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[轻量化轻卡|重卡] 某商用车座椅固定结构优化设计

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发表于 2020-3-5 14:25:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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商用车座椅固定结构优化设计
孙浩,柳存昭,种刚,刘金龙,马伊贤
(陕西汽车集团有限责任公司技术中心,陕西 西安 710200)
【汽车轻量化在线】摘 要:文章以某商用车座椅固定结构为研究对象,以满足座椅安全带固定点强度为目标,运用集成式设计方法进行结构轻量化。有限元模型分析结果表明,轻量化后的地板结构满足强度要求,并使白车身重量降低4.4kg,减重11.1%,轻量化效果显著。
关键词:商用车;集成式;轻量化;有限元
前言

燃油经济性是重卡用户最关心的问题,用户为了追求效益最大化,就要依靠提高运输效率实现盈利,做到低耗、快跑。近年来,国内重卡企业对轻量化车型的开发愈加重视,为了提高市场份额,轻量化重卡成为各家车企的制胜法宝,重卡轻量化研发将愈演愈烈。实现车身轻量化的方法很多,在此不作赘述。本文以某商用车座椅固定结构为研究对象,应用集成式设计方法进行结构优化,实现轻量化的同时满足性能目标。在进行结构优化设计时,力学原理和实践经验作为工作前提,结合结构分析和优化设计软件,根据实际情况和一定条件下,对结构进行优化设计,在重量和性能之间寻找平衡,实现安全性和经济实用性的结构形式。

1 座椅固定结构现状1.1 座椅固定结构形式

主、副驾座椅通过座椅前安装与前地板形成连接,固定点处钣金为两层连接结构,在前纵梁连接板和第一横梁连接板的加强作用下,与前纵梁形成传力机构,图1为模型图示。

图1 座椅固定结构三维模型

1.2 约束、加载及评价标准

对图1三维结构建立有限元模型,在地板四周位置进行全约束,分别对左、右两侧座椅人体上、下模块各施加与水平方向成 10°角 4500N集中载荷,对左侧座椅施加-X方向2750N载荷,对右侧座椅施加-X方向1650N载荷,为保守计算,载荷均放大1.2倍。载荷加载高度按法规要求为座椅质心高度。约束及加载有限元模型如图2所示。

图2 主、副驾座椅及白车身地板约束及加载有限元模型

分析评价标准要求在加载和保持阶段,座椅及安全带固定点结构无失效,当安全带上固定点在座椅靠背上时,上有效固定点的前向位移不应超过R点平面前倾10°的范围。

1.3 有限元分析结果

分析计算座椅安全带固定点强度,主要关注座椅的前倾量及冲压件的塑性应变值。

图3 地板总成变形云图

图4 地板总成塑性应变图

由于座椅结构不同,主驾座椅为空气弹簧座椅,副驾座椅为可翻转式座椅,导致变形量存在很大差异。从图3可以看出,主驾座椅上底座向前倾斜1.7°,地板无明显变形,副驾座椅存在前倾变形,前端安装点受压后端受拉,座椅上底座向前倾斜7.9°,满足标准。

地板结构整体应变较小,低于材料极限塑性应变,判断无失效,具体塑性应变值见表2。

表2 座椅固定结构零件塑性应变表

2 座椅固定结构优化2.1 集成式座椅固定结构形式

目前结构各项性能指标均满足设计要求,并且存在冗余,为了进一步减轻设计质量,优化制造工艺,提升产品竞争力,实施集成式轻量化设计,即把一些多个零件完成的功能集成到一个零件上,以达到减重的目的,通过整合零件功能、将多个零部件集成,实现零部件的多功能,减少零件数量,达到轻量化的目的。

图5 集成式座椅固定结构三维模型

图5为集成式设计后的座椅固定结构:座椅安装点集成到前纵梁连接板和地板第一横梁连接板上,固定点处钣金与前纵梁、前地板形成三层板焊接结构,座椅安装螺栓打紧后,连接强度进一度提升,综合分析,固定点强度已得到提升,前地板料厚降低到 0.9,材料不变,同时取消座椅前安装板。

2.2 有限元分析结果

参照1.2约束、加载及评价标准,分析计算座椅安全带固定点强度,主要关注座椅的前倾量及冲压件的塑性应变值。

图6 地板总成变形云图

从图6可以看出,主驾座椅上底座向前倾斜1.8°,地板无明显变形,副驾座椅存在前倾变形,前端安装点受压后端受拉,座椅上底座向前倾斜了7.3°,满足标准。

图7 地板总成塑性应变图

地板结构整体应变较小,低于材料极限塑性应变,判断无失效,具体塑性应变值见表3。

表3 座椅固定结构零件塑性应变表

3 结果校核
表4 座椅固定结构零件优化前后塑性应变表

比较有限元分析结果,优化前后主驾座椅前倾角度无明显变化,副驾座椅前倾角度从7.8°减小到7.3°,性能得到提升;从表4可以看出,地板各零件塑性应变值虽均有所增大,但仍处于安全许用范围,说明零件受力得到分散,结构得到优化;优化后的座椅固定结构质量减少4.4kg,降幅达11.1%,减重效果显著。

4 结论

通过集成式轻量化设计,结合有限元仿真分析技术,白车身座椅固定结构重量降低,同时副驾座椅固定结构前倾角度明显改善,地板各零件塑性应变处于合理范围内,零件结构优化合理。本文以白车身座椅固定结构为例应用集成式轻量化设计方法,不仅显著减轻车身重量,还能够减少冲压模具、焊接夹具的前期投入,减轻员工劳动强度,提升生产节拍。通过以上内容分析,汽车行业实现轻量化设计,应从最基本的优化结构设计出发,经济实用,这对于提升我国卡车行业研发人员基本能力,促进国内商用汽车行业的发展至关重要,并且在即将面临的经济挑战下,对汽车行业发展的研究和新结构设计理论的探讨更加刻不容缓。

参考文献

[1] 胡瑞.重卡轻量化设计思路.[J]重型汽车.2011.

[2] 王利团.重卡轻量化设计思路.[J]时代汽车.2018.







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