一种用于客车座椅固定件的辊压型材开发

詹国臣，酒军亮，王小伟，赵圣洪，陈旭斌

(金龙联合汽车工业(苏州)有限公司，江苏 苏州 215026)

近年屡有因客车座椅脱落导致乘客受伤或死亡的事故发生。GB 13057—202X《客车座椅及其车辆固定件的强度(送审稿)》针对座椅固定件强度提出了更高的要求。本文提出一种新的座椅固定件结构，采用辊压成型制造工艺，在满足新标准要求的前提下，实现了制造效率的提升。

1 结构方案设计

1.1 传统结构方案

常见的客车乘客座椅固定方式有预埋钢板攻丝固定和钢滑轨滑槽固定。前者是预先在客车地板上预埋5～6 mm的钢板，安装座椅时先钻小孔再攻螺纹孔，最后安装座椅，该固定方式用料多、原材料成本高、制作工艺复杂、可靠性差。后者是在已有的地板骨架上拼焊C型滑槽，座椅通过镶嵌在C型滑槽内的滑块螺栓固定，如图1所示，该固定方式的优点是可靠性好、座椅安装效率高；缺点是没有考虑座椅滑轨与地板骨架的连接结构，没有与座椅腿的周围安装结构协同考虑，需要大量的辅助焊接工作，C形滑槽焊接的直线度一致性差，地板内饰安装的制作效率较低。

1-座椅固定螺用滑块螺栓；2-木板搭接铁板；3-木板；4-地板骨架；5-地板纵梁；6-过道封板；7-C形滑槽；8-座椅腿

1.2 新型固定件结构设计

本文采用整合的设计思路对上述第2种固定结构进行改进设计，将结构件5和功能件2、7整合为一体的异型材，如图2(a)所示。该异型材要同时满足座椅固定、木地板搭接和结构强度的要求。

图2(a)中，左上侧的小台阶用来搭接木板；右上侧开口凹形结构用于座椅固定，滑块螺栓可在凹槽中前后滑动；右侧的异型结构用来搭接过道封板和地板革；下侧的半矩形结构作为地板骨架梁起支撑地板的作用。图2(b)所示为该异型材在地板上的安装结构。

(a) 型材断面尺寸

1.3 主要参数确定

图2(a)中座椅固定件断面尺寸参数分为两类，一类是满足功能要求的参数、、、、和，另一类是满足座椅固定结构强度的尺寸和。

1) 先确定满足功能要求的参数。与木板厚度有关，按木板厚15 mm、地板革厚3 mm计，确定为18 mm；与原地板纵梁的宽度相同，为40 mm，满足地板骨架其他结构的对接设计要求；为木板的搭接面宽度，重点考虑木板与搭接面之间的打胶密封面需求，按现有密封胶胶枪的口径要求，设计为20 mm；为过道封板和地板革的搭接面，不宜过小，设计为23 mm；对强度及功能的影响较小，设计为132°；结合零件加工工艺设备参数，凹槽角度设定为35°。

2) 强度参数确定。① 凹槽间距的确定：针对该固定件匹配设计的螺栓滑块，采用螺栓标准件和滑块组合的方式。按照送审稿中静态拉力试验条件进行简化计算，螺栓承受的拉力需要大于6 125 N，选取10.9级M12螺栓(可承受的最大拉力载荷为8 770 N)。凹槽间距在螺柱直径12 mm基础上左右各增加1 mm的调节余量，因此取14 mm。② 壁厚的确定：壁厚的影响因素有异型材材质和螺栓滑块长。异型材材质选用Q355B或高强钢QSTE700；螺栓滑块如图2(b)所示，滑块断面根据异型材上部的凹槽形状进行匹配设计，滑块正中开M12的螺纹孔，螺栓和滑块通过螺纹连接。滑块长越大，滑块与异型材的接触面越大，异型材承受的应力越小，则越小。将壁厚(3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm)、异型材材质(QSTE700、Q355B)和滑块长(28.6 mm、50 mm)3个参数进行组合，按照送审稿中静态拉力试验的要求进行有限元分析。结果显示：异型材材质选用Q355B、壁厚选3.0 mm、滑块长选50 mm的组合方案满足试验要求；在轻量化方面，长1 m的异型材和3个滑块(1个双座需要3个滑块)的质量为3.78 kg，在所有方案中质量最小；另外，异型材在辊压成型过程中局部壁厚可能减薄0.2 mm，将壁厚设置为2.8 mm进行分析，仍满足试验要求。

1.4 强度验证

按照Q355B+3.0 mm的座椅固定件规格和50 mm长的螺栓滑块制作试验台架，进行静态拉力试验和动态试验，其中静态拉力试验中座椅采用等效刚性结构，动态试验中的座椅采用实车座椅。

1) 静态拉力试验。整个试验过程中刚性座椅完全约束在试验平台上，没有滑脱，符合法规要求。座椅固定件型材的变形趋势相近，都呈“S”状变形，前凹后凸。

2) 按照送审稿中的要求进行动态试验。台车模拟的碰撞速度为49 km/h，台车的减速度在30 ms内达到20，持续时间不少于20 ms。试验中座椅始终固定在试验平台上，固定螺栓没有脱落，后排椅脚处型材局部轻微变形，变形趋势同静态拉力试验结果，座椅固定件强度满足法规要求。

从上述静态拉力试验和动态试验结果看，该座椅固定件结构强度满足GB 13057—202X(送审稿)的要求。

2 座椅固定件型材工艺实现

该座椅固定件型材产品采用辊压成型工艺，图3为该座椅固定件型材的主要工艺路线，核心工艺包括15辊精密矫平、16道次粗轧成型和4道次精密整型。

图3 座椅固定件型材工艺路线

1) 带钢卷料。按照座椅固定件型材的厚度、材质以及横截面展开长度选择匹配的带钢。该固定件型材的成品尺寸：厚度3.0 mm、总高57 mm、总宽57 mm。采用的带钢规格：厚度3.0 mm、料宽216 mm、材质选用Q355B。

2) 15辊精密矫平。带钢开卷后进入矫平机，随后在15道次上下错位的轧辊作用下，钢带产生上下反复弯曲，进行矫平。通过在线15辊精密矫平工序消除钢带的残余应力，提高钢带的平整度，避免辊压成型后产生扭曲、拱形等缺陷。

3) 16道次粗轧成型。辊压成型的关键工艺设计包括辊花图设计、轧辊设计、轧辊布置以及成型机组形式选择等,其中辊花图和各道次轧辊设计是轧辊布置的基础：

① 辊花图设计。根据非对称断面成型道次数关系曲线可以计算出该座椅固定型材需要16道次的成型辊。确定成型道次后，再分配每一弯曲道次的轧辊弯曲角度(不可超过45°)。设计时需要借助有限元软件对各道次的成型进行应力检查，确保各道次边部应力不超过材料屈服极限。图4为型材的辊花图，序号0为平板状态，1、2、3…16分别为各道次的成型图，由型材左右两侧同时向中间成型。

图4 辊花图

② 轧辊设计。辊花图确定后，根据每一道次的成型图设计轧辊，主要采用上下成对轧辊，部分道次设置立辊或斜辊辅以成型，其中第11道次轧辊布置如图5所示，对型材左下直角进行第1次成型，成型角30°。

图5 第11道次轧辊布置

4) 4道次精密整型。最后对粗轧成型的型材进行精确整型，使其关键尺寸达到精度要求。第17、18和19道次采用四辊分离式矫直头，以确保平面度和直线度；第20道次为土耳其头矫直机，调整异型型材的扭曲度，以达到产品规定的要求。

5) 定长切断和断面形状校验。该产品需要根据不同长度进行切割，采用等离子或激光切割设备。型材断面尺寸为精密配合面，产品可通过影像测量仪对、、、、等关键尺寸进行校验，确保满足公差要求。

3 结束语

本文采用集成整合的设计思路对现有客车座椅固定结构进行正向设计，依据GB 13057—202X(送审稿)的要求，运用有限元仿真和平台试验相结合的方式，验证座椅固定件的可靠性，最后简要介绍该座椅固定件结构的工艺实现过程。