汽車座椅輕量化結構設計與優化

摘要：隨著汽車總保有量的不斷增加，汽車與能源、環保之間的矛盾己成為制約汽車產業可持續發展的突出問題。面對低碳時代的到來和節能減排的巨大壓力，汽車輕量化是解決這一問題最有效、最現實的途徑之一。從而推動了新材料新工藝在汽車工業中的應用和發展。其中，尤為引人注目的是鋁合金在汽車輕量化中的應用和發展。本文從座椅骨架材質輕量化、結構優化設計及成形工藝分析等方面入手對汽車座椅進行了輕量化設計研究。

關鍵詞：汽車座椅； 輕型化； 結構設計； 鋁合金； 低壓鑄造

隨著汽車總保有量和新增量的不斷增加，汽車耗油量及汽車二氧化碳、有害氣體及顆粒的排放量也在快速增加。在能源日益緊缺，環境同益惡化的今天，這種矛盾己成為制約汽車產業可持續發展的突出問題。面對能源危機和低碳環保的巨大壓力，解決這一矛盾最有效、最現實的方法之一，也是當今世界汽車工業發展的潮流，就是實現汽車的輕量化。

1.汽車輕量化概念

汽車輕量化（Lightweight of Automobile）就是必須在保證汽車使用性能，如強度、剛度和安全性的前提下，降低汽車的重量，從而提高汽車的動力性能，燃油經濟性，并且降低廢氣污染。汽車輕量化并不只是簡單地降低汽車重量，還包含了許多新理論、新材料、新工藝。

根據美國鋁協會研究，若汽車整車重量降低10%，其燃油效率可提高6%～8%；汽車整車重量每減少100kg，其百公里油耗可降低O.3～0.6L，二氧化碳排放量可減少約59/km。

總的來說，實現汽車輕量化主要有2種途徑：一是利用有限元方法，拓撲優化方法改進汽車整車結構及零部件結構，實現結構件材料分布最優化；二是利用各種輕量化材料，包括高強度鋼板材料和輕質材料。

結構輕量化設計就是利用有限元法和現代優化設計方法進行結構分析和結構優化，以減輕汽車車身、各零部件如發動機、承載件件和內飾件的重量。結構優化設計即在保證產品達到某些性能目標（如強度、剛度）并滿足一定約束條件的前提下，改變某些設計變量，使結構的重量最輕，這不但節省了材料，也便于運輸和安裝。優化設計以數學規劃為理論基礎，將設計問題的物理模型轉換成數學模型，運用最優化數學理論，以計算機和商業軟件為優化工具，在充分考慮多種約束的前提下滿足設計目標的最佳設計方案。有限元法在結構設計中被廣泛使用，它可以使任何復雜的工程問題，簡化為有限元模型進行分析研究。目前廣泛使用的結構優化工具Altair Optistruct，以有限元法為基礎，提供拓撲優化、尺寸優化、形貌優化、自由形狀優化等多種優化方法，可以對汽車車架結構及各零部件結構進行分析和優化。在有效滿足設計功能及外型要求的前提下，先經過概念設計在到詳細設計，尋找設計區域最優的材料分布，使得結構最輕，性能最佳，盡可能使零部件中空化、薄壁化、小型化、復合化，大大提高設計效率。

汽車輕量化材料主要有兩大類：一類是具有較低密度的輕質材料，諸如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復合材料等；另一類是高強度材料，如高強度鋼板，超高強度鋼板等。目前，汽車輕量化主要以汽車輕量化材料為主要實現途徑。汽車制造工業中已大量應用的輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、鎂合金和塑料、碳纖維、樹脂基復合材料等。汽車輕量化材料的研發和選用需考慮的因素有：一是具有較小的密度、較高強度的輕質材料，像鋁合金、鎂合金、塑料類材料、各種復合材料；二是在同樣密度和彈性模量下而比強度高、工藝性能好的材料，這種材料做成的結構件可以采用較小的截面抵抗較大的載荷；三是基于新型材料成形技術的輕量化結構材料，如金屬基復合材料板激光焊接板材、連續擠壓變截面鋁合金型材、適合各種精密鑄造成形的鑄造鋁合金材料等。方案一和二是通過更換汽車零部件材料種類來實現輕量化目的，方案三是通過采用新型材料結合先進成形技術來達到輕量化。在各輕質材料中，鋁合金材料在汽車上的應用尤為顯著，一些非金屬材料的比例也逐步增加。

2.汽車座椅輕量化設計方法及發展趨勢

汽車座椅結構優化的目的，首先是保證甚至提高座椅的靜態性能及動態性能，其次是減輕自重，降低制造成本，提高經濟性。

座椅的輕量化設計，主要是座椅骨架的輕量化，實現座椅輕量化的途徑跟上述汽車輕量化一致。一是通過使用輕質材料，二是利用有限元對骨架進行結構優化設計，三是通過采用新的制造工藝來達到輕量化的目的。實際工程中，一般會綜合運用兩種或兩種以上手段相互結合的方法。

2.1. 軋制型材鋼管座椅骨架

用軋制鋼管座椅骨架代替沖壓鋼板骨架是目前大部分國產客車座椅輕量化設計的主要手段，這種軋制鋼管材質一般為Q235鋼，具有良好的強度和剛度，而且座椅結構簡單、生產工藝簡單、模具成本低、需要的壓力機噸位小，更具經濟性，所以軋制鋼管座椅開始大量應用在客車、卡車和低檔轎車上。但是這種座椅相比輕合金座椅，重量較大，對于一般客車（50.60座），座椅重量占整車相當大比例，不符合輕量化發展之潮流。

2.2. 鋁合金座椅骨架

采用鋁合金代替原Q235鋼設計制造汽車座椅骨架，這是采用輕質材料實現汽車座椅輕量化的一個代表，它的優勢主要體現在：

2.2.1.大大減輕了座椅的重量，使大型客車整車質量下降，提高燃油經濟性，且鋁合金座椅減震效果好，提高了乘坐舒適性。

2.2.2.采用鑄造鋁合金整體式零部件，能夠有效減少零件的數量，明顯減少了零件焊點數量，焊接應力減小，座椅的總成靜強度提高。另外裝配工序減少，降低了制造成本。

2.2.3.采用低壓鑄造成形工藝，能有效提高材料利用率。另外，壓力下充型平穩可控，鑄件組織致密，具有良好的綜合機械性能。低壓鑄造件還可熱處理強化，進一步提高鑄件的強度。

汽車座椅輕量化設計，作為汽車輕量化的一部分，在國際汽車行業內的發展訊速，但是我國在這一方面起步較晚，技術還不成熟，所以利用有限元等先進手段進行鎂鋁合金在汽車座椅零部件上的應用研究，具有廣闊的前景和極高的工程應用價值。

3.低壓鑄造成形在汽車輕量化中的應用

3.1.低壓鑄造的優越性

低壓鑄造具有充型能力強、平穩可控，生產效率高，經濟性好等諸多優點而被廣泛用于汽車用鋁合金鑄件生產。此外，低壓鑄造件還可以熱處理強化，因此該方法主要應用于中、大型復雜薄壁、優質鑄造鋁合金件上。

低壓鑄造的優越性概括起來主要有：

3.1.1.充型能力強。低壓鑄造中壓力作用提高了合金液的流動性，有利于生產復雜薄壁鑄件。

3.1.2.充型平穩可控。根據鑄件的不同結構和鑄型的不同材料來確定不同的加壓規范。這種加壓可控性減少或避免了合金液在型腔內的沖擊、飛濺現象，從而減少了氧化夾渣的形成，避免或減少鑄件的缺陷，提高了鑄件質量，合格率一般可達95%左右。

3.1.3.補縮能力強。鑄件在壓力作用下結晶和凝固，補縮能力強，組織致密，綜合機械性能高。

3.1.4.金屬利用率高，工藝出品率可達80～95%。低壓鑄造可以不用或少用冒口且澆注系統簡單，尚未凝固的金屬液可流回坩堝中，減少金屬的損耗。

3.1.5.低壓鑄造基本上可用于各種鑄造合金，對合金材料的適用范圍廣，有色合金和鑄鐵、鑄鋼均可使用此工藝。

3.1.6.易于實現自動化、機械化，較壓鑄投資小。

3.2. 大型鋁合金薄壁件低壓鑄造發展趨勢

鋁合金具有前述的一系列優點，被稱為汽車輕量化最理想的材料。低壓鑄造具有充型能力強、充型平穩可控、結晶凝固時補縮能力強，鑄件質量好等優點，是一種比較先進的反重力鑄造工藝，越來越被各國所重視，逐步擴大該工藝在汽車用大型鋁合金結構件上的應用規模。

低壓鑄造自20世紀20年代發明后，已得到較大發展。歐美發達國家早在上世紀80年代就利用低壓鑄造生產出了大型鋁合金鑄件，已廣泛應用于航空、軍工、電工電子、汽車等領域。俄羅斯GNPP Splav公司開發的局部水冷低壓鑄造法成功生產出一種鋁合金防空導彈殼體；美國采用低壓鑄造法生產巡航導彈艙體；我國也有不少企業利用低壓鑄造生產一些大型軍用，民用產品。

大型復雜鋁合金鑄件的成形問題是主要問題，而低壓鑄造的特性恰恰能很好的解決這一問題，因此低壓鑄造是大型薄壁件最適宜的生產方法。大型復雜鋁合金鑄件的砂型低壓鑄造技術及適宜設備正在發展之中，有不少問題值得研究，例如，目前電磁泵充型的低壓鑄造機只用于較小的鑄件，將來能否用于大型件；氣壓充型液面加壓系統控制水平如何進一步提高，以獲得更理想的充型速度：低壓鑄造條件下大型件的冒口補縮能力及保壓壓力對鑄件補縮特征的影響；低壓鑄造用鑄型涂料的基本特征對鑄件質量影響等。

3.3. 低壓鑄造數值模擬

低壓鑄造同樣會產生許多鑄造缺陷，鑄件質量難以保證，這些缺陷的產生與低壓鑄造工藝密切相關。傳統低壓鑄造工藝的制定、改進及優化需反復試驗、分析才能最終確定，從而導致整個產品的開發周期過長，開發成本較高，嚴重制約了低壓鑄造技術的發展。

近年隨著計算機硬件及軟件技術的發展，計算機模擬仿真也進入了鑄造行業，各種商業仿真軟件大量出現，如Procast，Magmasoft，Flow一3D，Anycasting，華鑄CAE等。應用數值模擬軟件對低壓鑄造充型凝固過程進行數值模擬，可通過計算機屏幕直接觀察金屬充型和凝固過程，分析整個低壓鑄造過程中各因素（如加壓速率、升液管直徑、背壓、升液速度和模溫）對鑄件成形質量的影響，從而有助于及早發現鑄件中可能存在的缺陷，可對工藝進一步修改和優化提供理論依據。這樣便減少了試制次數，縮短了開發周期，節約開發成本。

低壓鑄造數值模擬技術尚不完善，目前正在深入研究的方向一是考慮多種邊界條件和完善熱物性參數，使得充型過程數值模擬更能接近于實際充型情況，同時非線性加壓工藝的研究也是一大熱點。二是研究壓力條件下的縮松判據，使得低壓鑄造數值模擬更加準確，聞星火等學者已在此方面做出很大貢獻。三是研究大型鑄件應力場的數值模擬。主要側重于鑄件應力、變形的影響因素以及工藝參數對模具熱疲勞、壽命的影響等問題。國內外很多研究人員直接使用大型通用分析軟件ANSYS，NASTRAN，ABAQUS，MARC，PANTRAN等進行鑄造應力場的模擬仿真。

4. 結束語

汽車的輕量化就是在保證整車強度和剛度的前提下，通過結構的輕量化設計及輕量化材料的使用，達到減輕整車質量的目的。此舉可以有效降低二氧化碳等有害氣體及顆粒的排放，提高燃油經濟性，因此，汽車輕量化是現代汽車設計的主流。總體來說，輕量化的發展主要有3個方向：一是利用CAE有限元分析優化整車骨架及各零部件結構，二是采用各類輕量化材料及成型方法。目前普遍應用的輕量化材料一類是高強度鋼板，另一類就是輕金屬材料如鎂、鋁合金，塑料及碳纖維材料等；新的成形方法主要有液壓成形、激光拼焊板成形，及針對金屬材料開發的半固態成形、各種壓力成形、粉末冶金等。

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作者簡介：楊可夫（1965.4.8-），男，漢族，畢業學校：中歐商學院MBA專業，學歷：碩士， 職務：副總經理，工作內容：分管市場、技術研發、質保工作。