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汽车座椅轻量化技术研究:背景、结构、材料、未来发展等

2021-9-24 16:00 616 0 来自: CMF设计军团号 ID:cmfjuntuan」
简介
【汽车碳中和】汽车座椅轻量化研究背景同行们一直都在努力朝着汽车轻量化方向发展,尤其近年电动车的发展更是推动了汽车轻量化技术的发展。整车重量如果能够降低,很显然整个油耗目标是能够达到的,到2025年左右全国 ...

【汽车碳中和】汽车座椅轻量化研究背景

同行们一直都在努力朝着汽车轻量化方向发展,尤其近年电动车的发展更是推动了汽车轻量化技术的发展。

整车重量如果能够降低,很显然整个油耗目标是能够达到的,到2025年左右全国的油耗目标将会达到4升左右,这个要求是也是碳达峰、碳中和的要求。

电动车的发展在极速推进轻量化进程,其中最大一个问题就是电动车应用的两大焦虑,一个是充电焦虑,一个是续航里程焦虑。一些汽车工业协会统计,如果纯电动车能够减少100公斤,续航里程就能提升10%-11%。这也是为什么要做轻量化的重要原因。

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再看一下相关统计,不同车系包括日系、美系、德系、国产车,主司机座椅的重量基本上都是25公斤左右,做来做去都是这样的水平,没有做得更好的一个吗?所以大家也在不断寻求减重方案。

我们做了一下统计,目前在整个汽车大的零部件中,座椅的重量基本上前后排加起来能够占到7%,随着未来汽车座椅功能的复杂化,恐怕这个占比还会增加。

我们统计了一下近几年汽车座椅方面轻量化技术专利的情况,可以看出,从2011年开始,每年有大量专利申请,到2019年这个水平已经很高了。这说明在轻量化技术方面能看到大家持之以恒的努力,也形成了一个热点。

看一下整个汽车发展历程,从最早1886年早期奔驰的第一辆车出现,一直发展到现在的迈巴赫,不同年代有一些代表性的车型。整个座椅从最初非常简单到现在功能不断增加,迈巴赫的功能已经拓展了很多。

由于舒适性、用户体验对功能性的需求不断增加,整个座椅的重量要求又是不断减少,这就是一个很大的矛盾。大家比较期望的是,如果是一个大型SUV车或者MPV车,整个座椅的不断变化可以满足不同的需求。尤其未来智能化、网联化、电动化方面还会不断增加座椅的重量。如果汽车可以飞行,整个汽车包括座椅的轻量化就更为必要了。

汽车座椅轻量化技术——结构轻量化

从轻量化策略来看,包含了五个大的方面:条件轻量化、方案轻量化、材料轻量化、形状轻量化、制造轻量化。

从重量成本函数曲线可以看到,做轻量化技术过程中并不是说一味地做的越轻越省材料,整个座椅的成本就一定会降低。低到一定程度还会继续反弹,意味着可能轻量化技术、工艺越做可能最终给座椅带来的反而还是成本的增加。

从前排座椅和后排座椅典型爆炸图能够看到,目前整个座椅主要就是这几大部件:座椅骨架、座椅泡沫、护面、塑料件以及一些电气零件组成了座椅。

我们做了一下统计,实际上骨架占的重量最高,基本上前排能够达到65%,剩下的是塑料件、泡沫、护面、头枕,核心件占比还是非常大,包含电机、调角器、滑轨等一系列核心件。

从座椅轻量化技术来看,座椅比较适用三大类,第一是结构优化;第二是材料轻量化;第三是先进工艺。对于具体产品,座椅骨架、核心件、面套、泡沫、材料件等更适合于材料的轻量化,骨架本身比较适用一些先进工艺轻量化。

前排座椅骨架轻量化,如果想做得更轻量化,主要是把一些冲压件改成管件甚至是钢丝件焊接。因为整个座椅受力以后,呈现的力矩会是一个三角形,意味着调角器的部位受力最大,改为管件结构是一种思路。

后排座椅骨架轻量化,早期因为安全固定点等设计要求较高,都会要求在座椅后部有一个比较大的钢板,在进行结构优化的时候,取消大钢能降成本,还能用钢丝替代,减轻重量。

泡沫方面,在聚氨酯泡沫尤其是后排座椅坐垫,因为H点设计,泡沫做得都非常厚,如何进行减重呢?一般可以采用底下多孔的设计减轻重量。还有就是雷克萨斯早期开发了一款座椅,利用镂空设计使得整个座椅更轻。

还有一种结构轻量化比较常用的是拓扑优化,首先假想没有座椅,对后排座椅进行最苛刻的实验,行李箱冲击实验,看什么情况下能够满足这样的实验。在优化结果条件下,可以最大限度减少材料的使用,最终实现座椅轻量化方案。

工艺方面也能够使骨架轻量化,原来的设计一般通过铆接技术,尤其是滑轨上支架和滑轨之间的连接,现在常用是八个铆钉的方式,为了满足铆接空间和强度,整个滑轨上支架也会做得非常大。从2016年开始,激光焊接技术逐渐在座椅上普及,现在从铆接结构变成了激光焊接方式。

整个滑轨上支架变得非常小,用激光焊接很容易焊得非常牢,减重比例超过了50%,实际上座椅如果能够减掉700-800克,两支座椅能减1点多公斤,对整车也是一个很大的贡献。

汽车座椅轻量化技术——材料轻量化

目前座椅应用的材料主要包含几类:高强钢、镁合金铝合金、工程塑料、碳纤维和发泡材料。

高强钢基本上有三个区间:普通钢、高强钢、超高强钢。高强钢大多是指超高强钢,尤其在座椅靠背和坐垫骨架,很多材料已经应用非常广泛了,基本上能够把原来的2毫米、1.8毫米降到现在的1.2毫米,甚至有些座椅厂能够把座椅靠背及坐垫壁板厚度降到1.0毫米。比起传统的低强度钢板,其前排、后排减重比例基本上达到10%-15%。超高强钢应用的主要思路是原来用410钢材,现在用SC500/780DP材料,目前靠背侧板最薄可以做到0.8毫米。

在高强钢应用过程中也发现了一些问题,其中最大的问题是高强钢强度和延伸率的关系,随着强度增加,其延伸率逐渐降低。带来的最大问题是冷成形能力变得很差,尤其是深冲后钢板会开裂,曾经遇到780或980钢板做滑轨,钢板上只要有一条划痕,在零件冲压结束后,搬运过程中稍微受到一些碰撞,就沿着划痕直接开裂。

这个问题非常常见,而且之前的钢板也是国际知名企业,近几年随着宝钢扎钢水平的提高,目前像QP钢、CP钢逐渐替代DP钢,所以说现在超高强钢的应用范围比以前越来越广了。

还有一个问题是超高强钢应用过程中的回弹,尤其在做核心件时,对于精度要求比较高,这时如果产生比较大的回弹,尺寸可能没办法保证,比如滑轨进行推松工序时,操作力就会很大,使得核心件不合格。

另外,超高强钢在应用过程中会出现典型褶皱,做拍扁或焊接时,需要用一些辅助变形,最大的问题就是变形过程中产生一些褶皱,还有一个问题是焊接。因为超高强钢本身含碳量比较高,焊接后会产生焊接开裂,主要是后排座椅靠背骨架的方形矩形钢管,需要我们关注。

第二个材料是镁合金,早期大众生产的108公斤的车,整个白车身一个人就可以举起来,镁合金应该是在工程领域中密度最低的,本身也有一些问题,因为其整个原子结构注定其在应用过程中有很多缺陷。

目前镁合金有四大类汽车应用:AZ、AM、AS、AE,但是对于座椅AM系列用的比较多,基本上AM50、AM60两个牌号应用最多。我们发现AZ系列的延伸率太低,只有3%-4%左右,所以应用过程中出现了很多问题。

镁合金整体应用思路基本上是四个件通过压铸方式变成一个件。统计表明,前排骨架减重水平在20%,但这包含了核心件,如果不算核心件其减重比例没有那么高,后排减重比例会相对大一些。

镁合金应用的问题主要是五个方面:成本、压铸设备能力、材料高温性能、腐蚀性能、环境保护。

下一个是铝合金,主要分成两大类,一类是变形铝合金,一类是铸造铝合金。在汽车座椅、零部件方面都有一些成熟应用,七系、六系铝合金本身的材料性能比较好,但是仅限于挤压变形铝合金范围,往往铸造铝合金做出来的零部件性能不会这么好,也会限制其应用。

目前有些铝合金用在汽车座椅,主要是奔驰,为什么铝合金的应用很少见到?它本身减重比例没有那么高,成本又一点不低,这两个因素导致了铝合金在汽车座椅骨架上应用非常少。

铝合金还有一些关键问题也会影响使用,第一铝合金容易产生变形,高铁基本上90%都是用铝型材拼焊的,最大的问题是焊接过程中的收缩变形,不管用什么焊,焊完后热量堆积会使得整个材料变形量非常大,可能从某个局部开裂。

第二是挤压变形开裂,铝合金也可以冲压,但冲压过程中会出现开裂的问题。铸造过程中砂眼、孔隙的问题没有办法避免,也会带来比较高的废品率。再一个是疲劳寿命比较低。

工程塑料包括尼龙,相对铸铁肯定高很多,相对合金、硬铝差不多,这就奠定了工程塑料很大的应用潜力,例如特斯拉的第二排座椅大量应用了复合材料做座椅靠背。还有一些是天然纤维应用案例,还有利用工程塑料做出的超薄座椅,宝马A3在座椅靠背上大量应用了工程塑料复合材料。

还有一个材料是EPP,属于发泡类材料应用,这个材料应用非常广泛,尤其在后备箱、行李箱等,在座椅上的应用也比较多。从最初的高溶体PP粒子变成体积比较膨胀的EPP颗粒,它有比较好的抗震能力、结构强度和性能。

还有一个是碳纤维材料,主要是劳伦纤维碳化后形成高强度纤维物质,后续通过黏结剂黏结起来变成片材,再通过注塑技术把它变成一种复合应用材料。目前碳纤维应用在汽车上比较多,赛车座椅还有一些内饰装饰面板装饰件、车轮、车身覆盖件都应用到了碳纤维材料。

原来的骨架、头枕、背板需要设计在座椅上,用碳纤维技术可考虑把这几个功能件整合在一起进行设计,最大的好处是碳纤维外表面处理好就非常美观,它既可以做外露件设计,也可以作为一种结构件来承载载荷。

汽车座椅轻量化技术未来发展

目前从材料角度看,高强钢、镁合金、铝合金、工程塑料、EPP和碳纤维,在座椅上都具有很大的应用潜力,像高强钢在骨架或核心件可以应用,镁合金主要是骨架,铝合金是一些滑轨核心件应用。在应用过程中,很难说某一种材料自己就能够承担整个减重的使命。整个混合设计还是非常有必要的,还是要结合拓扑优化技术进行整个座椅以及座椅骨架的形状、结构的优化,这样才能进一步让整个座椅减重。

目前,从材料本身看,比较现实的还是用高强钢,因为980兆帕以上超高强钢不是问题,包括成熟热成形技术也能使得这个材料更广泛地应用,现有的生产线不用做更大的改动,就可以实现整个座椅以及座椅骨架的生产。

随着电动车技术的推进,对于轻量化的要求会更高,目前我们测算,用超高强钢基本上不太能够满足未来座椅的整个减重要求,镁合金是工程领域中座椅设计最可行的材料。所以我们认为,镁合金的应用未来还是会比较广泛。未来,如果碳纤维原材料的价格以及加工、制造工艺优化也能成为继续减重的方向,再配合一些天然纤维、多孔材料能够使得整个座椅比现在的重量减掉很多。


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