汽車座椅骨架輕量化的研究概況

戰磊，孫軍，何金光，李威，孫繼國

(長春富維-江森自控汽車飾件系統有限公司技術中心，吉林長春 130033)

汽車座椅骨架輕量化的研究概況

戰磊，孫軍，何金光，李威，孫繼國

(長春富維-江森自控汽車飾件系統有限公司技術中心，吉林長春 130033)

簡要介紹了目前汽車座椅骨架輕量化技術的研究概況, 從結構輕量化和材料輕量化兩方面對汽車座椅骨架輕量化的實現途徑進行了闡述。對于汽車座椅骨架，在眾多輕量化途徑中，材料輕量化的效果優于結構輕量化。鎂合金和碳纖維復合材料在輕量化材料中比傳統鋼鐵材料更具有優勢，是未來汽車座椅骨架輕量化發展的重點。根據目前汽車座椅骨架制造工藝和成本的需求，采用高強鋼、超高強鋼進行輕量化設計仍然具有現實意義。

汽車座椅；輕量化；研究概況

0　引言

近年來，隨著汽車工業的飛速發展，全球汽車保有量急劇增長，由此產生的能源和環境污染問題凸顯。為了應對這些問題，歐洲經濟委員會(ECE)和歐盟于1992年正式頒布了汽車排放指令。隨后，我國也制定了《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》標準(GB27999-2011)。這些法令的頒布，極大地限制了汽車制造商的發展。有研究表明：一輛轎車的質量若能減少10%，則其燃油經濟性可提高3%～4%，同時汽車的排放量也會相應降低[1-3]。因而，汽車輕量化成為廣大汽車制造商能夠滿足相關排放法規的主要手段之一。對于汽車輕量化，其范圍大體上可分為4類：車身、底盤、發動機和內外飾件。由于汽車內外飾件相對較好的受力條件及工況，其輕量化實現起來相對容易，受到了廣大汽車制造商的關注[4-5]。作為汽車內外飾件中最大的零部件之一的汽車座椅，在滿足舒適性、安全性和美觀性的條件下，如何制作得更加輕盈自然而然地成了廣大汽車制造商所追求的目標。

汽車座椅主要由骨架、泡沫、面料、塑料件和其他功能件組成。對于整椅質量來說，骨架占60%～70%，泡沫占9%～12%、面料占7%～12%，塑料件占5%，而其他輔助的功能件則占到9%。很顯然，座椅骨架在整椅中質量占比最大，因此，減輕座椅骨架的質量，可以有效地實現整椅輕量化。自20世紀90年代以來，陸續有一些學者和研究機構開始了汽車座椅骨架輕量化的研究[6-8]。然而，由于國內汽車座椅的研發起步較晚，許多研究僅限于對座椅骨架一些過設計結構進行改進和優化，并未對整椅骨架輕量化進行深入的研究。因此，汽車座椅骨架輕量化的研究有著重要的理論意義和實際應用價值。

文中通過對比目前國內外汽車座椅骨架輕量化的研究概況，對輕量化技術及材料進行了分析，為發展汽車座椅骨架輕量化材料及其工藝技術奠定了一定的理論基礎。

1　汽車座椅輕量化評價方法

對于汽車車身，各個研發機構已經有了一些輕量化評價方法。較為流行的是寶馬汽車公司提出的輕量化系數表證方法[9]。該方法通過考慮汽車車身質量、扭轉剛度和投影面積，計算出一個數值，即為輕量化系數L，其具體表示如下：

(1)

其中：m為車身質量，kg；

Ct為車身靜態扭轉剛度，N·m/(°);

A為車身四輪間的正投影面積，m2。

輕量化系數L值越小，代表著其輕量化效果越明顯。

目前，有關汽車座椅輕量化評價方面的報道較少，國內外汽車座椅制造商也還未形成一套較為成熟的評價方法。根據車身輕量化系數的計算公式，可以類推，座椅的質量、剛度和正投影面積是影響其輕量化效果的主要因素。除此之外，考慮到汽車座椅在主動安全、被動安全方面的特性，其E(C)-NCAP分值、振動傳遞特性等因素也應被考慮到輕量化評價內容里。

2　輕量化技術

目前，對汽車座椅骨架進行輕量化的技術有2類：(1)結構優化和零部件的模塊化設計；(2)換用輕質材料或增加輕質材料的使用比重。汽車座椅骨架輕量化設計，結構優化主要有尺寸優化和拓撲優化2類，而材料輕量化技術則包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料及其復合材料這幾大類材料在汽車座椅上的應用。

2.1結構輕量化

2.1.1尺寸優化

尺寸優化是對座椅骨架上相關零部件的外形尺寸、材料壁厚等進行優化，采用相對小尺寸、薄壁厚的零件方案，以達到減重目的的方法。吉林大學黃炫等人[10]利用有限元分析，對某汽車后排座椅骨架進行了尺寸優化，優化后的座椅骨架能夠減質量13.1%，且能夠滿足GB15083-2006規定的《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》相關要求。上海工程技術大學王吉昌等[8]對某車型主司機座椅進行了尺寸優化輕量化設計，結果表明：輕量化設計的座椅質量減少11.2%，并且座椅輕量化后的強度完全滿足國家標準GB15083-2006的要求。上海理工大學陳道炯等[11]結合FEA分析，將汽車座椅靠背骨架上橫梁由沖壓件結構改為鋼管結構，并優化了座椅焊縫，最終使靠背骨架質量減少0.268 kg，約占靠背質量的14.46%。結果表明：減重后的座椅靠背能夠滿足GB15083-2006的要求。座椅靠背骨架尺寸優化實例見圖1。

2.1.2拓撲優化

拓撲優化起源于1904年Michell 提出的桁架理論，以材料分布為優化對象，通過拓撲優化，可以在均勻分布材料的設計空間中找到最佳的分布方案。拓撲優化相對于尺寸優化和形狀優化，具有更多的設計自由度，能夠獲得更大的設計空間，是結構優化最具發展前景的一個方面[12]。

美國江森自控公司運用拓撲優化技術，開發出了輕量化的靠背骨架[13](見圖2)，并成功將該骨架應用在大眾公司某一轎車車型上。與傳統的座椅骨架相比較，該輕量化骨架能實現減質量約10%。

Alexander Saveski等[14]，根據拓撲優化的結果，將座椅滑軌與坐墊骨架統一在一個零件上(見圖3)。研究表明：這種輕量化結構，不但能夠使座椅骨架減質量12%，而且由于其集成式的設計，能夠使座椅的制造成本降低約7%左右。

中北大學盧建志等[6]通過拓撲優化的方法，對某汽車座椅進行了輕量化設計，研究結果表明：輕量化設計后，座椅骨架減質量15%。吉林大學姚為民等[15]采用拓撲優化的方法對某汽車座椅進行了輕量化設計，輕量化后，座椅骨架能夠減質量10.4%。

從以上結構優化的結果可以看出：通過改變零件的尺寸或者零件的結構，能夠達到汽車座椅輕量化設計的目的。但是，由于需要滿足國家和行業對汽車座椅安全性、舒適性等方面的要求[16-18]，無論是尺寸優化方法還是拓撲優化方法，最終能夠使汽車座椅的質量減少10%～15%，減重效果相對有限。

2.2材料輕量化

在汽車技術高速發展的今天，一方面，終端客戶對座椅舒適性、功能性等方面的需求逐漸提高，另一方面，由于國家和汽車行業對汽車排放要求的逐漸提高，汽車座椅減質量需求也與日俱增。因此，僅僅通過結構優化一種手段實現對汽車座椅骨架質量的減少已逐漸不能滿足當前需求，于是，新材料的應用逐漸成為了汽車座椅輕量化的主要手段之一。目前，能夠實現汽車座椅輕量化的工程材料主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和碳纖維復合材料等。

2.2.1高強度鋼

按照美國鋼鐵協會AISI發起的汽車車身超輕鋼項目(Ultra Light Steel Body Auto，ULSBA)的定義:屈服強度210～550 MPa、抗拉強度270～700 MPa的鋼為高強度鋼(High-Strength Steels，HSS);屈服強度大于550 MPa、抗拉強度大于700 MPa的鋼則為超高強度鋼(Ultra-High-Strength Steels，UHSS)(見圖4)[19]。也有一些學者僅從抗拉強度的角度定義高強度鋼，認為抗拉強度大于1 200 MPa的為高強度鋼，大于1 500 MPa的為超高強度鋼。根據強化機制的不同，又把高強度鋼板分為普通高強度鋼板和先進高強度鋼板。其中，普通高強度鋼板主要包括高強度IF(無間隙原子)鋼、烘烤硬化鋼、含磷鋼、各向同性鋼、碳-錳鋼和高強度低合金鋼；先進高強度鋼板主要包括雙相鋼、復相鋼、相變誘發塑性鋼、貝氏體鋼和馬氏體鋼等。JFE Steel公司自1990年開始，致力于汽車零部件用高強度鋼的開發，相繼開發出了TS780 MPa、TS980 MPa和TS1470 MPa級高強度鋼。瑞典SSAB鋼鐵公司近年來也陸續開發出了抗拉強度為1 200、1 400和1 700 MPa的馬氏體超高強度鋼。

2009年5月，豐田汽車與愛信精機合作，率先將抗拉強度為980 MPa的超高強鋼板應用在座椅骨架和滑軌上，制造出了型號為TB-NF110的輕量化座椅骨架(見圖5)。此座椅隨后被成功運用在了豐田的新款“普銳斯”車上。其中，該輕量化座椅滑軌比原設計質量減輕22%，而制造成本則降低了約15%。

圖5豐田TB-NF110型輕量化座椅骨架

江森自控2011年將抗拉強度780 MPa的雙相鋼應用于其新一代前排座椅骨架平臺上。對比原設計，此平臺座椅骨架實現了減質量26%。

采用高強鋼、超高強鋼制作汽車座椅骨架可以有效地減輕整椅質量。然而，由于高強度鋼往往伴隨著延展性低、冷成型能力差和易產生加工硬化等一系列問題，使得它在汽車座椅上的應用受限。另一方面，對于汽車座椅用高強鋼、超高強鋼，原材料大部分依賴于從SSAB和POSCO等國外鋼鐵公司進口，我國僅有寶鋼目前已經具備了780、980 MPa兩種強度的超高強度鋼批量生產技術，其他相關鋼材廠商還處于研發階段，未形成大批量的生產和應用。因此，抗拉強度大于780 MPa的鋼材相對成本都較高，削弱了其在應用過程中的優勢。

2.2.2鋁合金

鋁合金作為工程材料，具有密度小、質量輕、導熱性能高、吸收沖擊能力強、易于回收再生等特點。通常，鋁合金的密度是鋼鐵的1/3，吸收沖擊的能力大約是鋼的2倍，導熱性能大約比鐵高3倍[20]。由于以上優點，作為汽車輕量化材料之一，鋁合金較早在汽車車身以及零部件上得到了應用，其相關技術也比較成熟。根據目前鋁合金在我國汽車行業的應用統計，一個零件的材質由鋼鐵替換為鋁合金時，其質量通常能夠減少30%～60%[21]。

盡管鋁合金在汽車發動機罩、行李箱罩、車門、翼子板、保險杠、輪轂和其他汽車結構零件上廣泛使用，但其在汽車座椅上的應用相對較少，目前僅在扶手內骨架、DVD支架和滑軌等一些零件上得到了使用。汽車座椅骨架未大規模采用鋁合金材料存在以下幾種原因：(1)原材料成本高。鋁合金的市場售價一般為稅前17～20 元/kg左右。與鋼材的市場售價(4～9 元/kg)相比，其價格高出了2～3倍；(2)焊接性能差。由于鋁合金具有較高的熱膨脹系數，在焊接受熱時，熱影響區域寬，這會導致鋁合金發生較大的變形，零件尺寸不易被控制。采用點焊工藝進行鋁合金零件設計時，其焊接所需壓力高于鋼板2～3倍，所需要的設備能力較強。另一方面，由于鋁合金表面氧化膜的存在，對點焊銅電極的損壞較大，設備維護費用高；(3)鋁合金成型工藝限制。根據成型工藝，目前有3種鋁合金被應用于汽車上：鑄造鋁合金、形變鋁合金和鍛造鋁合金。對于汽車座椅，目前所采用的鋼鐵材料厚度通常在0.8～3.0 mm之間，強度多為300～780 MPa，如果想達到減重的目的，采用鑄造鋁合金代替時，要求鑄件壁厚應該盡可能地小(1.5～3 mm)。但是受熔融態鋁合金流動性的限制，鋁合金零件壁厚通常要求大于3.0 mm，因此，采用鋁合金設計的座椅骨架減重效果并不明顯。如果采用形變鋁合金制造座椅骨架，由于鋁合金變形能力的限制，零件結構的設計受限，此外尺寸又不易控制。鍛造鋁合金在強度和韌性方面均優于鑄造和形變鋁合金，但其價格較高，限制了其在中低端車型上的使用。

盡管鋁合金在汽車座椅骨架上的應用比較少，但其在飛機座椅骨架、高速列車座椅骨架上的應用相對成熟，可以作為未來汽車座椅骨架輕量化設計的參考。

2.2.3鎂合金

鎂合金是目前工業應用材料中最輕的一種金屬材料，其密度僅為鋼鐵材料的2/9、鋁合金材料的2/3。此外，它具有比強度和比剛度高、良好的尺寸穩定性、導熱導電性能好、吸振性和易于加工成型等特點[22]。在汽車上使用鎂合金至少已有60年的歷史。這些鎂合金汽車零部件絕大多數都采用壓鑄工藝制造。這是由于鎂合金壓鑄件在所有壓鑄合金中是最輕的而且使用期限要比鋁合金長。我國生產鎂合金鑄件的主要企業有一汽鑄造有限公司、重慶博奧鎂業有限公司、成都發動機集團、和華禹光谷集團、青島金谷鎂業有限公司、威海萬豐鎂業有限公司、宜春風動有限公司等。

自20世紀80年代以來，一些研究機構已開始了鎂合金在汽車座椅骨架上應用的研究。

梅賽德斯-奔馳公司在SEL 型敞篷車上率先使用了鎂合金座椅框架，隨后，福特汽車公司用鎂合金生產座椅骨架取代鋼制骨架，使座椅質量從4.0 kg減為1.0 kg。2000 年日本豐田公司以及Celsius相繼開始采用鎂合金座椅骨架，結果表明：采用鎂合金座椅骨架，可使座椅質量減輕40%[23]。我國在鎂合金座椅骨架方面的研究在近幾年較為集中。吉林大學趙愛霞[24]和重慶大學韓潔麗[23]分別對鎂鋁合金輕量化汽車座椅骨架靜態特性和鎂合金在汽車座椅骨架上的應用進行了模擬和有限元分析。韓國現代汽車Young Jin Ko等[25]使用鎂合金替代傳統鋼材制作汽車座椅骨架(見圖6)。通過結構優化，他們將超過30個零件組成的全鋼汽車座椅骨架簡化成了2個零件組成的鎂合金座椅骨架，并取消了所有的焊縫。最終，座椅骨架通過了安全法規試驗，并成功減質量50%。

重慶大學、長安汽車[7,23]通過壓鑄法也開發出了鎂合金座椅骨架(見圖7)，并研究了澆注系統對最終產品質量的影響。壓鑄件材料選用AM60B,鑄件體積約為1.17×10-3m3, 最大壁厚為6.0 mm, 最小為3.0 mm, 平均為3.5 mm。研究表明：通過優化澆注系統，不但可以制造出滿足要求的座椅骨架，而且能極大地減少廢品率。

2013年，一汽鑄造公司與法國佛吉亞公司簽署了共同開發鎂合金整體座椅骨架的技術協議，也開始著手鎂合金輕量化座椅骨架的研發。

鎂合金在汽車座椅骨架上的應用實例表明，它可以作為輕量化材料應用于汽車座椅骨架上。然而，由于鎂合金在壓鑄過程中易產生微觀缺陷，而且疲勞強度低，原材料價格較高，在應用推廣過程中一度受到了限制。另一方面，鎂合金與鋼鐵材料進行連接時，兩種材料間電位差的存在，會產生材料腐蝕的問題，這也限制了鎂合金在汽車座椅上的應用。如何降低鎂合金產品成本和解決鎂合金零件與傳統鋼鐵材料連接時的腐蝕問題，將成為鎂合金應用過程中需要解決的重點問題。

2.2.4塑料及其復合材料

塑料材料，比如PP、PA6或者PA66等材料經常與玻璃纖維、碳纖維等高強度材料混合在一起，制備成為復合材料，用于汽車結構零件的制造。自20世紀50年代以來，塑料復合材料在汽車上的用量持續增加，且增速非?？?。塑料及其復合材料不僅可以減輕零部件約40%的質量，還可使成本降低40%左右。據有關資料統計：2000年世界平均每輛汽車上塑料的用量已達到105 kg，約占汽車總質量的8%～12%。

1993年，Marc D.Hewko[26]將塑料與金屬內嵌物相結合，制造出了塑料座墊骨架，并申請了美國專利。其原理是：將金屬件內嵌于塑料件中，通過注塑工藝成型為所需的坐墊骨架，隨后通過預先設計好的安裝孔實現與靠背骨架及滑軌、泡沫等的裝配，如圖8 所示。

2014 年，江森自控推出了碳纖維與工程塑料混合設計的輕量化汽車座椅靠背骨架“CAMISMA”(見圖9)。

此靠背骨架不僅可使座椅保持與以往座椅相同的強度，同時還可減輕約40%的質量。初期研究結果表明：擁有“CAMISMA”內部結構的座椅達到了現有金屬結構座椅的全部強度要求[27]。

國內，工程塑料在汽車座椅骨架上應用較早的為南京汽車制造廠[28]。1991 年，南京汽車制造廠從意大利引進了DAILY系列汽車制造技術，其中部分車型座椅骨架為塑料骨架。通過對引進技術的分析， 他們最終研制出了國產化的塑料座椅骨架(見圖10)， 此種座椅不但能夠滿足乘用車相關標準和法規，還極大地減輕了整椅質量，降低了座椅成本。

通常使用工程塑料或者塑料復合材料制造汽車座椅骨架，均采用注塑工藝，不但能極大地減小整椅質量，而且能夠減少鋼鐵骨架焊接、鉚接等中間工藝步驟，可以有效地減少人工的投入。然而，由于汽車座椅多需要角度、高度和前后方向的調整，而調角器、高調器和滑軌多為金屬件，如何將塑料骨架與這些核心零件進行有效連接，則是困擾塑料座椅骨架開發的一個難題。除此之外，由于塑料材料本身強度并不能滿足汽車座椅強度以及吸能性方面的需求，為提高其性能，在塑料材料中添加玻璃纖維、碳纖維等增強、增韌相必不可少，材料成本因此會大幅上升。另一方面，由于增強相的添加，材料的回收再利用難度增加， 這也進一步阻礙了塑料材料在汽車座椅上的應用。

近期，一些汽車零部件制造商已經把目光裝轉向了更具減重潛力的新材料—— EPP(Expanded Polypropylene)材料。EPP 材料是一種工程用塑料泡沫材料，它是在CO2氣氛和高壓條件下，通過加熱和突然冷卻聚丙烯材料而形成一種高結晶型聚合物/氣體復合材料[30]。EPP材料具備優良的耐熱性能、良好的尺寸穩定性、質量輕、優良的緩沖性能、良好的低溫特性以及高能量吸收性等優點，使其逐漸被汽車制造商所青睞[31]。

目前，日本的JSP、Kaneka和德國BASF公司是EPP材料的主要供應商。其中，JSP公司生產的ARPRO?EPP材料已經在汽車后排座椅、汽車兒童座椅上得到了應用[32](見圖11)。由于EPP材料本身強度的不足，在汽車座椅骨架上應用時，通常需要與鋼鐵骨架一同配合進行設計以滿足強度的需要，制成的汽車座椅能夠減質量20%～50%。但由于EPP材料生產的核心技術目前主要掌握在國外，較高的原材料成本使其在汽車工業內的推廣速度較慢。

從以上分析可知：無論采用哪一種輕質材料進行輕量化設計，單一材料的減重能力均有限，不能完全滿足未來汽車座椅骨架的輕量化需求，需要通過多種材料的混合設計才能達到減質量目標。

3　結論

綜上所述，為滿足汽車行業以及國家頒布的相關法規和標準，單一采用結構輕量化技術實現汽車座椅骨架的輕量化，具有一定的局限性，輕量化效果不明顯，不能完全滿足當前汽車輕量化的需求。采用材料輕量化技術是目前汽車座椅骨架輕量化實現的有效途徑。在輕質材料當中，就輕量化效果而言，鎂合金和碳纖維復合材料比傳統黑色金屬更具有優勢。但是采用鎂合金和碳纖維復合材料，較高的原材料成本和由于新材料的使用而帶來的加工制造工藝變革，會成為制約汽車座椅輕量化發展的主要障礙。根據目前各汽車零部件生產商的設備、工藝布局特點以及對整椅成本的控制，采用超高強鋼(抗拉強度大于700 MPa)實現汽車座椅輕量化仍然具有現實意義。

此外，目前采用單一材料或者結構實現輕量化已經很難滿足日益增長的輕量化需求，多種材料的混合設計將成為未來汽車座椅輕量化發展的趨勢。

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Research Status on the Lightweight of the Automotive Seat

>ZHAN Lei, SUN Jun, HE Jinguang, LI Wei, SUN Jiguo

(Technical Center, Changchun FAWAY-Johnson Controls Automotive Systems Co., Ltd., Changchun Jilin 130033,China)

The research status on the lightweight of automotive seat was reviewed. Through the comparison of the research results, the light weight methods, including the lightweight structure and lightweight materials, were discussed in details. Among the lightweight methods, the application of the lightweight material in auto seat frame was prior to that of the lightweight structure on the realization of the lightweight. Mg alloys and carbon fiber composites were the key materials for the auto seat frame lightweight compared with the conventional steel material and would be the key point of the research work in the future. Currently, taking the manufacture process and the cost into consideration, the application of the high-strength steel and ultra-high-strength steels was practically meaningful for the lightweight of the auto seat.

Automotive seat; Lightweight; Research status

2015-06-24

戰磊(1979—)，男，工學博士，高級工程師，主要從事汽車座椅、內飾件開發及汽車零部件輕量化研究。E-mail：lei.zhan@jci.com。