新材料与工艺手册

新能源汽车座椅轻量化设计的探讨

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发表于 2020-5-8 10:13:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】新能源汽车座椅轻量化设计的探讨
长春工业大学机电工程学院 李明 杜徐徐
摘 要:随着世界各国对环保问题的重视,新能源汽车的发展势头越发强劲,各国车企纷纷加大对新能源汽车的研发投入,但因当前电池技术的局限性,只能通过降低整车重量的方法提升产品性能,汽车座椅作为重量级内饰件,进行轻量化设计的必然选择。
关键词:新能源汽车;座椅;轻量化设计

[size=1em]随着经济发展,汽车数量急剧增加,给人们生活带来便利的同时也对资源、能源和环境带来了不利影响,石油资源短缺,大气污染,温室效应等因素迫使汽车技术向着节能、环保的方向发展,因此世界各国鼓励新能源汽车的开发和使用。但新能源技术的发展并不是一帆风顺,存在充电时间、续航里程短等问题都需要逐一解决,汽车轻量化虽不能从根本上解决这些问题但是能提高新能源汽车的性能。

[size=1em]座椅作为汽车重量级的内饰件,新能源汽车座椅的设计工作也更加复杂。现有的新能源汽车座椅设计仍沿袭传统燃油动力汽车座椅的设计原则,没有对新能源汽车的特点进行针对性设计和优化。研究表明,新能源汽车座椅的质量不到车辆总质量的百分之二,但新能源汽车座椅的轻量化对新能源汽车的整体质量有着重要的影响,从技术、材料两方面对新能源汽车座椅进行轻量化设计,最大限度地减轻座椅质量,保证座椅功能的安全性,同时必须考虑到美观性、舒适性等因素。

1 新能源汽车座椅轻量化设计原则

[size=1em]在新能源汽车座椅轻量化设计方案中,首先需要明确的是轻量化本身并不是目的。而是需要我们在座椅轻量化所付出的成本和收获的收益之间达成合适的比例,使采取的轻量化措施是有效的、值得的。在获益的同时必须首先考虑风险,即要在安全、舒适的前提下,达成座椅轻量化的目标。

[size=1em]只有在确保座椅安全性的前提下,才能考虑实现轻量化。轻量化设计也遵循木桶理论,轻量化设计也存在应力集中的薄弱环节,这限制了座椅的使用要求,如刚度、强度、使用寿命等。基于理论前提,需要选择合适的材料、结构、尺寸达到设计目标。

[size=1em]轻量化设计是一个循环的多层级过程,在不同的材料、结构、尺寸的配合方式中进行循环反复。汽车座椅关系着驾驶人和乘客的生命安全,座椅制造材料的选择最重要的就是安全性,在保障座椅安全性的前提下,考虑座椅的重量问题,其次是材料的成本问题,汽车座椅的大规模生产势必要用到大规模的材料,如果座椅材料轻量化效果好但成本过高,就不利于推广生产使用,因此轻量化原则主要有:不妨碍安全、功能;质量更轻,强度更高的材料;先进的结构;适当的尺寸;先进的制造工艺。

2 新能源汽车座椅轻量化设计技术分析

[size=1em]新能源汽车座椅部件有座椅骨架、座椅泡沫、座椅面套、塑料件和其它小零件。座椅骨架约占整椅质量的65%,座椅泡沫约占整椅质量的10%、座椅面套约占整椅质量的10%,塑料件约占5%,而其它则约占10%[1]。从各个座椅部件在整椅质量中的占比我们可以看出骨架在整椅中质量占比最大。所以减轻座椅骨架质量能有效实现座椅轻量化。新能源汽车普及的同时,人们对新能源汽车的各种研究也随之展开,实现新能源汽车座椅骨架轻量化技术主要有以下四种:

[size=1em]1)拓扑优化。拓扑优化是目前我们研究座椅结构优化设计最有发展前景的方向,在设计中,我们确定设计变量是骨架材料单元的密度,优化设计的目标是使用的材料最少,约束条件是不低于法规要求的刚强度,最后根据得到的结果来适当调整以满足实际工程的需要,使最后方案具有最高的设计自由度和最大的设计空间。

[size=1em]2)尺寸优化。尺寸优化是一种参数化技术,我们通过对座椅骨架结构件的厚度、直径等几何尺寸和模量、强度值等材料参数进行优化,减小零件的几何尺寸和零件厚度,来达到轻量化目的的方法。

[size=1em]3)形态优化。形态优化是一种优化零件形貌的概念设计技术,在薄壁结构和钣金件不增加重量的前提下,确定适当的型材几何形状,压延筋的形状、数量,达到加强刚度的效果。

[size=1em]4)工艺优化。充分利用所有工艺,选择最优工艺,实现最少的材料使用和最少连接的功能集成,改进零件的成型和连接工艺,减少构件数量。

3 新能源汽车座椅轻量化设计材料分析

[size=1em]结构优化等方法能降低新能源汽车座椅的质量,但减重效果有限并不能满足要求,而新的材料应用是用低密度材料代替高密度材料,借助轻量化材料在不改变汽车座椅刚强度,保证行驶安全的前提下,有效减轻汽车座椅重量。即在材料优化的基础上进行结构优化、尺寸优化、形态优化和工艺优化。

3.1 镁合金

[size=1em]镁合金强度高、刚性强,比铝合金更轻,密度是铝的2/3,钢的2/9,是理想的新能源汽车工业轻质材料[2]。随着镁合金在新能源汽车工业上的用量增加,镁合金具有原材料广泛,成本低,生产加工技术成熟的优势。镁合金挤压型材和冲压板件刚性强、强度高,能有效减少零部件数量。当前座椅骨架中冲压钢板焊接而成的结构件如前主冲压板、后主冲压板、头枕支架、中间铰轴加强板、侧边铰轴加强板可以被镁合金挤压型材和冲压板件一体式结构替代。在镁合金板材上设置加强筋提高刚度并加强连接件之间的连接。与钢骨架相比,镁合金骨架不需要多次弯曲、冲压、冲孔,工艺会更加的简单,大大降低成本。

[size=1em]镁合金座椅骨架能有效的减轻整椅质量,镁合金与镁合金之间的连接采用氩弧焊,尽量分段焊接,减少焊接变形。但需要注意的是当镁合金连接钢铁材料时,因为两种材料间存在电位差,会产生腐蚀影响座椅使用寿命,所以采用环氧树脂结构胶连接、铆接孔、铝铆钉等连接方法能提高结构连接强度规避电化腐蚀的影响。镁合金骨架刚度、强度、连接方法、可靠性均能达到相关法规的要求,与钢骨架相比能有效降低百分之五十的质量,实现了新能源汽车座椅轻量化目标。

3.2 铝合金

[size=1em]铝合金密度低、强度较高、质量轻、导热性高,吸收冲击能力强,密度是钢的1/3,在汽车工业中已大量应用[3]。铝合金在汽车工业上应用早,技术成熟,开发成本低。

[size=1em]铝合金骨架主要结构件有靠背、边板、椅架。靠背是汽车座椅主要承压件,边板连接靠背和椅架,椅架焊接在椅脚固定座上,是最大的承压件。由低压铸造的铝合金座椅靠背、冲压铝合金边板、轧制铝合金椅架组合而成的铝合金骨架与钢骨架相比能有效降低百分之四十重量。骨架中结构件多采用焊接和螺栓连接,需要注意的是铝合金骨架满足相关法规的钢度强度要求,但从整体上看铝合金骨架上应力分布不均匀,多集中于各部件连接处,所以螺栓连接更安全可靠。使用铝合金座椅骨架不仅能减轻新能源汽车整椅的重量,使新能源汽车整体重量下降,减少油耗,还有着良好的减震性,可以提高驾驶员和乘客的乘坐舒适性。铸造整体式铝合金零部件能有效减少零部件数量,大大减少了零件焊点数量,减少焊接和装配工序。采用低压铸造成型工艺的零部件还可进行热处理,进一步提高强度,而且低压成型铸件结构紧密,性能更好,更有利于生产薄壁铸件。铝合金是良好的轻量化材料,但也存在局部拉伸性不好,容易产生裂纹,易形变,表面易碰伤等问题。

3.3 高强度钢

[size=1em]相比镁、铝合金,高强度钢在碰撞性能上有着明显优势。高强度材料一般分为低强度钢、高强度钢、超高强度钢。屈服强度低于210Mpa的钢为低强度钢,屈服强度在210Mpa~550Mpa的钢为高强度钢,屈服强度大于550Mpa的钢为超高强度钢[4]。在汽车制造领域钢材料应用广泛,超高强度钢制作的座椅骨架与钢骨架相比能有效降低25%重量,而且成本低,很适合作为一种新能源汽车座椅骨架的轻量化材料。

[size=1em]采用高强度钢、超高强度钢制作的汽车骨架抗变形能力强,吸收冲击能力强,弹性应变区域大,所以高强度钢在汽车座椅骨架轻量化应用主要通过减薄零件厚度来实现。但由于高强度钢的延展性低,易产生加工硬化等一系列问题,限制了高强度钢在新能源汽车骨架轻量化方面的应用。同时,高强度钢在汽车座椅减重、安全性方面有显著优势,但高强度钢可焊性较差,随着强度增加还会出现冲压性变差,回弹量变大等问题。

3.4 碳纤维复合材料

[size=1em]碳纤维复合材料是碳纤维和金属、陶瓷、树脂等复合形成的结构材料。碳纤维复合材料质量轻,强度大,密度是钢的1/4,抗拉强度却在3500Mpa以上[5],对酸碱盐等化学物质有很好的耐受能力,很适合替代金属材料来制作座椅骨架。相比镁、铝合金,高强度钢等金属材料,碳纤维复合材料在减振性能有着明显优势,根据纤维材料,含量的不同,其性能具有较宽的变化范围。同时,碳纤维复合材料具有高抗变形性、耐腐蚀性、高疲劳的优点。

[size=1em]碳纤维复合材料不仅能满足新能源汽车座椅的刚强度需求,还能减轻座椅质量。只要降低生产成本和优化生产工艺,碳纤维就能得到广泛应用。碳纤维复合材料座椅骨架主要分为上横梁、下横梁和侧板三部分,上横梁采用真空袋成型,下横梁和侧板采用层压模压成型,碳纤维和铝合金复合所制骨架是一体化成型,通过结构整体化设计,设计思路贯穿产品整个成型过程,大幅减少骨架零部件数量和焊接点,不仅满足相关法规的刚度与强度要求,而且还能减少连接件数量和制造成本。

[size=1em]在实现材料的轻量化的前提下,运用计算机进行优化结构、优化尺寸等设计,如拓扑优化、有限元分析,通过改变零件的尺寸和结构,在满足新能源汽车座椅安全性、舒适性等要求的前提下,达到新能源汽车座椅轻量化目的。

4 结论

[size=1em]综上所述,结构优化减重效果有限,采用轻量化材料成为实现新能源汽车座椅轻量化的首选途径,简而言之,就是用性能参数更高的,更轻的材料代替体积质量比较大的部位材料。因此,采用单一的材料会存在局限性,轻量化效果不明显,不能有效的加强新能源汽车的性能。就轻量化效果而言,碳纤维、镁合金更具优势,但较高的原材料成本和新材料的加工工艺会才成为新能源汽车座椅轻量化的主要障碍。



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