鎂合金汽車座椅輕量化設計

孫振廣，官鈔

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

汽車輕量化技術的前提是要保證汽車的結構強度和駕駛員及乘客的安全，然后盡可能降低整車質量，提高汽車動力性能和經濟性，減少污染物的排放[1]。汽車座椅作為汽車的重要內飾件，對其進行輕量化設計能大幅減小汽車質量。而隨著人們生活水平的不斷提高，不僅有對汽車座椅安全性的要求，還對它的舒適性和美觀性提出新的要求。由于汽車零部件標準體系不完整且各項核心技術尚未取得顯著突破，我國在汽車座椅設計和研發方面處于基礎階段[2]。鎂合金具有質量輕、尺寸穩定性高、可回收性好和良好的機加工與鑄造性能，若將鎂合金應用于汽車座椅，將會為汽車座椅的發展帶來曙光。

1 汽車座椅的結構與功用

1.1 汽車座椅的結構

汽車座椅由頭枕、骨架、坐墊、靠背和調節裝置等零部件組成，如圖1 所示。座椅框架主要是一輛被分割成類似骨骼的零件，在現有的汽車座椅上所使用的兩種骨架（靠背、坐盆）的材料均為St12，采用沖壓等方式制造而成，最后將所有的零部件進行焊接而成，可實現靠背調節、坐墊的前后和高度調節。

圖1 汽車座椅的基礎結構Fig.1 Car seat structure

1.2 汽車座椅的功用

汽車座椅保證乘客的乘坐舒適和安全，是旅客運輸有關的車內系統必需的組件。其主要作用是：作為駕乘人員的主要承載件；為駕乘人員進行位置區域劃分；為駕乘人員提供良好的駕乘感受；當駕乘人員受到生命安全的威脅時，可與座椅形成一體，最大限度保障人員安全。

2 CATIA 軟件下的三維實體設計

2.1 鎂合金的應用

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，而且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[3]。梅賽德斯－奔馳公司在 SEL 型敞篷車上率先使用了金座椅框架。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。韓國現代汽車使用鎂合金替代傳統鋼材制作汽車座椅骨架通過結構優化，最終，座椅骨架通過了安全法規試驗，并成功減質量 50%[4]。由此可見，鎂合金的應用對減輕汽車座椅的質量提供了很大幫助。

2.2 鎂合金汽車座椅骨架靠背設計

汽車座椅骨架是整個汽車座椅系統中最核心的部件，占汽車座椅總重一半以上且承擔了絕大多數座椅功能[5]。而對座椅骨架的設計又分為骨架靠背設計和骨架坐盆設計。

骨架靠背的設計可分為以下5 個過程：

（1）首先建立H 點（能夠比較準確地確定駕駛員或乘員在座椅位置的參考點是軀干與大腿相連的旋轉點“跨點”）。靠背整體是弧形狀，利用 CATIA 的創成式曲面設計將靠背需要的曲面創建出來。

（2）對于靠背的下面部分，也就是靠背與坐盆連接處的那一部分的外形，進入草圖，將該部分的外形尺寸在草圖上畫出來，再退出草圖將所畫好的草圖利用創成式曲面設計的曲面拉伸命令拉伸出曲面。

（3）創建空間曲面，將座椅靠背的側面的輪廓外形勾勒出來，創立多個曲面，利用曲面相交而成進行的倒圓角進行平順化。去除多余的部分，保留靠背的頭枕與背板的輪廓，去除輪廓以外的曲面，建立草圖，將草圖拉伸出來。隱藏之前的所有輔助曲面，再將曲面的銳邊倒角化。

（4）為使座椅質量更輕，應對靠背減重。在與背部直接接觸的位置挖孔，一方面，這個位置一半要安裝靠背彈簧，可增加座椅的舒適性，不會讓駕乘人員感到難受；另一方面，這一塊可大面積挖孔，進行最大限度減重。為了增加靠背被挖去地方的強度，需要在此增加靠背發泡支撐。

（5）為了增加原有部件的強度，需要在靠背頸部加強和靠背側部加強進行對加強筋的設計，最后用 CATIA 的加厚曲面的命令對曲面進行實體加厚。

經過CATIA 繪制的靠背骨架如圖2 所示。

圖2 骨架靠背Fig.2 Skeleton backrest

2.3 鎂合金汽車座椅骨架坐盆設計

在人機工程學里，坐墊前部要考慮大腿在長時間下受到的最小壓力，這樣才能保證人體大腿部的血液循環，以避免長時間乘坐給人體帶來的傷害[6]。因此，對骨架坐盆的設計可以分為如下幾個過程：

（1）確定坐盆的尺寸,并將其拉伸成實體。為了后面的靠背與坐盆之間的連接處的“耳朵”安裝在坐盆上，需要對當前實體進行拔模，拔模角度為 5°。

（2）高度裁剪。根據座椅骨架的實際要求，將高度設立為合理要求，同時，還得兼顧外觀設計要求進行設計，進入草圖模式，畫出要裁剪的輪廓。

（3）減重處理。一方面是為了為產品節約成本，減輕鎂合金汽車座椅骨架的整體質量，另一方面會為了舒適性考慮，即使會有坐墊發泡為駕乘人員提供舒適性的減震或者說緩沖的作用，但不可忽視的是坐盆是直接與駕乘人員接觸的，中間加裝彈簧是很有必要的，不能單靠發泡的作用來實現舒適性的提供；

（4）靠背與坐盆之間的連接，同樣是壓鑄的方式進行制造，這樣才能有更好的強度與剛度。首先將草圖繪制出來并用創成式外形設計，然后將草圖與上述一樣填充出曲面。這樣的連接才更加牢固結實，最后在零件設計模塊里厚曲面命令將兩塊曲面進行實體加厚處理，并進行相應的開孔處理。

（5）坐盆邊沿支架，主要起把駕乘人員固定在座椅的作用，防止轉彎處或者意外情況的出現，是對駕乘人員的一種保護，但出于功能和外觀設計的因素考慮，需要對其不規則設計，這樣才符合大眾的曲線設計感知。

經過CATIA 繪制的骨架坐盆，如圖3 所示。最后把設計好的骨架靠背和骨架坐盆及其他零部件進行裝配后，得到最終的汽車座椅結構如圖4所示。

圖3 骨架坐盆Fig.3 Skeleton sitting basin

圖4 汽車座椅骨架Fig.4 Car seat frame

3 鎂合金汽車座椅骨架有限元分析

3.1 模型有限元前期的幾何清理

導入之前用 CATIA 軟件畫的三維實體，利用工具將自由邊的紅色的線最后修理成綠色的線。使用 equivalence 工具一次縫合多個自由邊，這樣軟件就自然將這些小面小縫隙進行縫合，當然這樣的處理方式只是前期的大范圍的處理，還有一些容差大于 0.01 的自由邊，需要用 toggle 和replace 工具來清理剩下的自由邊。

3.2 模型網格剖分與整理

進行網格剖分的方式有很多種，但最常用的方式還是用 HyperMesh 自動生成網格，再利用整理工具對網格進行優化。為了能使網格剖分得更好，網格的質量能達到要求，需要將面板上的小孔、面倒圓、邊倒圓進行去除縫補。這些前期的準備是為了之后的網格剖分時的整理。當然，調整網格樣式還有很多種方法，例如在邊線上增加硬點，增加硬點的方法是為了讓網格劃分得更細，這樣可以讓網格看起來很規整。用以上方法對模型的網格剖分就會得出鎂合金汽車座椅骨架的靠背、坐盆、調角器等的網格，如圖5 和圖6 所示。

圖5 靠背網格整理結果Fig.5 Results of backrest grid arrangement

圖6 坐盆網格整理結果Fig.6 Results of grid arrangement of sitting basin

3.3 定義模型的材料屬性和幾何屬性

雖然本研究是鎂合金汽車座椅骨架的設計，但不是所有的座椅零部件都是采用的鎂合金材料，因為在前面的部分有展示出鎂合金的應用現狀和鎂合金的市場應用，作為一種新型材料，材料本身的成本價格就不簡單，所以在考慮實際的情況下，只需要對座椅的靠背、坐盆、靠背調角器進行鎂合金材料賦予，其余的滑軌、高度調節四連桿機構等其他金屬器件采用傳統汽車座椅骨架所用的鋼材。針對本次課題的研究，鎂合金選用鎂鋁合金 AM50，鋼材選用傳統用材冷軋鋼St12，兩種材料的物理屬性見表1。

表1 鎂合金汽車座椅骨架所用材料的物理屬性Tab.1 Physical properties of magnesium alloy car seat frame materials

將這兩種材料賦予所有的零部件，需要建立一個屬性。選擇 properties 工具按鈕，建立相應的材料的厚度，比如坐盆部分的厚度是 3 mm，材料是 AM50。這樣就建立了一個厚度為 3 mm的 AM50 材料的鎂鋁合金，其他的厚度也是按照一樣的操作方式進行。接下來將已有的材料賦予零部件。

3.4 邊界條件的確定與載荷加載后的靜力強度分析

對于邊界條件的確定，是對整體骨架進行有限元分析約束，這個約束就是在外滑軌的下面進行約束，如圖7 所示。然后是坐盆和靠背的載荷加載，這個座椅靠背質心離R 點的距離為 246 mm，所以給靠背加載的載荷為 1 512 N，坐盆所加載是一個成人的重量為 700 N，如圖8 所示。

圖7 邊界條件確定Fig.7 Determination of boundary conditions

圖8 載荷加載Fig.8 Load loading

利用求解器進行求解。點擊 Analusis 的loadstep 子面板，分別選擇之前建立的約束和載荷組件 spc 和 load 兩個組件，再點擊 optistruct 進行求解，最終靜力強度的應力云圖和位移云圖如圖9、圖10 所示。從應力云圖可以看出，圖8 所示加載載荷的情況下，大部分是應力合格的，沒有出現應力集中的情況，只有滑軌處有少許的應力變化情況，但都屬于應力合格的情況；從位移云圖看出，位移最大的是頭枕部，最大位移距離為 48.78 mm，這個值合格，屬于國標規定范圍，強度校核合格。

圖9 應力云圖Fig.9 Stress nephogram

圖10 位移云圖Fig.10 Displacement nephogram

5 結論

此次設計所采用的材料比較特殊，但可從中看出鎂合金在未來的發展趨勢和它的經濟價值。研究內容包括汽車座椅骨架的三維實體設計和最后的強度分析，利用三維實體軟件 CATIA 和有限元數據分析軟件 HyperMesh 對本次課題進行實體設計和強度分析。鎂合金汽車座椅骨架與傳統座椅的設計進行比較，從兩者的結構組成和零件數量進行對比，鎂合金座椅的一個顯著特點就是能一次性壓鑄成型，這樣既能保證鎂合金的比強度和比剛度，又能減少整體上的座椅骨架的零部件數量，從而減少工序的數量，減少模具的開發，節約項目的成本。從以上多個角度肯定了鎂合金在我國的發展優勢。