鎂合金汽車座椅輕量化設(shè)計探析
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[摘要]針對傳統(tǒng)座椅骨架生產(chǎn)工序復(fù)雜和重量過大等問題，開發(fā)一款鎂合金汽車座椅骨架，以迎合現(xiàn)代所倡導(dǎo)的簡潔化、輕量化等理念。利用軟件CATIA對座椅進(jìn)行三維實體設(shè)計，并通過HyperMesh進(jìn)行有限元分析保證座椅的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鎂合金座椅可通過模具澆注一次性成型，降低了傳統(tǒng)座椅骨架的零件數(shù)量，從而大大減輕汽車的總重量,提高車輛動態(tài)和排放性能,減少噪音和振動,改善駕駛的穩(wěn)定性。
[關(guān)鍵詞]汽車座椅；鎂合金；三維設(shè)計；有限元分析
0引言
汽車輕量化技術(shù)的前提是要保證汽車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和駕駛員及乘客的安全，然后盡可能降低整車質(zhì)量，提高汽車動力性能和經(jīng)濟(jì)性，減少污染物的排放[1]。汽車座椅作為汽車的重要內(nèi)飾件，對其進(jìn)行輕量化設(shè)計能大幅減小汽車質(zhì)量。而隨著人們生活水平的不斷提高，不僅有對汽車座椅安全性的要求，還對它的舒適性和美觀性提出新的要求。由于汽車零部件標(biāo)準(zhǔn)體系不完整且各項核心技術(shù)尚未取得顯著突破，我國在汽車座椅設(shè)計和研發(fā)方面處于基礎(chǔ)階段[2]。鎂合金具有質(zhì)量輕、尺寸穩(wěn)定性高、可回收性好和良好的機(jī)加工與鑄造性能，若將鎂合金應(yīng)用于汽車座椅，將會為汽車座椅的發(fā)展帶來曙光。
1汽車座椅的結(jié)構(gòu)與功用
1.1汽車座椅的結(jié)構(gòu)
汽車座椅由頭枕、骨架、坐墊、靠背和調(diào)節(jié)裝置等零部件組成，如圖1所示。座椅框架主要是一輛被分割成類似骨骼的零件，在現(xiàn)有的汽車座椅上所使用的兩種骨架（靠背、坐盆）的材料均為St12，采用沖壓等方式制造而成，最后將所有的零部件進(jìn)行焊接而成，可實現(xiàn)靠背調(diào)節(jié)、坐墊的前后和高度調(diào)節(jié)。
1.2汽車座椅的功用
汽車座椅保證乘客的乘坐舒適和安全，是旅客運(yùn)輸有關(guān)的車內(nèi)系統(tǒng)必需的組件。其主要作用是：作為駕乘人員的主要承載件；為駕乘人員進(jìn)行位置區(qū)域劃分；為駕乘人員提供良好的駕乘感受；當(dāng)駕乘人員受到生命安全的威脅時，可與座椅形成一體，最大限度保障人員安全。
2CATIA軟件下的三維實體設(shè)計
2.1鎂合金的應(yīng)用
鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用材料中最輕的一種金屬材料，其密度僅為鋼鐵材料的2/9、鋁合金材料的2/3，而且具有比強(qiáng)度和比剛度高、良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、吸振性和易于加工成型等特點[3]。梅賽德斯－奔馳公司在SEL型敞篷車上率先使用了金座椅框架。隨后，福特汽車公司用鎂合金生產(chǎn)座椅骨架取代鋼制骨架，使座椅質(zhì)量從4.0kg減為1.0kg。韓國現(xiàn)代汽車使用鎂合金替代傳統(tǒng)鋼材制作汽車座椅骨架通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終，座椅骨架通過了安全法規(guī)試驗，并成功減質(zhì)量50%[4]。由此可見，鎂合金的應(yīng)用對減輕汽車座椅的質(zhì)量提供了很大幫助。
2.2鎂合金汽車座椅骨架靠背設(shè)計
汽車座椅骨架是整個汽車座椅系統(tǒng)中最核心的部件，占汽車座椅總重一半以上且承擔(dān)了絕大多數(shù)座椅功能[5]。而對座椅骨架的設(shè)計又分為骨架靠背設(shè)計和骨架坐盆設(shè)計。骨架靠背的設(shè)計可分為以下5個過程：（1）首先建立H點（能夠比較準(zhǔn)確地確定駕駛員或乘員在座椅位置的參考點是軀干與大腿相連的旋轉(zhuǎn)點“跨點”）。靠背整體是弧形狀，利用CATIA的創(chuàng)成式曲面設(shè)計將靠背需要的曲面創(chuàng)建出來。（2）對于靠背的下面部分，也就是靠背與坐盆連接處的那一部分的外形，進(jìn)入草圖，將該部分的外形尺寸在草圖上畫出來，再退出草圖將所畫好的草圖利用創(chuàng)成式曲面設(shè)計的曲面拉伸命令拉伸出曲面。（3）創(chuàng)建空間曲面，將座椅靠背的側(cè)面的輪廓外形勾勒出來，創(chuàng)立多個曲面，利用曲面相交而成進(jìn)行的倒圓角進(jìn)行平順化。去除多余的部分，保留靠背的頭枕與背板的輪廓，去除輪廓以外的曲面，建立草圖，將草圖拉伸出來。隱藏之前的所有輔助曲面，再將曲面的銳邊倒角化。（4）為使座椅質(zhì)量更輕，應(yīng)對靠背減重。在與背部直接接觸的位置挖孔，一方面，這個位置一半要安裝靠背彈簧，可增加座椅的舒適性，不會讓駕乘人員感到難受；另一方面，這一塊可大面積挖孔，進(jìn)行最大限度減重。為了增加靠背被挖去地方的強(qiáng)度，需要在此增加靠背發(fā)泡支撐。（5）為了增加原有部件的強(qiáng)度，需要在靠背頸部加強(qiáng)和靠背側(cè)部加強(qiáng)進(jìn)行對加強(qiáng)筋的設(shè)計，最后用CATIA的加厚曲面的命令對曲面進(jìn)行實體加厚。經(jīng)過CATIA繪制的靠背骨架如圖2所示。
2.3鎂合金汽車座椅骨架坐盆設(shè)計
在人機(jī)工程學(xué)里，坐墊前部要考慮大腿在長時間下受到的最小壓力，這樣才能保證人體大腿部的血液循環(huán)，以避免長時間乘坐給人體帶來的傷害[6]。因此，對骨架坐盆的設(shè)計可以分為如下幾個過程：（1）確定坐盆的尺寸,并將其拉伸成實體。為了后面的靠背與坐盆之間的連接處的“耳朵”安裝在坐盆上，需要對當(dāng)前實體進(jìn)行拔模，拔模角度為5°。（2）高度裁剪。根據(jù)座椅骨架的實際要求，將高度設(shè)立為合理要求，同時，還得兼顧外觀設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)入草圖模式，畫出要裁剪的輪廓。（3）減重處理。一方面是為了為產(chǎn)品節(jié)約成本，減輕鎂合金汽車座椅骨架的整體質(zhì)量，另一方面會為了舒適性考慮，即使會有坐墊發(fā)泡為駕乘人員提供舒適性的減震或者說緩沖的作用，但不可忽視的是坐盆是直接與駕乘人員接觸的，中間加裝彈簧是很有必要的，不能單靠發(fā)泡的作用來實現(xiàn)舒適性的提供；（4）靠背與坐盆之間的連接，同樣是壓鑄的方式進(jìn)行制造，這樣才能有更好的強(qiáng)度與剛度。首先將草圖繪制出來并用創(chuàng)成式外形設(shè)計，然后將草圖與上述一樣填充出曲面。這樣的連接才更加牢固結(jié)實，最后在零件設(shè)計模塊里厚曲面命令將兩塊曲面進(jìn)行實體加厚處理，并進(jìn)行相應(yīng)的開孔處理。（5）坐盆邊沿支架，主要起把駕乘人員固定在座椅的作用，防止轉(zhuǎn)彎處或者意外情況的出現(xiàn)，是對駕乘人員的一種保護(hù)，但出于功能和外觀設(shè)計的因素考慮，需要對其不規(guī)則設(shè)計，這樣才符合大眾的曲線設(shè)計感知。經(jīng)過CATIA繪制的骨架坐盆，如圖3所示。最后把設(shè)計好的骨架靠背和骨架坐盆及其他零部件進(jìn)行裝配后，得到最終的汽車座椅結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3鎂合金汽車座椅骨架有限元分析
3.1模型有限元前期的幾何清理
導(dǎo)入之前用CATIA軟件畫的三維實體，利用工具將自由邊的紅色的線最后修理成綠色的線。使用equivalence工具一次縫合多個自由邊，這樣軟件就自然將這些小面小縫隙進(jìn)行縫合，當(dāng)然這樣的處理方式只是前期的大范圍的處理，還有一些容差大于0.01的自由邊，需要用toggle和replace工具來清理剩下的自由邊。
3.2模型網(wǎng)格剖分與整理
進(jìn)行網(wǎng)格剖分的方式有很多種，但最常用的方式還是用HyperMesh自動生成網(wǎng)格，再利用整理工具對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。為了能使網(wǎng)格剖分得更好，網(wǎng)格的質(zhì)量能達(dá)到要求，需要將面板上的小孔、面倒圓、邊倒圓進(jìn)行去除縫補(bǔ)。這些前期的準(zhǔn)備是為了之后的網(wǎng)格剖分時的整理。當(dāng)然，調(diào)整網(wǎng)格樣式還有很多種方法，例如在邊線上增加硬點，增加硬點的方法是為了讓網(wǎng)格劃分得更細(xì)，這樣可以讓網(wǎng)格看起來很規(guī)整。用以上方法對模型的網(wǎng)格剖分就會得出鎂合金汽車座椅骨架的靠背、坐盆、調(diào)角器等的網(wǎng)格，如圖5和圖6所示。
3.3定義模型的材料屬性和幾何屬性
雖然本研究是鎂合金汽車座椅骨架的設(shè)計，但不是所有的座椅零部件都是采用的鎂合金材料，因為在前面的部分有展示出鎂合金的應(yīng)用現(xiàn)狀和鎂合金的市場應(yīng)用，作為一種新型材料，材料本身的成本價格就不簡單，所以在考慮實際的情況下，只需要對座椅的靠背、坐盆、靠背調(diào)角器進(jìn)行鎂合金材料賦予，其余的滑軌、高度調(diào)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)等其他金屬器件采用傳統(tǒng)汽車座椅骨架所用的鋼材。針對本次課題的研究，鎂合金選用鎂鋁合金AM50，鋼材選用傳統(tǒng)用材冷軋鋼St12，兩種材料的物理屬性見表1。將這兩種材料賦予所有的零部件，需要建立一個屬性。選擇properties工具按鈕，建立相應(yīng)的材料的厚度，比如坐盆部分的厚度是3mm，材料是AM50。這樣就建立了一個厚度為3mm的AM50材料的鎂鋁合金，其他的厚度也是按照一樣的操作方式進(jìn)行。接下來將已有的材料賦予零部件。
3.4邊界條件的確定與載荷加載后的靜力強(qiáng)度分析
對于邊界條件的確定，是對整體骨架進(jìn)行有限元分析約束，這個約束就是在外滑軌的下面進(jìn)行約束，如圖7所示。然后是坐盆和靠背的載荷加載，這個座椅靠背質(zhì)心離R點的距離為246mm，所以給靠背加載的載荷為1512N，坐盆所加載是一個成人的重量為700N，如圖8所示。利用求解器進(jìn)行求解。點擊Analusis的loadstep子面板，分別選擇之前建立的約束和載荷組件spc和load兩個組件，再點擊optistruct進(jìn)行求解，最終靜力強(qiáng)度的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖9、圖10所示。從應(yīng)力云圖可以看出，圖8所示加載載荷的情況下，大部分是應(yīng)力合格的，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，只有滑軌處有少許的應(yīng)力變化情況，但都屬于應(yīng)力合格的情況；從位移云圖看出，位移最大的是頭枕部，最大位移距離為48.78mm，這個值合格，屬于國標(biāo)規(guī)定范圍，強(qiáng)度校核合格。
4結(jié)論
此次設(shè)計所采用的材料比較特殊，但可從中看出鎂合金在未來的發(fā)展趨勢和它的經(jīng)濟(jì)價值。研究內(nèi)容包括汽車座椅骨架的三維實體設(shè)計和最后的強(qiáng)度分析，利用三維實體軟件CATIA和有限元數(shù)據(jù)分析軟件HyperMesh對本次課題進(jìn)行實體設(shè)計和強(qiáng)度分析。鎂合金汽車座椅骨架與傳統(tǒng)座椅的設(shè)計進(jìn)行比較，從兩者的結(jié)構(gòu)組成和零件數(shù)量進(jìn)行對比，鎂合金座椅的一個顯著特點就是能一次性壓鑄成型，這樣既能保證鎂合金的比強(qiáng)度和比剛度，又能減少整體上的座椅骨架的零部件數(shù)量，從而減少工序的數(shù)量，減少模具的開發(fā)，節(jié)約項目的成本。從以上多個角度肯定了鎂合金在我國的發(fā)展優(yōu)勢。
作者:孫振廣 官鈔 單位:上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院