面向新能源汽车的座椅结构设计

王琼

(蔚来汽车科技(安徽)有限公司，安徽 合肥 230071)

0 前言

随着新能源汽车的出现，全新的汽车市场与应用环境对汽车座椅发展有了全新的需求。汽车座椅是与车体直接联系的主要部位，对于行车环境中的安全性、被动安全性都有着十分关键的作用。产品设计过程中，需要全面考虑座椅的安全性与舒适度，使其能够更加全面地适应人们的需要。

1 新能源汽车对座椅结构设计的新要求

1.1 结构和尺寸设计

新能源汽车搭载新的汽车发动机，没有油箱、传动轴、后驱动桥、适当座椅等常规动力汽车设计的车体后列座位的设计，使后列座位在体积与构造方面的设计方面有了扩展的余地。和常规动力汽车相比，新能源汽车车身设计的主要差异为添加了动力电池。动力电池的体积庞大且自重较大，在设计上无法得到充分的控制；另外，动力电池的高速充放电伴随的反应热会造成电池组间很大的温度变化，需要安装冷却系统。

目前，在售新能源汽车系统的布局方案也各有不同。纯电动汽车一般将动力组件设置于车身底板上，如：特斯拉Model S的组件设计为平板式，设计于底板下部；后列坐垫采取了有坐垫骨架的构造，占用了很多空间，为位置调整、按摩、通风等性能创造了必要条件。

混合动力汽车的驱动电池格局更加多元化，如：别克VELITE5的电池组件呈T形布置在前后排座位下方的连接式前排座位扶手,由于具有较大宽度的中央凸起区，后部坐垫则自然舍弃了座椅中部的使用区域；混动型运动型多用途汽车(SUV)的WEY P8则直接将动力电池布置安装在后备厢，但也由于动力电池受限于汽车前排换水阀门位置与油缸位置的垂直布置,所以该车后部的坐垫设计也直接采取了国内常规动力汽车底盘中采用的无坐垫骨架设计。

就目前我国交易市场上在售的纯电动汽车来看，应用T形动力电池组布局的汽车并不少，如比亚迪秦、荣威RX 5等都应用了无坐垫骨骼型的后排座位；而应用平板形动力电池组布局的汽车，如蔚来ES 8、特斯拉Model S/X等则应用了坐垫骨骼型的后排座位[1]。电动座椅的构造形式设计应当服从于整车动力系统布局的要求。在纯电动汽车中，有坐垫骨骼的后排座位适合于使用平板形电池组布局的车辆，无坐垫骨骼的后排座位则适合于使用T形及一些特殊外形电池组布局的车辆，而混动汽车中则普遍使用无坐垫骨骼的后排座位。

座椅的尺寸系数受清洁燃料、车辆特殊构造，尤其是电池组设计的限制。新能源汽车动力电池的设计涉及整个车身的轴荷分布。纯电动汽车通常将动力电池布置在前底板下、左右轴中间，在这样的车身设计结构形式下,汽车拥有良好的车身低重心稳定性和较合理的前后轴荷分布。较好的车载动力电池系统设计是将所有动力电池都聚集放置到整个锂离子电池组群内,将前后座电池组分为左右2个部分并设置安装在坐垫的下面。车身结构设计上，锂离子电池长度受汽车人机工程要求的影响，前后排座位位置、后排乘员头部空间等,都需要通过人机校核确定：首先确定出后排乘员模型的位置,即确定前后排座位、座椅基准点在整车坐标体系内的最大位置；再通过前后排座位坐垫厚度来确定坐垫与下座底板之间的垂直高度，从而确定空间高度。而许多混动汽车却因为其继承使用了常规动力汽车平台,为进一步增加车后的电池舱空间,刻意舍弃了后排座位的坐垫骨架设计,并降低其后座坐垫厚度,以牺牲舒适度来换得较长续航的高功率输出与超长续航。依据当前市售的型号规格及个人使用体验,后排座位坐垫骨架的实际最小厚度应在85 mm以内。但针对前排乘客座位来说，可以采取改变坐垫厚度、减少坐垫的控制部分、增加滑轨、改变安装点排布等妥协方案。

1.2 热环境设计要求

新能源汽车区别于常规动力汽车，其动力电池的最高工作温度有一定区间，过高或过低的工作温度都将影响动力电池效能。汽车内热环境不但与乘员的舒适度有关，还与汽车的发动机类型、功率有关。电池组的温度控制设备和高功率的汽车空调都会对汽车内热环境产生影响。汽车座椅受阳光辐照而升温，汽车窗玻璃的表面透射率对汽车座椅表面升温起重要作用。未来，新能源汽车将会越来越多地使用全景天窗，汽车座椅作为与电池组位置最近的零件之一，同时又是在太阳暴晒时车身内部热辐射比例最大的地方，因此其使用也需要考虑新能源汽车对散热性能的特殊需求。

2 面向新能源汽车的座椅结构设计

2.1 轻量化设计

汽车座椅的轻量化是车辆轻量化的主要部分，车辆材质的降低能够有效减少燃料的损耗和改善车辆的经济性。对新能源汽车而言，因为添加了动力电池等新的技术，轻量化设计变得更加重要。座椅轻量化的重点是降低座椅骨架的质量，具体可以采用以下3种方案：① 采用轻量化复合材料；② 采用拓扑设计的方法对架子材料进行优化设计；③ 引入新型材料制作技术，在设计实践中采用多种方法互相融合的新技术[2]。

使用轻质建筑材料是完成座椅骨架最轻质量目标的主要实现路径之一。在国内，未来生产的中高档汽车座椅都将逐步采用轻铝合金、镁合金材质代替高强度钢；而在目前碳纤维材质制作的座椅工艺已越来越趋向完善成熟的市场背景下,碳纤维材质座椅被作为第一选择优先考虑。

铝合金材质具有轻量化、导热性能好、冲击吸收能力强、易于回收等优点。按照铝合金材质在我国汽车车辆制造业中的实际使用情况，以铝合金材料取代钢铁时，每个零部件的整体质量一般会减少30%～60%。尽管铝合金材质可以应用在汽车发动机盖、后备箱罩、翼子板、门窗、桨毂等重要结构零部件上，但它在汽车座椅上的适用范围较小，主要因为：① 生产成本高，铝合金材料的市场销售量是钢铁的2～3倍；② 焊接性能较差，铝合金材料具有很大的热膨胀系数，当焊缝受热时热影响范围较广，零部件体积不易控制，对所需技术条件要求较高；③ 成型工艺局限，淬火、形变和压铸的加工方式都存在缺陷。虽然铝合金材料在汽车座椅骨架上的使用相对较少，但是它在航空、动车座位上的使用已经较为成熟，可成为未来汽车座椅骨架轻量化的重要参考。

此外，用镁合金AM 60所制作的座椅骨架质量比铝合金制作的座椅骨架轻33%左右，比钢铁材料制作的座椅骨架轻77%左右。铝镁材料在国内的价格比国外低，其加工成本比铝合金材料的加工成本低，其压铸模具的使用寿命是铝合金材料压铸模具使用寿命的2～3倍。从20世纪80年代开始，有些科研单位进行了铝镁复合材料在汽车座椅骨架中的应用研发，并有不少比较成功的例子。但铝镁材料在压铸过程中会产生疲劳强度降低等微观问题；另外，铝镁材料与钢铁材料接触时，容易出现材料锈蚀的现象。这些都是铝镁复合材料使用时必须克服的关键性困难。

拓扑改善是一种几何设计方法，可以从给定的框架中得到最佳优化的形式和框架分布。通过运用拓扑改善的方式，对给定限制条件下的骨骼模型，利用计算寻求材质的最佳分配，从而获得最佳的结构形式，达到座椅轻量化的目的。研究表明，考虑挤出方式限制和应力方向限制的座椅骨骼构造优化模型，以材质密度为主要设计因素，在限定条件中增加了挤出路径限制，使模型在限制的应力和挤出路径范围内可以实现材质分配的寻优，结果比改善前减重了50%。赵世佳等[3]以原结构的静态强度最大值为优选目标，通过变密度法对后排座椅的骨架结构实行了拓扑优化，将原结构与改善后的结构比较，结果表明：改善后的骨架结构在整体质量降低1.92%的情况下，增加了约19%的静态强度。

汽车座椅的构造材料大多为复杂薄壁管/板结构，在以铝合金材质代替钢铁材料结构的新形势下，低压铸造普遍用于汽车座椅用铝合金材质的铸造。低压铸造具有以下优点：

(1) 充型性能好。低压铸造的加压效果增强了合金溶液的流动性，可以用于复杂薄壁铸造。

(2) 稳定可控。按照铸造的各种构造和铸形的不同材质，制定不同类型的加压标准。低压铸造可控制并防止合金液体在型腔内的撞击、流淌现象，从而降低了氧化夹渣的产生，防止铸造缺口，改善了铸造品质。低压铸造的及格率一般为95%左右。

(3) 补缩力好。铸件在低压情况下容易结晶和固化，补缩力高，结构紧密，整体力学性能好。

(4) 金属利用率较好。工艺生产利用率达到了80%～95%。低压铸造时可少开甚至不开冒口，浇注过程相对简单，未凝结的金属液可流回原地，降低了金属材料的质量损失。

(5) 适用性好。低压铸造法基本上能适用于所有铸造合金材料，对合金材质的适用性很强，有色合金材料、铸铁、铸钢等都可采用该方法。

(6) 成本较低。低压铸造更容易达到生产自动化、机械化程度，较传统压铸投入更小。

2.2 舒适性设计

无论载体是常规动力汽车、新能源汽车还是航空高铁，汽车座椅的舒适度一直是座椅开发的主要目标对象。在相关标准规范中，只注重于座椅静质量比及稳定性，而在实际客户的使用中，最关心的是座椅的空气动力学功能和疲劳。调整功能才是实现座椅舒适度的关键特性，利用人力操纵和智能控制可以实现座椅在各个部分的自由移动，满足不同乘客的使用需求。当前的座椅产品，一般带有四向或者六向的调整功能，而未来更加复杂的调整功能才是座椅开发的主要目标。东北大学教授张昕宇在现有技术的基础上提出了一种全新的腰部支撑技术，针对不同的驾驶员和乘客，通过调整推板的连续进给方向，使人体腰部凸点的状态得以相应改变。

3 结语

在电动汽车开发逐渐步入新能源发展阶段的大背景下，电动汽车座椅的产品设计需要适应新的环境要求。在结构上，座椅必须和动力电池相配合，但同时也要考虑动力电池和太阳暴晒所产生的热影响；轻量化方面，由于汽车座椅是最主要车辆零件，对整车的节能有很大的作用；功能性方面，则必须从提高驾乘人员舒适度等方面不断扩展。为了满足上述要求，必须通过采用新型材料、改善工艺设计、改进人机工程学技术等来建立更安全可靠、更舒适、更经济的汽车座椅构造。