熱處理工藝在座椅骨架輕量化上的研究應用

李登云，符大興，劉華官，袁航

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

引言

在汽車行業競爭越來越劇烈的今天，車輛輕量化越來越被提上日程，座椅作為成本僅次于發動機的汽車部件，在車輛設計中，在滿足汽車對座椅骨架的剛度、強度及工藝改造等因素要求的同時，應當盡可能減輕它們的質量以降低制造成本[1]。在目前的座椅輕量化的研究中，大多是探討座椅金屬材料的替代品與對座椅骨架結構進行拓撲優化等研究[2,3]，對于座椅骨架上運用熱處理工藝進行輕量化的研究較少。

本文把熱處理工藝與座椅骨架優化相結合，首先對熱處理工藝參數進行優化，使經過熱處理后的骨架強度提高了25%，接著，對提高強度后的座椅骨架進行了輕量化設計，使座椅重量減重1.38kg，最終的模擬分析和安全帶固定點試驗，結果表明，該方法有效。

1 座椅骨架材料分析

本研究座椅骨架的材料主要以QSTE500 和QSTE420 為主。

QStE500TM 是一種強度較高的冷成型熱軋酸洗汽車鋼，有良好的抗變形能力，即高的屈服強度和屈強比[5]主要用于汽車底盤、座椅滑軌等高強度結構件。對座椅骨駕的QStE500TM 材料進行了化學成分測試，其結果如表1 所示，從表中看出該材料中的各化學成分符合該材料的標準，顯微組織如圖1 所示，從中可以看到，該材料組織由大量鐵素體和少量珠光體組成，由GB/T 6394－2002 測得的晶粒度約為13 級。

QStE420TM 是指屈服達到420MPa 以上的高強度結構鋼，具有良好冷成型性。用于要求良好的冷成型性能并有較高或高強度要求的汽車大梁、橫梁等汽車結構件。對座椅骨架的QStE420M 材料進行了化學成分測試，其結果如表2 所示，顯微組織如圖2 所示，從中可以看到，該材料組織由鐵素體和少量珠光體組成，由GB/T 6394－2002 測得的晶粒度約為11 級。

表1 QStE500TM 鋼的化學成分

表2 QStE420TM 鋼的化學成分

圖1 QStE500TM 金相組織

圖2 QStE420TM 金相組織

2 熱處理工藝參數研究

QSTE420 作為座椅骨架中應用最多的板材，工藝參數的主要研究對象選用QSTE420，根據文獻以及熱處理的實際工程經驗，選定加熱時間30min，冷卻溫度100℃，冷卻時間5min，回火溫度320℃，回火時間30min 的淬火工藝參數。加熱溫度的確定，仍需進行試驗對比才能確認。

步驟1：QSTE420 理論抗拉強度為480~620Mpa，先進行2 個未熱處理的樣件實測得到抗拉強度為480.72Mpa 、483.24Mpa。

表3 不同溫度抗拉強度對比

步驟2：選用與步驟1 同一批次的QSTE420 板材進行850°加熱溫度、900°加熱溫度、950°加熱溫度共三組淬火處理，并測試不同工藝參數下QSTE420 的抗拉強度；

步驟3：根據步驟2 進行試驗得出下表抗拉強度對比值：

綜合上述對比可見，900°加熱溫度對QSTE420 板材的抗拉強度提升較大，并且也相對溫度，最終確定選擇900°作為加熱溫度，最終選定淬火工藝參數如下表4。

表4 淬火工藝參數

對熱處理后的材料進行微觀分析，兩種材料的化學成分如表5、6 所示，從中可以看出，熱處理后的化學成分中，C、Mn 含量得到了較大幅度的提高，由于C、Mn 元素的含量與材料的強度有關，證明該工藝參數合理有效。

表5 QStE500TM 鋼熱處理后化學成分

表6 QStE420TM 鋼熱處理后化學成分

圖3 QStE500TM 熱處理后金相組織

圖4 QStE420TM 熱處理后 金相組織

從熱處理后的金相組織觀察到，該金相組織與熱處理之前的組織相比，珠光體增加，鐵素體減少，晶粒尺寸較為明顯的變小。

3 熱處理材料強度測試

對淬火后的材料按照標準GB/T 228-2002 進行拉伸試驗，試樣與拉伸機如圖5 圖6 所示，選用四組QStE420TM試樣，分別為兩組經過熱處理和兩組未經過熱處理試樣，進行單向拉伸試驗并測試熱處理后材料的力學性能。載荷位移曲線如圖7、圖8 所示。

圖5 測試試樣

圖6 MTS 拉伸機

圖7 熱處理前載荷位移曲線

熱處理后的載荷位移曲線如圖8 所示：

圖8 熱處理后載荷位移曲線

拉伸強度如表9 所示，其中編號1，2 為經過熱處理之后的QStE420TM 材料，編號3，4 為經過熱處理的材料。

表6 拉伸試驗數據

從圖5、6 以及表6 可以看出，該材料在經過熱處理工藝后最大載荷提高了16.7%左右，抗拉強度提高了17%左右，屈服強度提高了25%左右。

4 座椅骨架優化與試驗

4.1 座椅骨架結構輕量化設計

以市場上某款已經量產車型的第二排四六分座椅為研究對象，進行座椅骨架輕量化研究，對該座椅進行熱處理后的材料應用，把座椅上的材料為QStE500TM 的調角器下連接板、滑軌前連接支架、下架連接板等和材料為QStE420TM的下架安裝腳、調角器上連接板、地鎖連接板等鈑金件替換為經過熱處理后的材料，相關零件圖如圖9 所示。

圖9 材料替換零件圖

由于經過熱處理后的材料屈服強度提高了25%左右，可對該座椅骨架進行結構輕量化，采用尺寸優化的方法[6]，對熱處理后的鈑金件壁厚進行優化，對壁厚進行0.5mm 的減薄，如圖10 紅色部分所示。

圖10 座椅骨架結構輕量化

4.2 座椅骨架CAE 分析

設定骨架鈑金件優化處的材料強度為原材料的125%，對改座椅骨架進行CAE 分析，其中圖11 為原座椅骨架前移量分析，圖12 為熱處理后的骨架前移量分析，可以看出，熱處理前后前移量均未超過R 點，熱處理前余量為37.5，熱處理并減薄壁厚后余量為39.5。

圖11 100%材料未加強

圖12 125%材料加強

對熱處理后的座椅骨架進行應變分析，結果如圖13 所示，各處應變均為0.2 左右，存在折彎現象，撕裂風險較小，表明該優化后的座椅骨架符合CAE 強度分析要求。

圖13 座椅應變分析

4.3 座椅安全性試驗

對優化后的座椅進行樣件試制，并進行安全帶固定點以及行李箱沖擊試驗，按GB14167-2013 標準中5.4 要求試驗方法進行安全帶固定點試驗，試驗過程及試驗結果如下圖所示。

按照法規要求的加載方式，對上人體模塊和下人體模塊均施加16700N 的拉力，同時在通過座椅質心的水平方向上施加3998.4N 的拉力，在4 秒的時間內加載到最大載荷，并保持10 秒。在持續的拉力作用下，座椅的安全帶固定點沒有出現斷裂等缺陷，試驗后座椅骨架、固定裝置、調節裝置的鎖止裝置均未失效，座椅上未產生增加乘員傷害的凸起或尖棱，座椅的鎖緊裝置正常。

圖14 安全帶固定點測試

圖15 中排座椅安全帶固定點荷重時間曲線

對座椅進行行李箱沖擊試驗，按照GB 15083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》中4.15.1的要求進行測試。

圖16 座椅試驗前左側

圖17 座椅試驗后左側

經檢驗，本文研究車型的第二排四六分座椅總成樣品所檢移動行李沖擊試驗項目的檢驗結果符合GB 15083-2006 《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》標準中4.15.1 的要求。

圖18 臺車加速度曲線

5 結論

本文針對市場上已經量產的某款座椅骨架進行輕量化研究，提出了運用熱處理工藝對座椅骨架進行輕量化設計的方法，得到了以下結論：

（1）通過對骨架材料微觀組織的研究，選用了加熱溫度為900℃的合適的熱處理工藝參數，并對熱處理后的材料進行了微觀分析與拉伸試驗，驗證了經過熱處理后的材料強度提高了25%左右。

（2）對運用熱處理的座椅鈑金件進行了結構輕量化設計，對壁厚進行0.5mm 的減薄，實現座椅減重1.38Kg，該優化后的座椅骨架符合CAE 強度分析要求以及座椅安全帶固定點和行李箱沖擊相關法規，證明該方法切實有效，可為實際生產提供參考。