一块可大面积挖孔，进行最大限度减重。为了增加靠背被挖去地方的强度，需要在此增加靠背发泡支撑。

（5）为了增加原有部件的强度，需要在靠背颈部加强和靠背侧部加强进行对加强筋的设计，最后用 CATIA 的加厚曲面的命令对曲面进行实体加厚。

经过CATIA 绘制的靠背骨架如图2 所示。

图2 骨架靠背Fig.2 Skeleton backrest

2.3 镁合金汽车座椅骨架坐盆设计

在人机工程学里，坐垫前部要考虑大腿在长时间下受到的最小压力，这样才能保证人体大腿部的血液循环，以避免长时间乘坐给人体带来的伤害[6]。因此，对骨架坐盆的设计可以分为如下几个过程：

（1）确定坐盆的尺寸,并将其拉伸成实体。为了后面的靠背与坐盆之间的连接处的“耳朵”安装在坐盆上，需要对当前实体进行拔模，拔模角度为 5°。

（2）高度裁剪。根据座椅骨架的实际要求，将高度设立为合理要求，同时，还得兼顾外观设计要求进行设计，进入草图模式，画出要裁剪的轮廓。

（3）减重处理。一方面是为了为产品节约成本，减轻镁合金汽车座椅骨架的整体质量，另一方面会为了舒适性考虑，即使会有坐垫发泡为驾乘人员提供舒适性的减震或者说缓冲的作用，但不可忽视的是坐盆是直接与驾乘人员接触的，中间加装弹簧是很有必要的，不能单靠发泡的作用来实现舒适性的提供；

（4）靠背与坐盆之间的连接，同样是压铸的方式进行制造，这样才能有更好的强度与刚度。首先将草图绘制出来并用创成式外形设计，然后将草图与上述一样填充出曲面。这样的连接才更加牢固结实，最后在零件设计模块里厚曲面命令将两块曲面进行实体加厚处理，并进行相应的开孔处理。

（5）坐盆边沿支架，主要起把驾乘人员固定在座椅的作用，防止转弯处或者意外情况的出现，是对驾乘人员的一种保护，但出于功能和外观设计的因素考虑，需要对其不规则设计，这样才符合大众的曲线设计感知。

经过CATIA 绘制的骨架坐盆，如图3 所示。最后把设计好的骨架靠背和骨架坐盆及其他零部件进行装配后，得到最终的汽车座椅结构如图4所示。

图3 骨架坐盆Fig.3 Skeleton sitting basin

图4 汽车座椅骨架Fig.4 Car seat frame

3 镁合金汽车座椅骨架有限元分析

3.1 模型有限元前期的几何清理

导入之前用 CATIA 软件画的三维实体，利用工具将自由边的红色的线最后修理成绿色的线。使用 equivalence 工具一次缝合多个自由边，这样软件就自然将这些小面小缝隙进行缝合，当然这样的处理方式只是前期的大范围的处理，还有一些容差大于 0.01 的自由边，需要用 toggle 和replace 工具来清理剩下的自由边。

3.2 模型网格剖分与整理

进行网格剖分的方式有很多种，但最常用的方式还是用 HyperMesh 自动生成网格，再利用整理工具对网格进行优化。为了能使网格剖分得更好，网格的质量能达到要求，需要将面板上的小孔、面倒圆、边倒圆进行去除缝补。这些前期的准备是为了之后的网格剖分时的整理。当然，调整网格样式还有很多种方法，例如在边线上增加硬点，增加硬点的方法是为了让网格划分得更细，这样可以让网格看起来很规整。用以上方法对模型的网格剖分就会得出镁合金汽车座椅骨架的靠背、坐盆、调角器等的网格，如图5 和图6 所示。

图5 靠背网格整理结果Fig.5 Results of backrest grid arrangement

图6 坐盆网格整理结果Fig.6 Results of grid arrangement of sitting basin

3.3 定义模型的材料属性和几何属性

虽然本研究是镁合金汽车座椅骨架的设计，但不是所有的座椅零部件都是采用的镁合金材料，因为在前面的部分有展示出镁合金的应用现状和镁合金的市场应用，作为一种新型材料，材料本身的成本价格就不简单，所以在考虑实际的情况下，只需要对座椅的靠背、坐盆、靠背调角器进行镁合金材料赋予，其余的滑轨、高度调节四连杆机构等其他金属器件采用传统汽车座椅骨架所用的钢材。针对本次课题的研究，镁合金选用镁铝合金 AM50，钢材选用传统用材冷轧钢St12，两种材料的物理属性见表1。

表1 镁合金汽车座椅骨架所用材料的物理属性Tab.1 Physical properties of magnesium alloy car seat frame materials

将这两种材料赋予所有的零部件，需要建立一个属性。选择 properties 工具按钮，建立相应的材料的厚度，比如坐盆部分的厚度是 3 mm，材料是 AM50。这样就建立了一个厚度为 3 mm的 AM50 材料的镁铝合金，其他的厚度也是按照一样的操作方式进行。接下来将已有的材料赋予零部件。

3.4 边界条件的确定与载荷加载后的静力强度分析

对于边界条件的确定，是对整体骨架进行有限元分析约束，这个约束就是在外滑轨的下面进行约束，如图7 所示。然后是坐盆和靠背的载荷加载，这个座椅靠背质心离R 点的距离为 246 mm，所以给靠背加载的载荷为 1 512 N，坐盆所加载是一个成人的重量为 700 N，如图8 所示。

图7 边界条件确定Fig.7 Determination of boundary conditions

图8 载荷加载Fig.8 Load loading

利用求解器进行求解。点击 Analusis 的loadstep 子面板，分别选择之前建立的约束和载荷组件 spc 和 load 两个组件，再点击 optistruct 进行求解，最终静力强度的应力云图和位移云图如图9、图10 所示。从应力云图可以看出，图8 所示加载载荷的情况下，大部分是应力合格的，没有出现应力集中的情况，只有滑轨处有少许的应力变化情况，但都属于应力合格的情况；从位移云图看出，位移最大的是头枕部，最大位移距离为 48.78 mm，这个值合格，属于国标规定范围，强度校核合格。

图9 应力云图Fig.9 Stress nephogram

图10 位移云图Fig.10 Displacement nephogram

5 结论

此次设计所采用的材料比较特殊，但可从中看出镁合金在未来的发展趋势和它的经济价值。研究内容包括汽车座椅骨架的三维实体设计和最后的强度分析，利用三维实体软件 CATIA 和有限元数据分析软件 HyperMesh 对本次课题进行实体设计和强度分析。镁合金汽车座椅骨架与传统座椅的设计进行比较，从两者的结构组成和零件数量进行对比，镁合金座椅的一个显著特点就是能一次性压铸成型，这样既能保证镁合金的比强度和比刚度，又能减少整体上的座椅骨架的零部件数量，从而减少工序的数量，减少模具的开发，节约项目的成本。从以上多个角度肯定了镁合金在我国的发展优势。