汽車座椅輕量化研究進展

丁美娟

廣汽零部件有限公司技術中心，廣東廣州 510300

0 引言

汽車已成為人們日常出行中不可或缺的一部分。不論是以化石燃料為主要動力來源的燃油汽車，還是目前國家大力推動的新能源汽車，如何在能耗相同的情況下，使汽車的駕駛里程更長，是目前車輛工程領域內的一個熱門的研究課題。

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。有研究表明，當整車質量降低10%，燃油汽車的燃油效率可提高6%～8%。具體而言，汽車整車質量每減少100 kg，其百公里油耗可降低0.3～0.6 L。對于電動汽車而言，整車質量每減少10%，其續航里程可增加5.5%。

汽車座椅的比重占整車質量的8%，在所有汽車零部件系統中排在第四位。所以汽車座椅輕量化相關研究，對于整車質量的降低至關重要。已有多家汽車零部件企業，對不同品牌的汽車座椅進行輕量化開發。文中重點綜述了國內外關于汽車座椅相關的輕量化研究進展，針對輕量化原理、角度以及目前存在的困難展開討論，為今后汽車座椅的研發提供一定的參考。

1 汽車座椅輕量化的方法

目前減少整車質量的方法主要從結構優化、材料輕量化以及制造工藝3個方向入手，而汽車座椅作為重要汽車零部件之一，實現其輕量化的方法與整車所采用的方法基本一致。

1.1 產品輕量化設計

拓撲優化是對座椅骨架等進行結構優化的主要方法，其結構優化的過程是：先對座椅結構進行設計，再簡化模型，然后將該模型按照相關規定進行模擬受力過程分析，之后對結果中可能存在應力集中位置處進行不斷結構優化，最終得到輕量化座椅骨架。

盧建志等對某汽車座椅骨架進行了拓撲優化，研究結果表明:在輕量化拓撲優化設計后，該座椅骨架質量降低為原座椅骨架的85%。姚為民等采用拓撲優化的方法對某汽車座椅進行了輕量化設計，質量降低為原座椅骨架質量的89.6%。陳紅飛等利用HyperMesh對模型進行網格劃分，利用Optistruct求解器對網格模型進行靜強度分析滿足標準要求，之后進行材料輕量化設計，使座椅最終達到減重32.96%。

1.2 輕量化材料應用

在推進汽車減重進程中，復合材料、輕質合金材料、鍍鋅高強度鋼、異種材料和特種材料等，被廣泛地應用于汽車制造領域，成為汽車中包括零部件和車身等制造原料。在不改變座椅結構的情況下，使用密度小的材料，可有效降低產品質量。目前汽車座椅上，座椅骨架的質量占整椅質量60%以上，因此減輕骨架質量，可以有效地降低汽車座椅質量，實現座椅輕量化。目前汽車座椅上使用較多的新材料主要包括金屬材料如鎂合金、鋁合金、高強度鋼等，非金屬材料如由纖維增強的熱塑性、熱固性復合材料等。

1.2.1 金屬材料

金屬材料由于其強度高，成為汽車座椅骨架的主流材料。座椅骨架是整椅中主要支撐且承受載荷的結構，座椅在整車上作為與乘員最直接接觸的安全件，對座椅骨架的強度、剛度要求非常高。汽車座椅骨架最常使用的材料為各類合金鋼，由于傳統金屬材料其本身密度高，且相關結構設計受到加工手段的限制，故制品都十分笨重。而采用鎂合金、鋁合金等輕質金屬，材料本身密度低，結構設計多樣，其制品減重明顯。為實現其產品質量的減少，在2018年國際汽車零部件展覽會上，安道拓展示了其使用高強度鋼與薄壁矩管材料成功減輕座椅骨架質量，并將模塊化、功能化的零件和模具設計理念引入進來，提升其通用性，進而縮短研發周期；李爾的新一代ECO座椅骨架，也同樣采用了高強度鋼作為座椅骨架原料，可以使汽車座椅質量較之前的版本減輕20%左右，其更加靈活的結構使該骨架同時具有模塊化和通用性的特點。

張光亞等通過將新的鋁合金材料應用到座椅骨架上，使得骨架總成靜強度、剛度均達到相關標準且比原結構方案有所提高，骨架質量減輕了46.6%。高云凱等應用鎂合金材料以及結構設計優化，使座椅后排骨架質量共計減輕了41.3%。徐棟愷等將超高強鋼應用到座椅骨架的部分零件，各零件均減輕25%～35%。

1.2.2 非金屬材料

汽車座椅上使用的較多的非金屬材料主要是塑料及其復合材料。與金屬材料相比，非金屬材料具有質量輕、強度優異等特點。目前，汽車座椅上的塑料件主要有座椅護板、手動座椅調節手柄、電動座椅調節開關、扶手杯托、頭枕導套等。

目前非金屬材料在整車輕量化中的應用已十分廣泛，在日本美國等汽車工業發達的國家，車用高分子材料占全車身材料近12%，與金屬材料相比，近年來高分子材料在汽車上的應用得到了空前絕后的發展。2021款豐田塞納為克服上一代第三排座椅質量大，導致車身笨重的缺點，座椅背板設計采用了巴斯夫含有質量分數為35%的玻纖增強尼龍(PA)原料，在研發過程中使用Ultrasim熱塑性材料成型仿真軟件，得到第一款全注塑座椅靠背。該靠背在滿足座椅的延伸率、沖擊強度要求以外，同時滿足其作為承重地板的強度要求。最終該款非金屬材料背板組裝而成的第三排整椅減小30%，合計節省15%的成本。

張云青等論證了前端框架日趨精益輕量化的趨勢，重點討論了全塑前端模塊的目前發展狀況。陳杰龍通過對全塑翼子板材料的選擇與討論，最終成功制備出質量減輕40%的塑料翼子板，并且具有良好的吸能性，在汽車發生碰撞的時候自行恢復。張松峰等綜述了EPP材料在整車內飾件上的應用，與傳統坐墊發泡對比，EPP可以在座椅坐墊中起到鋼材骨架的作用，使得汽車座椅獲得較大減重比。汪慶洋研究了碳纖維材料替換汽車后排金屬座椅骨架的方案，最終設計出比金屬骨架減重40%的碳纖維座椅骨架。汽車零部件供應商赫氏也積極與原材料供應商展開合作，已成功開發出一種碳纖和木纖共混增強的復合材料座椅，這種輕量化的座椅靠背減少了40%的質量，相比全碳纖維部件，CO排放也明顯降低且安全性與吸音效果也顯著提高。

1.3 先進成型工藝

當座椅的結構以及材料無法發生改變時，需要在原有結構和材料的基礎上通過加工工藝的優化，達到輕量化的目的。工藝優化主要有兩種思路：①可以從原有的加工方法上進行工藝參數優化，使成型過程達到更好的成型效果，產品具有更優的性能；②可以應用一些創新工藝，如：激光焊接、低壓鑄造、粉末冶金、微發泡、SMC等可有效降低座椅部件質量，實現整椅輕量化。

1.3.1 工藝參數優化

當座椅零件的生產設備及原料確定后，工藝參數則成為影響產品生產質量的最大因素，好的工藝參數可以優化材料的微觀結構，在宏觀表現為材料性能的提高，如針對注塑成型：當注射溫度提高時，高分子材料黏度低，產品充填效果好，且可成型薄壁零件，但注射溫度過高，材料易焦煳，產品品質差；當保壓壓力越高則產品補縮效果越好，產品出現縮痕等缺陷的可能性越低，但保壓壓力越高，產品內應力越高，則出現翹曲變形的變形量越大。

代雷霆等采用Moldflow注塑模流分析軟件聯合Abaqus力學分析軟件，通過對座椅塑料大護板注塑工藝參數調整優化，最終得出模具溫度和熔體溫度越高，保壓壓力在較低情況下，應力分布越均勻，所得產品力學性能越好。

李登云等將熱處理工藝應用于結構優化中，對某款車型座椅骨架進行了輕量化設計，通過工藝參數優化使得試驗材料拉伸強度提高25%，進行結構輕量化優化后座椅骨架減重1.38 kg。

龍少雄等對彈簧類汽車零件進行鑄造成型仿真，通過不斷優化成型工藝參數，并結合產品結構優化，最終得到了安全系數提高25%，質量降低58.1%的輕量化汽車零部件。

昶立杰等通過對4種注塑方式分別進行模流分析和動力學仿真，得出了澆口位置對于產品力學性能的影響，在其他工藝參數合適時，澆口位置靠下，則產品的力學性能越優。

1.3.2 先進加工工藝

隨著科學技術的不斷發展，各類新加工工藝在汽車座椅輕量化的進程上起著越來越關鍵的作用。通過這些特殊的加工工藝，在維持原有性能不變的情況下可以使座椅零部件降低10%～20%的質量。

汽車座椅上的塑料件如內外護板、調節扶手、座椅背板等，可采用微發泡工藝，實現塑料零件質量降低。微孔注塑發泡是指向塑料熔體中引入微小泡孔，然后注入型腔內部使制品內部用氣體代替原有的塑料，從而達到減重的目的。目前微發泡技術已經成功應用到汽車各種結構件、內外飾件，實現單件零件質量降低20%～40%。

片狀模塑材料(SMC)是一種強度高且密度小的高分子材料，經過模壓成型可得到形狀復雜的各類結構。好的模壓工藝可以使SMC制件性能好、尺寸精度高、產品表面質量優異。該材料及成型工藝，可應用到座椅前排坐墊骨架坐盆，后排骨架背板的成型。SMC模壓成型已經在汽車零件中推廣，并取得良好減重效果。李波等使用新型SMC 復合材料代替傳統鋼材作為汽車車身翼子板用材，在保證性能要求的前提下，通過模塊化設計、結構優化和工藝優化實現減重20%。吳鳳楠等對比了SMC片材和PCM片材，在不同模壓工藝下，力學性能的差異點，PCM力學性能優于SMC，但其預浸料鋪層工藝較SMC更為復雜。李菁華等將SMC材料用到了商用車門下裝飾板的成型，并探究了成型工藝對SMC成型過程的影響，最終得到了減重23%但成本上升不超過10%的產品。李燕龍等在開發某新型純電動汽車發動機罩蓋的過程中，使用SMC材料替代傳統的金屬材料，實現了單品質量降低23%的目標。

2 結束語

本文圍繞汽車座椅輕量化，從座椅輕量化設計、輕量化材料應用和先進工藝使用3個角度分別探討了結構、材料和工藝對座椅輕量化的影響。通過分析得出，若僅從三者中某一個角度出發，最終并不能得到減重效果令人滿意的座椅。而成功的案例往往是一個多層級循環往復的過程：需要從材料選擇到工藝參數的不斷調整，再到針對該材料、工藝，進行一些特殊的結構設計，之后通過不斷優化，反復驗證，最終才能研發出既能滿足各項標準要求，質量又低于常規的輕量化的汽車座椅。

此外，針對整車零部件輕量化的結構、材料和工藝，亦可以逐步拓展到汽車座椅的零部件生產上，且汽車座椅本身作為一個總成件，可將多種材料和工藝結構相結合，通過單個零件降低質量的不斷累積，最終實現整椅質量的降低。