摘要：為了滿足汽車對座椅輕量化的要求，提出一種用鎂合金靠背總成及坐盆總成替代原鋼結(jié)構(gòu)骨架的設(shè)計方案。該方案中鎂合金靠背和坐盆均為一體式結(jié)構(gòu)，可以減少焊接成本和裝配時間。為了驗證鎂合金靠背和坐盆的結(jié)構(gòu)強度，使用Ls-dyna軟件對座椅骨架進行了FEA分析，結(jié)果表明靠背及坐盆應(yīng)力未超出鎂合金材料許用要求。在保證強度足夠的情況下，新設(shè)計鎂合金座椅靠背比原靠背總成質(zhì)量減輕44.5%，新設(shè)計鎂合金座椅坐盆比原坐盆總成質(zhì)量減輕37.2%，減重效果明顯，可以滿足設(shè)計要求。

一、前言

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展及節(jié)能減排的要求，汽車生產(chǎn)商對輕量化座椅的需求日益增加。目前輕量化座椅常用的減重方法有優(yōu)化骨架結(jié)構(gòu)和使用輕質(zhì)材料2種，其中優(yōu)化骨架結(jié)構(gòu)一般可以減輕座椅總重的10%～15%，對座椅輕量化提升有限[1]。因此，在骨架上使用輕質(zhì)材料成為座椅輕量化的一個重要研究方向。

目前可用于輕質(zhì)骨架的材料有鎂合金、鋁合金、熱塑性塑料和碳纖維增強復(fù)合材料等。熱塑性塑料成本低，但是機械性能較差，不可以回收再利用。碳纖維增強型復(fù)合材料的機械性能優(yōu)異，但成本較高，現(xiàn)在僅用于部分車輛座椅上。鎂合金和鋁合金價格適中，但是鎂合金延展性和強度較高，耐有機物等的腐蝕性更好，在彈性變形范圍內(nèi)能承受更大的沖擊載荷[2]。汽車座椅是人體和汽車聯(lián)系的紐帶，其骨架強度直接關(guān)系到座椅的使用壽命和駕乘人員的生命安全。為此本文提出設(shè)計一種鎂合金座椅，以滿足國內(nèi)經(jīng)濟型轎車市場的需求。

二、鎂合金骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前常用的鎂合金替代設(shè)計方法是增加鎂合金板件厚度，以使其擁有鋼板件的強度和剛度。相關(guān)研究表明當鎂合金板材厚度為鋼板厚度的1.2倍時可以達到鋼板件相同的強度，當鎂合金板材厚度為鋼板厚度的1.7倍時可以達到鋼板件相同的剛度[3]。因此，可以通過調(diào)整鎂合金座椅骨架厚度，使其擁有鋼骨架相同的力學(xué)性能。鎂合金的密度約為鋼的2/9，故可以預(yù)見鎂合金結(jié)構(gòu)可以減小骨架質(zhì)量。

汽車座椅具有足夠的強度才能承受不同工況下的載荷，從而避免乘員受到嚴重傷害。骨架是座椅的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，直接決定了座椅能達到的機械性能。如圖1所示，原始鋼結(jié)構(gòu)座椅骨架主要由靠背總成、坐盆總成、高度調(diào)節(jié)器、滑軌總成、調(diào)角器等機構(gòu)組成。原始座椅整體骨架質(zhì)量為13.56 kg，其中高度調(diào)節(jié)器、滑軌總成、調(diào)角器為核心安全部件，減重能力有限。靠背總成和坐盆總成主要由鋼板和型材拼焊而成，工藝工序復(fù)雜，對工人技術(shù)水平要求高。因此在盡量保留核心安全部件的基礎(chǔ)上，用鎂合金結(jié)構(gòu)替代原靠背總成和坐盆總成，以實現(xiàn)座椅輕量化設(shè)計的目的。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)座椅

通過分析國內(nèi)外大量座椅骨架設(shè)計并結(jié)合鎂合金替代設(shè)計經(jīng)驗，提出鎂合金靠背和坐盆一體成型結(jié)構(gòu)。如圖2所示，鎂合金靠背基本保持了原靠背總成的外廓形狀，并為調(diào)角器安裝板和靠背蛇形彈簧預(yù)留了相應(yīng)的安裝孔槽。鎂合金靠背在側(cè)板及頂部設(shè)計了加強筋以保證擁有足夠的強度。原靠背總成質(zhì)量為2.56 kg，鎂合金靠背質(zhì)量為1.42 kg，新設(shè)計比原靠背總成質(zhì)量減輕44.5%。鎂合金坐盆也設(shè)計成一體式結(jié)構(gòu)，可以大大減少焊接成本和裝配時間。原坐盆總成質(zhì)量為2.53 kg，鎂合金坐盆質(zhì)量為1.59 kg，新設(shè)計比原坐盆總成質(zhì)量減輕37.2%。

三、鎂合金座椅FEA分析

為了驗證設(shè)計的鎂合金靠背和坐盆強度，需要對座椅骨架進行計算機仿真分析。鎂合金座椅骨架有限元模型使用Ls-dyna軟件建立。鎂合金座椅骨架有限元模型中靠背采用殼和實體混合單元，坐盆采用實體單元。在座椅骨架裝配體中，焊縫采用剛性單元，螺栓采用剛性單元和梁單元[4]。已知鎂合金材料的工程屈服強度為125 MPa，抗拉強度為248 MPa。

圖2 鎂合金靠背和坐盆

1、安全帶固定點強度分析

按照GB 14167—2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》安全帶固定點試驗方法對座椅安全帶固定點強度進行分析，利用模擬安全帶對傷人體模型和下人體模型分別施加13 500 N的試驗載荷，對座椅重心施加一個相當于座椅質(zhì)量20倍的力，要求在規(guī)定的時間內(nèi)持續(xù)按規(guī)定的力加載，允許固定點周圍或周圍區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，包括部分斷裂或裂紋。

圖3所示為安全帶固定點強度分析結(jié)果，從圖上可以看出應(yīng)力主要集中在靠背上靠近安全帶固定點的位置。靠背最大應(yīng)力為187 MPa，坐盆最大應(yīng)力為140 MPa，均在鎂合金材料的工程屈服強度和抗拉強度之間。仿真結(jié)果表明鎂合金靠背和坐盆均出現(xiàn)了一定的塑性變形但并沒有出現(xiàn)撕裂。

圖3 安全帶固定點強度應(yīng)力分布

2、座椅坐盆向下強度分析

按照QC/T 740-2017《乘用車座椅總成》前排座椅坐墊向下強度試驗方法對鎂合金坐盆強度進行分析，利用直徑200 mm的壓頭對坐墊加載7 056 N，要求坐盆不得出現(xiàn)裂紋。

圖4所示為座椅坐盆向下強度分析結(jié)果，從圖上可以看出靠背上應(yīng)力很小，坐盆前端應(yīng)力較大。坐盆最大應(yīng)力為153.9 MPa，小于鎂合金材料的抗拉強度。結(jié)果表明鎂合金坐盆出現(xiàn)了一定的塑性變形但未出現(xiàn)裂紋。

圖4 坐盆向下強度分析應(yīng)力分布

3、靠背骨架總成強度分析

按照QC/T 740—2017《乘用車座椅總成》靠背骨架總成強度試驗方法對鎂合金骨架強度進行分析，在垂直于假人軀干線方向分別向前、向后加載，加載位置為靠背上橫梁中心位置。試驗要求如下。

1）后向加載時，靠背骨架在1 470 N的負載下不出現(xiàn)塑性變形，在1 764 N的負載下不出現(xiàn)破壞；

2）前向加載時，靠背骨架在1 058 N的負載下不出現(xiàn)塑性變形，在1 274 N的負載下不出現(xiàn)破壞。

圖5所示為后向加載時靠背骨架總成強度分析結(jié)果，其中圖5a為加載1 470 N時靠背骨架的應(yīng)力分布圖，圖5b為加載1 764 N時靠背骨架的應(yīng)力分布圖。從圖5a上可以看出在加載1 470 N時，靠背骨架上最大的應(yīng)力出現(xiàn)在頭枕桿附近，最大應(yīng)力值為125.3 MPa恰好等于鎂合金材料的工程屈服強度。結(jié)果說明靠背骨架有塑性變形的風(fēng)險。從圖5b上可以看出在加載1 764 N時，靠背骨架上最大的應(yīng)力出現(xiàn)在頭枕桿附近和坐盆側(cè)板上方，其中靠背上部最大應(yīng)力值為127 MPa，坐盆上最大應(yīng)力值為129 MPa。鎂合金部件最大應(yīng)力略大于鎂合金材料的工程屈服強度并且小于抗拉強度，說明靠背骨架有塑性變形的風(fēng)險，但不會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

圖5 靠背后向加載應(yīng)力分布

圖6 所示為前向加載1 274 N時靠背骨架總成強度分析結(jié)果，從圖上可以看出坐盆上應(yīng)力很小，靠背上部應(yīng)力較大。靠背骨架上最大應(yīng)力為141.5 MPa，小于鎂合金材料的抗拉強度；坐盆最大應(yīng)力為121 MPa，小于鎂合金材料的工程屈服強度。結(jié)果表明鎂合金靠背出現(xiàn)了一定的塑性變形但未破壞。

圖6 前向加載應(yīng)力分布

4、頭枕靜強度分析

按照GB 11550—2009《汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法》頭枕靜態(tài)性能試驗方法對鎂合金骨架強度進行分析，利用模擬人體背部模型向后對座椅靠背施加一個相對于H點373 N·m的力矩，然后在頭枕頂部向下65 mm處對頭枕施加一個相對于H點373 N·m的力矩，若座椅或靠背未損壞繼續(xù)增加負載到890 N，卸載后查看座椅狀態(tài)。試驗要求頭部模型的最大允許后移量應(yīng)小于102 mm，將頭部模型上初始負載繼續(xù)增加至890 N時，頭枕及其固定裝置不能損壞。

圖7所示為頭枕靜強度分析結(jié)果，其中圖7a為在頭枕施加一個相對于H點373 N·m力矩時座椅各部分的位移量圖，圖7b為在頭枕上繼續(xù)增加負荷至890 N時鎂合金骨架應(yīng)力分布圖。從圖7a上可以看出頭部模型的最大位移為76.8 mm，小于標準要求的102 mm。從圖7b上可以看出靠背骨架上部最大應(yīng)力為183.1 MPa，靠背下部連接螺栓處最大應(yīng)力為129.4 MPa，坐盆最大應(yīng)力為118.9 MPa，小于鎂合金材料的抗拉強度。結(jié)果表明鎂合金坐盆出現(xiàn)了一定的塑性變形但未出現(xiàn)裂紋，鎂合金材料有一定的安全余量。

圖7 頭枕靜強度分析結(jié)果

FEA分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

1）安全帶固定點分析時，鎂合金靠背和坐盆均出現(xiàn)了一定的塑性變形但并沒有出現(xiàn)撕裂，可以滿足標準要求；

2）前排座椅坐墊向下強度分析時，鎂合金坐盆出現(xiàn)了一定的塑性變形但未出現(xiàn)裂紋，可以滿足標準要求；

3）靠背骨架總成強度分析時，鎂合金靠背和坐盆在前、后向加載時均未出現(xiàn)破壞，可以滿足標準要求；

4）頭枕靜態(tài)性能分析時，頭枕的最大位移為76.8 mm。頭枕繼續(xù)增加負荷至890 N時，鎂合金靠背出現(xiàn)了一定的塑性變形但未出現(xiàn)裂紋，坐盆未出現(xiàn)塑性變形和裂紋，可以滿足標準要求。

四、結(jié)論

基于座椅輕量化的迫切需求設(shè)計了一款鎂合金座椅骨架，然后根據(jù)標準要求對座椅骨架強度進行了FEA分析，結(jié)果如下。

1）新設(shè)計鎂合金靠背和坐盆為一體成型結(jié)構(gòu)，其中鎂合金靠背比原靠背總成質(zhì)量減輕44.5%，鎂合金坐盆比原坐盆總成質(zhì)量減輕37.2%，減重效果明顯。

2）FEA分析結(jié)果表明，鎂合金靠背和坐盆可以滿足標準強度方面的要求，并且還有一定的安全余量。