汽车座椅轻量化研究进展

 

汽车的轻量化就是在保证整车强度和刚度的前提下，通过结构的轻量化设计及轻量化材料的使用，达到减轻整车质量的目的。有研究表明，当整车质量降低10%，燃油汽车的燃油效率可提高6%～8%。具体而言，汽车整车质量每减少100 kg，其百公里油耗可降低0.3～0.6 L。对于电动汽车而言，整车质量每减少10%，其续航里程可增加5.5%。

汽车座椅的比重占整车质量的8%，在所有汽车零部件系统中排在第四位。所以汽车座椅轻量化相关研究，对于整车质量的降低至关重要。已有多家汽车零部件企业，对不同品牌的汽车座椅进行轻量化开发。文中重点综述了国内外关于汽车座椅相关的轻量化研究进展，针对轻量化原理、角度以及目前存在的困难展开讨论，为今后汽车座椅的研发提供一定的参考。

 

目前减少整车质量的方法主要从结构优化、材料轻量化以及制造工艺3个方向入手，而汽车座椅作为重要汽车零部件之一，实现其轻量化的方法与整车所采用的方法基本一致。

 

拓扑优化是对座椅骨架等进行结构优化的主要方法，其结构优化的过程是：先对座椅结构进行设计，再简化模型，然后将该模型按照相关规定进行模拟受力过程分析，之后对结果中可能存在应力集中位置处进行不断结构优化，最终得到轻量化座椅骨架。

 

卢建志等对某汽车座椅骨架进行了拓扑优化，研究结果表明:在轻量化拓扑优化设计后，该座椅骨架质量降低为原座椅骨架的85%。姚为民等采用拓扑优化的方法对某汽车座椅进行了轻量化设计，质量降低为原座椅骨架质量的89.6%。陈红飞等利用HyperMesh对模型进行网格划分，利用Optistruct求解器对网格模型进行静强度分析满足标准要求，之后进行材料轻量化设计，使座椅最终达到减重32.96%。

 

在推进汽车减重进程中，复合材料、轻质合金材料、镀锌高强度钢、异种材料和特种材料等，被广泛地应用于汽车制造领域，成为汽车中包括零部件和车身等制造原料。在不改变座椅结构的情况下，使用密度小的材料，可有效降低产品质量。目前汽车座椅上，座椅骨架的质量占整椅质量60%以上，因此减轻骨架质量，可以有效地降低汽车座椅质量，实现座椅轻量化。目前汽车座椅上使用较多的新材料主要包括金属材料如镁合金、铝合金、高强度钢等，非金属材料如由纤维增强的热塑性、热固性复合材料等。

 

金属材料由于其强度高，成为汽车座椅骨架的主流材料。座椅骨架是整椅中主要支撑且承受载荷的结构，座椅在整车上作为与乘员最直接接触的安全件，对座椅骨架的强度、刚度要求非常高。汽车座椅骨架最常使用的材料为各类合金钢，由于传统金属材料其本身密度高，且相关结构设计受到加工手段的限制，故制品都十分笨重。而采用镁合金、铝合金等轻质金属，材料本身密度低，结构设计多样，其制品减重明显。

 

为实现其产品质量的减少，在2018年国际汽车零部件展览会上，安道拓展示了其使用高强度钢与薄壁矩管材料成功减轻座椅骨架质量，并将模块化、功能化的零件和模具设计理念引入进来，提升其通用性，进而缩短研发周期；李尔的新一代ECO座椅骨架，也同样采用了高强度钢作为座椅骨架原料，可以使汽车座椅质量较之前的版本减轻20%左右，其更加灵活的结构使该骨架同时具有模块化和通用性的特点。

 

张光亚等通过将新的铝合金材料应用到座椅骨架上，使得骨架总成静强度、刚度均达到相关标准且比原结构方案有所提高，骨架质量减轻了46.6%。高云凯等应用镁合金材料以及结构设计优化，使座椅后排骨架质量共计减轻了41.3%。徐栋恺等将超高强钢应用到座椅骨架的部分零件，各零件均减轻25%～35%。

 

汽车座椅上使用的较多的非金属材料主要是塑料及其复合材料。与金属材料相比，非金属材料具有质量轻、强度优异等特点。目前，汽车座椅上的塑料件主要有座椅护板、手动座椅调节手柄、电动座椅调节开关、扶手杯托、头枕导套等。

 

目前非金属材料在整车轻量化中的应用已十分广泛，在日本美国等汽车工业发达的国家，车用高分子材料占全车身材料近12%，与金属材料相比，近年来高分子材料在汽车上的应用得到了空前绝后的发展。2021款丰田塞纳为克服上一代第三排座椅质量大，导致车身笨重的缺点，座椅背板设计采用了巴斯夫含有质量分数为35%的玻纤增强尼龙(PA)原料，在研发过程中使用Ultrasim热塑性材料成型仿真软件，得到第一款全注塑座椅靠背。该靠背在满足座椅的延伸率、冲击强度要求以外，同时满足其作为承重地板的强度要求。最终该款非金属材料背板组装而成的第三排整椅减小30%，合计节省15%的成本。

 

张云青等论证了前端框架日趋精益轻量化的趋势，重点讨论了全塑前端模块的目前发展状况。陈杰龙通过对全塑翼子板材料的选择与讨论，最终成功制备出质量减轻40%的塑料翼子板，并且具有良好的吸能性，在汽车发生碰撞的时候自行恢复。张松峰等综述了EPP材料在整车内饰件上的应用，与传统坐垫发泡对比，EPP可以在座椅坐垫中起到钢材骨架的作用，使得汽车座椅获得较大减重比。汪庆洋研究了碳纤维材料替换汽车后排金属座椅骨架的方案，最终设计出比金属骨架减重40%的碳纤维座椅骨架。汽车零部件供应商赫氏也积极与原材料供应商展开合作，已成功开发出一种碳纤和木纤共混增强的复合材料座椅，这种轻量化的座椅靠背减少了40%的质量，相比全碳纤维部件，CO2排放也明显降低且安全性与吸音效果也显著提高。

 

当座椅的结构以及材料无法发生改变时，需要在原有结构和材料的基础上通过加工工艺的优化，达到轻量化的目的。工艺优化主要有两种思路：

 

①可以从原有的加工方法上进行工艺参数优化，使成型过程达到更好的成型效果，产品具有更优的性能；

②可以应用一些创新工艺，如：激光焊接、低压铸造、粉末冶金、微发泡、SMC等可有效降低座椅部件质量，实现整椅轻量化。

 

当座椅零件的生产设备及原料确定后，工艺参数则成为影响产品生产质量的最大因素，好的工艺参数可以优化材料的微观结构，在宏观表现为材料性能的提高，如针对注塑成型：当注射温度提高时，高分子材料黏度低，产品充填效果好，且可成型薄壁零件，但注射温度过高，材料易焦煳，产品品质差；当保压压力越高则产品补缩效果越好，产品出现缩痕等缺陷的可能性越低，但保压压力越高，产品内应力越高，则出现翘曲变形的变形量越大。

 

代雷霆等采用Moldflow注塑模流分析软件联合Abaqus力学分析软件，通过对座椅塑料大护板注塑工艺参数调整优化，最终得出模具温度和熔体温度越高，保压压力在较低情况下，应力分布越均匀，所得产品力学性能越好。

 

李登云等将热处理工艺应用于结构优化中，对某款车型座椅骨架进行了轻量化设计，通过工艺参数优化使得试验材料拉伸强度提高25%，进行结构轻量化优化后座椅骨架减重1.38 kg。

 

龙少雄等对弹簧类汽车零件进行铸造成型仿真，通过不断优化成型工艺参数，并结合产品结构优化，最终得到了安全系数提高25%，质量降低58.1%的轻量化汽车零部件。

 

昶立杰等通过对4种注塑方式分别进行模流分析和动力学仿真，得出了浇口位置对于产品力学性能的影响，在其他工艺参数合适时，浇口位置靠下，则产品的力学性能越优。

 

随着科学技术的不断发展，各类新加工工艺在汽车座椅轻量化的进程上起着越来越关键的作用。通过这些特殊的加工工艺，在维持原有性能不变的情况下可以使座椅零部件降低10%～20%的质量。

 

汽车座椅上的塑料件如内外护板、调节扶手、座椅背板等，可采用微发泡工艺，实现塑料零件质量降低。微孔注塑发泡是指向塑料熔体中引入微小泡孔，然后注入型腔内部使制品内部用气体代替原有的塑料，从而达到减重的目的。目前微发泡技术已经成功应用到汽车各种结构件、内外饰件，实现单件零件质量降低20%～40%。

 

片状模塑材料(SMC)是一种强度高且密度小的高分子材料，经过模压成型可得到形状复杂的各类结构。好的模压工艺可以使SMC制件性能好、尺寸精度高、产品表面质量优异。该材料及成型工艺，可应用到座椅前排坐垫骨架坐盆，后排骨架背板的成型。SMC模压成型已经在汽车零件中推广，并取得良好减重效果。李波等使用新型SMC 复合材料代替传统钢材作为汽车车身翼子板用材，在保证性能要求的前提下，通过模块化设计、结构优化和工艺优化实现减重20%。吴凤楠等对比了SMC片材和PCM片材，在不同模压工艺下，力学性能的差异点，PCM力学性能优于SMC，但其预浸料铺层工艺较SMC更为复杂。李菁华等将SMC材料用到了商用车门下装饰板的成型，并探究了成型工艺对SMC成型过程的影响，最终得到了减重23%但成本上升不超过10%的产品。李燕龙等在开发某新型纯电动汽车发动机罩盖的过程中，使用SMC材料替代传统的金属材料，实现了单品质量降低23%的目标。

 

本文围绕汽车座椅轻量化，从座椅轻量化设计、轻量化材料应用和先进工艺使用3个角度分别探讨了结构、材料和工艺对座椅轻量化的影响。通过分析得出，若仅从三者中某一个角度出发，最终并不能得到减重效果令人满意的座椅。而成功的案例往往是一个多层级循环往复的过程：需要从材料选择到工艺参数的不断调整，再到针对该材料、工艺，进行一些特殊的结构设计，之后通过不断优化，反复验证，最终才能研发出既能满足各项标准要求，质量又低于常规的轻量化的汽车座椅。

 

此外，针对整车零部件轻量化的结构、材料和工艺，亦可以逐步拓展到汽车座椅的零部件生产上，且汽车座椅本身作为一个总成件，可将多种材料和工艺结构相结合，通过单个零件降低质量的不断累积，最终实现整椅质量的降低。