摘要：為(wéi)了滿(mǎn)足汽車(chē)對座椅輕(qīng)量化的(dí)要(yào)求(qiú)，提(tí)出一(yī)種用鎂(měi)合(hé)金(jīn)靠背總(zǒng)成及坐(zuò)盆總成(chéng)替代(dài)原(yuán)鋼結(jié)構(gòu)骨(gǔ)架(jià)的設計(jì)方(fāng)案。該方案(àn)中鎂(měi)合金(jīn)靠(kào)背和(hé)坐盆(pén)均為一體式結構，可(kě)以(yǐ)減少焊(hàn)接成本和(hé)裝配時間(jiān)。為(wéi)了驗(yàn)證(zhèng)鎂合(hé)金靠背和坐盆的結構(gòu)強(qiáng)度，使(shǐ)用(yòng)Ls-dyna軟件對座椅(yǐ)骨架進行了FEA分(fēn)析(xī)，結果表明靠(kào)背及(jí)坐盆應力未(wèi)超(chāo)出鎂合金材料許用要(yào)求。在保證(zhèng)強度足夠的(dí)情(qíng)況下(xià)，新(xīn)設計鎂合金座(zuò)椅(yǐ)靠背比原(yuán)靠背總成(chéng)質量減輕44.5%，新(xīn)設計鎂(měi)合金(jīn)座椅(yǐ)坐盆比原坐盆總成質(zhì)量減(jiǎn)輕37.2%，減重(zhòng)效(xiào)果明(míng)顯(xiǎn)，可以滿(mǎn)足(zú)設計(jì)要(yào)求(qiú)。
一，前(qián)言
隨著新(xīn)能源汽(qì)車的(dí)蓬勃(bó)發展及節能減排(pái)的要求(qiú)，汽(qì)車(chē)生產商(shāng)對(duì)輕(qīng)量(liáng)化(huà)座(zuò)椅(yǐ)的需求日(rì)益增(zēng)加(jiā)。目(mù)前輕量化(huà)座椅(yǐ)常用的減(jiǎn)重方法有(yǒu)優化骨(gǔ)架結構(gòu)和使(shǐ)用(yòng)輕質材(cái)料(liào)2種，其中(zhōng)優化(huà)骨架結構(gòu)一般可(kě)以(yǐ)減輕座椅(yǐ)總重的(dí)10%～15%，對座(zuò)椅(yǐ)輕(qīng)量化(huà)提(tí)升(shēng)有限[1]。因(yīn)此(cǐ)，在(zài)骨架上使用(yòng)輕質(zhì)材(cái)料成為(wéi)座椅輕量化的一個(gè)重要研(yán)究方(fāng)向(xiàng)。
目前(qián)可用於輕質骨架的材料有鎂合金，鋁(lǚ)合金，熱(rè)塑(sù)性塑料和碳纖維增(zēng)強復合材(cái)料等。熱塑(sù)性塑料成本低(dī)，但是(shì)機(jī)械性能較(jiào)差，不(bù)可以回(huí)收再利用。碳纖(xiān)維增強型(xíng)復合(hé)材料(liào)的機(jī)械(xiè)性能優異，但(dàn)成本較高，現在(zài)僅用於部分車輛座椅上。鎂合金和鋁合(hé)金(jīn)價格適中，但是(shì)鎂合金延展性和強度(dù)較高，耐(nài)有(yǒu)機(jī)物(wù)等的(dí)腐(fǔ)蝕(shí)性更(gēng)好(hǎo)，在彈性(xìng)變形範圍內能(néng)承受更大的(dí)衝擊載(zǎi)荷(hé)[2]。汽(qì)車座(zuò)椅是人體和(hé)汽(qì)車(chē)聯係的紐帶(dài)，其(qí)骨架(jià)強(qiáng)度(dù)直接關係(xì)到座椅的(dí)使用壽命和駕乘(chéng)人(rén)員的(dí)生(shēng)命(mìng)安(ān)全。為此本(běn)文提出設(shè)計(jì)一種(zhǒng)鎂合(hé)金座椅(yǐ)，以(yǐ)滿足(zú)國內(nèi)經濟型轎車市場(cháng)的需(xū)求。
二，鎂(měi)合(hé)金骨架結(jié)構設(shè)計(jì)
目前(qián)常(cháng)用的(dí)鎂合金(jīn)替(tì)代(dài)設(shè)計方法是(shì)增加(jiā)鎂合(hé)金(jīn)板件厚(hòu)度(dù)，以(yǐ)使(shǐ)其擁(yōng)有鋼板件(jiàn)的(dí)強(qiáng)度和(hé)剛度。相(xiāng)關研(yán)究表明當鎂(měi)合金(jīn)板材(cái)厚度為鋼板(bǎn)厚(hòu)度的(dí)1.2倍時可以(yǐ)達到(dào)鋼(gāng)板(bǎn)件相同的(dí)強度(dù)，當鎂(měi)合(hé)金(jīn)板(bǎn)材(cái)厚度(dù)為鋼板厚度(dù)的1.7倍時可以達(dá)到鋼(gāng)板(bǎn)件相同(tóng)的剛度(dù)[3]。因(yīn)此，可以通(tōng)過調整(zhěng)鎂(měi)合金座椅骨架厚度(dù)，使其(qí)擁有鋼骨架相同(tóng)的(dí)力(lì)學(xué)性能。鎂(měi)合金的密度約為鋼的(dí)2/9，故(gù)可以(yǐ)預(yù)見(jiàn)鎂合金結(jié)構可(kě)以減(jiǎn)小骨(gǔ)架質(zhì)量(liáng)。
汽車座(zuò)椅具有足(zú)夠的強度(dù)才能承受(shòu)不同工(gōng)況(kuàng)下的載荷，從而(ér)避免(miǎn)乘員受(shòu)到嚴重(zhòng)傷(shāng)害。骨架(jià)是(shì)座椅(yǐ)的基礎結構，直接決定了座椅能達到的(dí)機(jī)械性能(néng)。如圖1所(suǒ)示，原始鋼(gāng)結(jié)構座椅骨架主要由(yóu)靠背總(zǒng)成(chéng)，坐盆總(zǒng)成(chéng)，高度(dù)調節器，滑(huá)軌總成，調角器(qì)等(děng)機(jī)構組(zǔ)成。原始座椅整(zhěng)體骨(gǔ)架(jià)質(zhì)量為(wéi)13.56 kg，其(qí)中(zhōng)高度調節器(qì)，滑軌(guǐ)總成，調角器為核心安全部(bù)件，減重能力(lì)有(yǒu)限(xiàn)。靠背總(zǒng)成和坐(zuò)盆總成主(zhǔ)要由鋼板(bǎn)和型(xíng)材(cái)拼焊而成，工(gōng)藝工序復雜，對工(gōng)人技術(shù)水(shuǐ)平要(yào)求高。因此(cǐ)在盡量保留(liú)核(hé)心安全部件的(dí)基(jī)礎上(shàng)，用(yòng)鎂(měi)合金(jīn)結構替代(dài)原靠背總(zǒng)成和坐(zuò)盆總成(chéng)，以實現座(zuò)椅輕量化(huà)設計的(dí)目(mù)的。
圖(tú)1 鋼結(jié)構座椅
通過分析國內外(wài)大量座(zuò)椅骨架設計並(bìng)結合鎂合金替(tì)代(dài)設計(jì)經(jīng)驗，提(tí)出(chū)鎂(měi)合金靠背和坐(zuò)盆(pén)一體(tǐ)成型結構。如(rú)圖2所(suǒ)示，鎂合金靠(kào)背(bèi)基(jī)本(běn)保持(chí)了原(yuán)靠背(bèi)總(zǒng)成的外廓形狀，並(bìng)為(wéi)調(tiáo)角(jiǎo)器(qì)安裝板和靠背蛇形彈簧預(yù)留了(liǎo)相應(yīng)的(dí)安裝孔槽(cáo)。鎂合(hé)金(jīn)靠(kào)背在側板及頂(dǐng)部設計了(liǎo)加(jiā)強(qiáng)筋(jīn)以保證(zhèng)擁有(yǒu)足夠的(dí)強度(dù)。原靠(kào)背(bèi)總成(chéng)質(zhì)量為2.56 kg，鎂合金靠背(bèi)質量(liáng)為(wéi)1.42 kg，新設(shè)計比(bǐ)原(yuán)靠(kào)背總成(chéng)質量減(jiǎn)輕(qīng)44.5%。鎂合(hé)金(jīn)坐盆也(yě)設計(jì)成一體(tǐ)式(shì)結構(gòu)，可(kě)以大大(dà)減(jiǎn)少(shǎo)焊接成本(běn)和(hé)裝(zhuāng)配時間(jiān)。原(yuán)坐盆總成(chéng)質量(liáng)為2.53 kg，鎂合金(jīn)坐盆(pén)質(zhì)量(liáng)為1.59 kg，新(xīn)設計(jì)比原坐(zuò)盆總成質量(liáng)減輕37.2%。
三，鎂合金(jīn)座椅FEA分(fēn)析
為(wéi)了驗(yàn)證設計的(dí)鎂(měi)合金(jīn)靠(kào)背和(hé)坐盆強(qiáng)度(dù)，需要(yào)對座(zuò)椅骨架(jià)進行計(jì)算機仿真分析(xī)。鎂(měi)合金座(zuò)椅骨(gǔ)架有(yǒu)限元(yuán)模型使用Ls-dyna軟(ruǎn)件(jiàn)建(jiàn)立(lì)。鎂(měi)合金座(zuò)椅(yǐ)骨(gǔ)架有限元模(mó)型(xíng)中靠背采(cǎi)用殼和實體混合單(dān)元，坐(zuò)盆(pén)采用(yòng)實(shí)體單元。在座(zuò)椅(yǐ)骨架裝配體中(zhōng)，焊縫采用剛(gāng)性(xìng)單(dān)元，螺(luó)栓(shuān)采(cǎi)用剛(gāng)性單元和(hé)梁單元(yuán)[4]。已知鎂(měi)合金(jīn)材料的(dí)工(gōng)程屈服強(qiáng)度(dù)為125 MPa，抗拉強(qiáng)度為248 MPa。
圖2 鎂(měi)合金(jīn)靠(kào)背和(hé)坐(zuò)盆(pén)
1，安(ān)全帶固定點強(qiáng)度分析
按(àn)照GB 14167—2013《汽(qì)車(chē)安(ān)全帶安(ān)裝固(gù)定(dìng)點(diǎn)，ISOFIX固(gù)定點係(xì)統及上拉(lā)帶(dài)固定點》安(ān)全(quán)帶固(gù)定(dìng)點試(shì)驗方法對座椅安(ān)全(quán)帶(dài)固定(dìng)點強度(dù)進行分析，利(lì)用模(mó)擬安全帶(dài)對傷人體(tǐ)模(mó)型和下人(rén)體模型分(fēn)別(bié)施加13 500 N的試(shì)驗(yàn)載荷(hé)，對(duì)座(zuò)椅重(zhòng)心施(shī)加一個相當於(yú)座(zuò)椅質(zhì)量20倍的(dí)力，要求在規定(dìng)的(dí)時間(jiān)內(nèi)持(chí)續(xù)按規(guī)定(dìng)的(dí)力加(jiā)載，允許(xǔ)固定點周(zhōu)圍或周圍區域產(chǎn)生塑(sù)性(xìng)變形(xíng)，包括部分斷(duàn)裂(liè)或裂紋(wén)。
圖3所示為安(ān)全(quán)帶(dài)固(gù)定點強(qiáng)度(dù)分析結(jié)果(guǒ)，從圖上(shàng)可以(yǐ)看出(chū)應(yīng)力主要集中(zhōng)在(zài)靠背(bèi)上(shàng)靠(kào)近安全(quán)帶固定點(diǎn)的位(wèi)置(zhì)。靠(kào)背最大(dà)應力(lì)為(wéi)187 MPa，坐盆最大應(yīng)力(lì)為140 MPa，均在(zài)鎂(měi)合金材(cái)料(liào)的工(gōng)程(chéng)屈(qū)服(fú)強(qiáng)度和抗(kàng)拉強(qiáng)度之間(jiān)。仿(fǎng)真(zhēn)結(jié)果(guǒ)表(biǎo)明鎂(měi)合(hé)金靠背(bèi)和(hé)坐盆均出現了一(yī)定(dìng)的(dí)塑(sù)性變(biàn)形但(dàn)並(bìng)沒(méi)有(yǒu)出現(xiàn)撕裂。
圖3 安全(quán)帶固(gù)定(dìng)點(diǎn)強度應力(lì)分(fēn)布
2，座椅(yǐ)坐盆(pén)向(xiàng)下(xià)強度分(fēn)析
按(àn)照QC/T 740-2017《乘(chéng)用車座椅(yǐ)總(zǒng)成(chéng)》前排座(zuò)椅坐墊(diàn)向(xiàng)下(xià)強(qiáng)度(dù)試驗(yàn)方法對(duì)鎂合(hé)金坐盆(pén)強(qiáng)度進行分析，利用直(zhí)徑200 mm的壓頭(tóu)對(duì)坐(zuò)墊(diàn)加載(zǎi)7 056 N，要求坐(zuò)盆不得出現裂紋。
圖4所示為座(zuò)椅坐盆(pén)向下(xià)強度分(fēn)析(xī)結果，從圖上可(kě)以看出(chū)靠背(bèi)上(shàng)應力(lì)很小，坐盆(pén)前(qián)端應力(lì)較(jiào)大(dà)。坐盆最(zuì)大應(yīng)力(lì)為153.9 MPa，小於鎂(měi)合金材料的抗拉(lā)強度(dù)。結果表(biǎo)明(míng)鎂(měi)合金(jīn)坐盆(pén)出現了一定的塑(sù)性變形(xíng)但未出現裂(liè)紋(wén)。
圖4 坐盆(pén)向下強度分析應(yīng)力分(fēn)布
3，靠(kào)背(bèi)骨架總成強度(dù)分析
按(àn)照QC/T 740—2017《乘用車座椅總成》靠(kào)背骨架總成強度試(shì)驗(yàn)方法對鎂合金(jīn)骨架(jià)強(qiáng)度進(jìn)行分析，在垂(chuí)直於假(jiǎ)人軀(qū)幹綫(xiàn)方(fāng)向(xiàng)分別向(xiàng)前(qián)，向後加載，加載(zǎi)位(wèi)置(zhì)為靠背上(shàng)橫梁中心(xīn)位(wèi)置。試驗(yàn)要(yào)求如(rú)下。
1）後(hòu)向加(jiā)載時(shí)，靠背(bèi)骨架在1 470 N的(dí)負載(zǎi)下(xià)不出現塑性變(biàn)形(xíng)，在(zài)1 764 N的負(fù)載(zǎi)下不出現(xiàn)破壞(huài)；
2）前(qián)向加載(zǎi)時，靠背骨(gǔ)架在1 058 N的負載下(xià)不出現(xiàn)塑性(xìng)變形，在1 274 N的負載下(xià)不(bù)出現破壞(huài)。
圖5所示為(wéi)後(hòu)向加(jiā)載(zǎi)時靠背骨架總(zǒng)成強度(dù)分(fēn)析(xī)結果，其(qí)中圖5a為(wéi)加(jiā)載1 470 N時(shí)靠背骨(gǔ)架的應(yīng)力分(fēn)布(bù)圖，圖5b為(wéi)加載(zǎi)1 764 N時(shí)靠(kào)背(bèi)骨架(jià)的應(yīng)力(lì)分布圖。從圖5a上(shàng)可以(yǐ)看(kàn)出(chū)在(zài)加載1 470 N時(shí)，靠背(bèi)骨(gǔ)架上最大的應力出(chū)現在(zài)頭枕杆(gān)附近，最大應力(lì)值為125.3 MPa恰好(hǎo)等於(yú)鎂合(hé)金材(cái)料的工程屈(qū)服(fú)強(qiáng)度。結(jié)果說明靠(kào)背骨(gǔ)架(jià)有塑性(xìng)變形的風(fēng)險。從(cóng)圖(tú)5b上(shàng)可以(yǐ)看出在(zài)加載(zǎi)1 764 N時，靠背骨架(jià)上(shàng)最(zuì)大的應力(lì)出(chū)現(xiàn)在(zài)頭枕杆(gān)附近(jìn)和坐盆側(cè)板上(shàng)方，其中(zhōng)靠背上(shàng)部最(zuì)大應(yīng)力(lì)值為127 MPa，坐盆上最大應(yīng)力值(zhí)為129 MPa。鎂合金部件最(zuì)大應力略(lüè)大於(yú)鎂(měi)合金(jīn)材料的(dí)工程屈(qū)服強度(dù)並且(qiě)小於(yú)抗(kàng)拉強(qiáng)度(dù)，說明靠背骨架(jià)有塑(sù)性(xìng)變形(xíng)的風險(xiǎn)，但不(bù)會(huì)出現(xiàn)破壞(huài)現象(xiàng)。
圖(tú)5 靠(kào)背後向加載應力分布(bù)
圖6 所示為(wéi)前(qián)向加(jiā)載1 274 N時靠(kào)背(bèi)骨架總成(chéng)強(qiáng)度(dù)分析結果(guǒ)，從(cóng)圖(tú)上可以(yǐ)看(kàn)出坐盆(pén)上應力(lì)很小，靠背上部(bù)應力較大。靠背骨架上(shàng)最大應力(lì)為141.5 MPa，小於(yú)鎂合金材(cái)料(liào)的(dí)抗拉強(qiáng)度(dù)；坐(zuò)盆(pén)最(zuì)大應(yīng)力為121 MPa，小於鎂(měi)合金(jīn)材(cái)料的工程屈服(fú)強(qiáng)度(dù)。結果(guǒ)表明鎂合金(jīn)靠(kào)背出現了(liǎo)一定的(dí)塑性(xìng)變(biàn)形但未(wèi)破壞。
圖6 前(qián)向加載(zǎi)應(yīng)力分(fēn)布
4，頭(tóu)枕(zhěn)靜強(qiáng)度分析
按照GB 11550—2009《汽車(chē)座(zuò)椅(yǐ)頭枕強度要求和(hé)試(shì)驗方(fāng)法(fǎ)》頭枕靜態(tài)性能試(shì)驗(yàn)方(fāng)法(fǎ)對鎂(měi)合金(jīn)骨(gǔ)架強度進行(háng)分析(xī)，利(lì)用(yòng)模(mó)擬人體背(bèi)部模(mó)型(xíng)向(xiàng)後對座椅靠(kào)背(bèi)施加一個相對(duì)於(yú)H點373 N·m的(dí)力(lì)矩，然後在(zài)頭(tóu)枕頂部向(xiàng)下(xià)65 mm處(chǔ)對(duì)頭枕施(shī)加一(yī)個(gè)相對於(yú)H點(diǎn)373 N·m的力(lì)矩，若座椅或靠背(bèi)未損(sǔn)壞繼續(xù)增加負載到890 N，卸載後查(chá)看座(zuò)椅(yǐ)狀(zhuàng)態。試(shì)驗要(yào)求頭(tóu)部模型(xíng)的(dí)最大(dà)允許(xǔ)後(hòu)移量應(yīng)小於(yú)102 mm，將頭部模(mó)型上初(chū)始負(fù)載(zǎi)繼續增(zēng)加(jiā)至890 N時，頭(tóu)枕(zhěn)及(jí)其(qí)固定(dìng)裝置(zhì)不能損(sǔn)壞。
圖7所示為頭枕靜強(qiáng)度(dù)分(fēn)析結果，其(qí)中(zhōng)圖7a為在(zài)頭(tóu)枕施加(jiā)一(yī)個(gè)相對於H點373 N·m力矩(jǔ)時(shí)座(zuò)椅各部分的位移(yí)量(liáng)圖(tú)，圖(tú)7b為(wéi)在頭(tóu)枕上(shàng)繼續增(zēng)加(jiā)負(fù)荷至890 N時鎂合金骨(gǔ)架應(yīng)力分(fēn)布(bù)圖。從圖7a上(shàng)可以(yǐ)看(kàn)出頭部模型(xíng)的最(zuì)大位(wèi)移為(wéi)76.8 mm，小於(yú)標(biāo)準要(yào)求(qiú)的102 mm。從圖(tú)7b上(shàng)可以看出靠背骨(gǔ)架上(shàng)部最(zuì)大(dà)應(yīng)力為(wéi)183.1 MPa，靠(kào)背下(xià)部連(lián)接螺栓處最(zuì)大應力為(wéi)129.4 MPa，坐盆最大(dà)應力為118.9 MPa，小於鎂(měi)合(hé)金(jīn)材料的抗拉強(qiáng)度(dù)。結果(guǒ)表明鎂(měi)合(hé)金(jīn)坐盆(pén)出現(xiàn)了(liǎo)一(yī)定的(dí)塑(sù)性(xìng)變形但未(wèi)出現裂紋，鎂(měi)合(hé)金材料有(yǒu)一定的安(ān)全餘量(liáng)。
圖(tú)7 頭枕靜強度(dù)分(fēn)析結果(guǒ)
FEA分析(xī)結果可以(yǐ)得(dé)出以下結(jié)論。
1）安(ān)全(quán)帶(dài)固定點分析(xī)時，鎂(měi)合金靠(kào)背(bèi)和坐(zuò)盆均出現了(liǎo)一定的塑(sù)性變(biàn)形(xíng)但(dàn)並(bìng)沒有出現撕裂，可(kě)以滿足標準要(yào)求；
2）前排(pái)座椅(yǐ)坐墊向下(xià)強度(dù)分析(xī)時(shí)，鎂(měi)合金坐盆出現了(liǎo)一定的(dí)塑(sù)性變(biàn)形但(dàn)未出現裂(liè)紋(wén)，可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要(yào)求；
3）靠(kào)背骨(gǔ)架總(zǒng)成強(qiáng)度分析(xī)時，鎂(měi)合(hé)金(jīn)靠背和(hé)坐盆在前(qián)，後(hòu)向(xiàng)加載時均(jūn)未(wèi)出(chū)現破壞，可以(yǐ)滿足標(biāo)準要(yào)求；
4）頭枕靜(jìng)態性能分析(xī)時(shí)，頭(tóu)枕的(dí)最(zuì)大位移(yí)為76.8 mm。頭枕(zhěn)繼(jì)續增(zēng)加(jiā)負(fù)荷至890 N時，鎂(měi)合金(jīn)靠(kào)背出(chū)現了一定的塑(sù)性變形但未(wèi)出(chū)現(xiàn)裂紋，坐盆(pén)未出(chū)現(xiàn)塑(sù)性(xìng)變形和(hé)裂(liè)紋，可以(yǐ)滿(mǎn)足標(biāo)準要求。
四(sì)，結論(lùn)
基於座(zuò)椅輕量化的迫切需求(qiú)設計了一款鎂合(hé)金(jīn)座(zuò)椅(yǐ)骨(gǔ)架，然後(hòu)根據標(biāo)準要求對座椅骨架(jià)強度(dù)進(jìn)行(háng)了FEA分析，結果(guǒ)如下(xià)。
1）新設(shè)計(jì)鎂合(hé)金靠(kào)背和坐(zuò)盆(pén)為(wéi)一體成(chéng)型結(jié)構，其中鎂(měi)合(hé)金靠背比(bǐ)原靠背總成質量減(jiǎn)輕44.5%，鎂(měi)合金坐盆比原坐盆總成質量減(jiǎn)輕(qīng)37.2%，減(jiǎn)重(zhòng)效(xiào)果(guǒ)明(míng)顯(xiǎn)。
2）FEA分(fēn)析結(jié)果(guǒ)表明(míng)，鎂合金(jīn)靠背和(hé)坐盆(pén)可(kě)以滿(mǎn)足標準(zhǔn)強(qiáng)度(dù)方(fāng)麵的要(yào)求(qiú)，並且(qiě)還有一(yī)定(dìng)的安(ān)全(quán)餘量。
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