汽車座椅橫梁輕量化設(shè)計方法研究

白久凱，王小東

汽車座椅橫梁輕量化設(shè)計方法研究

白久凱1，王小東2

（1.華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141；2.丹東黃海汽車有限責任公司，遼寧 丹東 118000）

文章以公司在研某車型為例，主要介紹了一種座椅橫梁輕量化的設(shè)計方法。即通過激光拼焊板的應用及零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計滿足相關(guān)性能及輕量化的需要，文章針對座椅橫梁詳細闡述輕量化的設(shè)計方法。輕量化的設(shè)計方法降低了車身零件的重量、提高了燃油經(jīng)濟性，達到節(jié)能減排的目的。

汽車；座椅橫梁；激光拼焊板；輕量化

1 前言

近年來，汽車保有量的持續(xù)高速增長，給社會能源供給、環(huán)境保護和交通安全帶來日益巨大的影響。中國的車用燃油約占石油總消耗量的50%，高速增長的原油消耗量必將給國家的石油安全和環(huán)境保護帶來巨大的挑戰(zhàn)。

對于汽車來說，整備質(zhì)量消耗了動力系統(tǒng)輸出能量的約70%以上。因此，汽車輕量化是降低汽車燃油消耗和現(xiàn)實節(jié)能減排的有效途徑之一，同時以設(shè)計為主導的輕量化也可以給汽車企業(yè)和消費者帶來一定的經(jīng)濟效益。[1]

車身結(jié)構(gòu)中，座椅橫梁總成除為座椅及其它系統(tǒng)提供安裝功能外，在車輛側(cè)碰時，其結(jié)構(gòu)和強度也決定著車輛的安全性能。座椅橫梁總成的輕量化設(shè)計，既要考慮降低車身重量，又需要同時滿足車身結(jié)構(gòu)的剛度和強度需要。

座椅橫梁總成及所處車身位置如圖1所示，將針對其闡述輕量化的設(shè)計方法。

2 激光拼焊板技術(shù)的應用

2.1 激光拼焊板技術(shù)介紹

激光拼焊板是以激光熔焊方式將不同材質(zhì)、厚度及表面狀態(tài)的鋼板焊接在一起的拼接板材，其目的在于將合適的材料應用于合適的部位。由于激光拼焊板的產(chǎn)品特性，其在提高車身強度、減輕汽車重量、降低汽車制造和運行成本方面提供了條件。

圖1 地板骨架總成示意圖

車體地板座椅橫梁總成在應用激光拼焊板后，能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的材質(zhì)分布，同時簡化結(jié)構(gòu)，減少加強件的數(shù)量，在滿足車體性能及安全的前提下，達到降低成本、優(yōu)化零件數(shù)量、輕量化的目的。

2.2 激光拼焊板發(fā)展趨勢

在車體結(jié)構(gòu)中，激光拼焊板的應用已非常成熟（圖2），例如頂蓋橫梁、AB柱內(nèi)板、輪罩、座椅橫梁總成、地板等部位均比較常見。

圖2 激光拼焊板在乘用車的應用

目前大多數(shù)的著名汽車制造商都已在汽車生產(chǎn)中大量使用激光拼焊板，并且已經(jīng)出現(xiàn)了多家為汽車制造商提供激光拼焊板的供應商。隨著輕量化需求的日益強烈，熱成型激光拼焊板技術(shù)也逐漸成熟，從而使拼焊板的強度范圍得到了進一步的提升，為車輛的輕量化及安全性能提供了更有利的支持。

3 座椅橫梁總成激光拼焊板設(shè)計

座椅橫梁總成在車體結(jié)構(gòu)中除滿足結(jié)構(gòu)功能外，同時還在車輛安全-側(cè)碰工況中承擔著主要載荷傳遞路徑的任務，橫梁的強度對側(cè)碰安全性起著至關(guān)重要的作用。

3.1 設(shè)計方案及驗證

在座椅橫梁總成設(shè)計初始，結(jié)合CAE側(cè)碰工況分析結(jié)果，可以得出該工況下橫梁形變較大、應力集中區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，制定激光拼焊板的材質(zhì)及料厚分布方案，進而進行仿真分析確認該方案可行性。

方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖3示，優(yōu)化同時減少1處結(jié)構(gòu)加強件。

圖3 優(yōu)化方案示意

在優(yōu)化后側(cè)碰工況分析中，優(yōu)化后方案滿足相關(guān)法規(guī)要求（圖4），確認該方案可行。

圖4 側(cè)碰工況分析結(jié)果

3.2 優(yōu)化及輕量化小結(jié)

通過激光拼焊板技術(shù)的應用，座椅橫梁總成既可以將原有零件數(shù)量得到優(yōu)化，同時橫梁本身材質(zhì)及厚度也實現(xiàn)“按需”分布的設(shè)計。在相關(guān)性能均得到滿足的前提下，達到輕量化的目的。

該設(shè)計結(jié)構(gòu)達到了減重1.142kg，即座椅橫梁總成20.5%的減重效果。

同時，相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量優(yōu)化后，減少點焊數(shù)量20處，橫梁的材料利用率由原綜合利用率65.55%提升至75.38%。

4 結(jié)論

隨著汽車工業(yè)水平的發(fā)展，在性能、法規(guī)相關(guān)要求不斷提升的趨勢下，在車體設(shè)計過程中，新材料、新技術(shù)的應用起到了至關(guān)重要的作用，此外，輕量化對成本及性能的貢獻也越來越重要。

激光拼焊板技術(shù)在設(shè)計過程中，結(jié)合零部件在對應工況下應力、應變的分布情況，合理分配對應區(qū)域的材質(zhì)及厚度，做到材料更優(yōu)的應用，既滿足了對車體性能的需要，又一定程度上達到了輕量化的效果。結(jié)合未來汽車輕量化的發(fā)展需求，激光拼焊板技術(shù)也將會得到更大的進步、發(fā)展。

[1] 李軍.乘用車輕量化及微合金化鋼板的應用[M].北京:北京理工大學出版社,2015.

The Study on the Lightweight Design Method of The Seat Crossmember Of a Car

Bai Jiukai1, Wang Xiaodong2

( 1.Brilliance Automotive Engineering Research Institute BIW Section, Liaoning Shenyang 110141; 2.Dandong Huanghai Automobile Co., Ltd, Liaoning Dandong 118000 )

A design method of light weight for seat crossmember is introduced in this paper, taking an development of a vehicle in our company as an example. Mainly through the application of tailored blanks and the optimized design of part structure to achieve the performance and lightweight needs, the lightweight design method for seat crossmember is elaborated in detail. The lightweight design method reduces the weight of the body parts, improves the fuel economy, and achieves the purpose of energy saving and emission reduction.

Automobile; Seat crossmember; Tailored blanks; Lightweight

A

1671-7988(2020)24-36-02

U463.83+6

A

1671-7988(2020)24-36-02

白久凱，工程師，本科，就職于華晨汽車工程研究院白車身工程室，研究方向為白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.012

CLC NO.: U463.83+6