汽车座椅骨架轻量化及被动安全研究

作者：赵灿 来源：《科学与财富》2015年第19期

摘 要：随着人们生活水平的提高，汽车在人们的生活中越来越普及，而人们对于汽车的耗油情况和安全性能也日益关注。通过研究表明，实现汽车轻量化，能够有效降低汽车的耗油。在汽车当中，汽车座椅作为基本的配件之一，它不但能够提供舒适的乘坐性，同时还能够在发生事故的时候给予一定的安全保护。因此，汽车座椅骨架的轻量化和安全性就显得十分重要。本文基于以上观点，对汽车座椅骨架的轻量化设计和被动安全性能进行了系统的研究。

关键词：汽车座椅骨架；轻量化；被动安全研究

前言：在汽车当中，汽车座椅是必不可少的重要部件之一，能够为驾驶员提供稳定的支撑和良好的视野，从而安全的驾驶和操作汽车。好的汽车座椅不但能够降低驾驶员和乘客的疲劳程度，同时一旦发生以外交通事故，汽车座椅还具有一定的安全保护作用。在当前社会中，随着汽车保有量的不断上升，汽车座椅的安全性能显得越来越重要，对乘坐汽车的安全性和舒适性影响有着很大的影响。在当前汽车座椅的发展中，已经融合了材料科学、控制工程、机械振动、人机工程学等多种学科。


一、汽车座椅骨架轻量化设计

（一）座椅骨架轻量化
在当前的生产设计当中，对汽车进行轻量化处理的主要方式有采用低密度材料、改进零件成形和连接工艺、优化零件形貌、减小车身尺寸、优化车身空间拓扑结构等方式。针对这些处理方法，在汽车座椅骨架轻量化设计的过程中，主要可以采取拓扑优化、形貌优化、形状优化、尺寸优化等方式。其中，拓扑优化是在可设计座椅的空间当中，结合制造约束条件、性能、设计目标等，对最佳的座椅骨架零件材料布局进行确定。形貌优化是在重量不增加的情况下，对压延筋的数量、唯一、形状进行确定，对结构钢独特性进行改变。形状优化主要是对零件的位置、形状等进行优化。尺寸优化则是改变座椅骨架零件的结合尺寸、材料参数等，寻找最优组合。

（二）座椅骨架轻量化的强度验证
在座椅骨架轻量化设计的过程中，修正和圆整了其优化尺寸，因此在其优化尺寸与轻量化尺寸之间，具有一定的差异。所以，需要进一步分析和计算汽车座椅，从而确保座椅骨架能够符合国家规定的标准强度。以轻量化的尺寸为基础，对座椅进行修改，然后利用约束和加载的方式，对座椅进行处理。在20倍重力的条件下，对座椅的应力和位移情况进行分析[1]。通过对分析结果的对比，发现轻量化之后座椅的最大位移点并没有改变位置，仍然处在座椅靠背上框的位置，测的最大位移值为2.38mm。在座椅左前撑脚和左侧护板连接的位置，产生了座椅骨架的最大应力，具体数值为254.3MPa。根据对比可知，轻量化后的座椅各方面强度均符合国家标准。

（三）座椅骨架轻量化的结果
通过对目标的合理制定，对优化工况、优化尺寸、优化标量等方面进行了严格的控制，轻量化之后的座椅骨架能够轻易的承受20倍重力的条件，同时具有更加均匀的应力分布。通过比较轻量化的座椅和原始座椅能够发现，在同样的20被重力条件下，轻量化座椅最大位移增加了0.14mm，涨幅6.25%。而最大应力减少了10.6MPa，降幅4.00%。由此可以看出，相比于传统的座椅，轻量化的座椅骨架明显具有更高的安全性能。虽然在轻量化处理之后，座椅的刚度降低、位移增加，但是座椅的重量比原来下降了19.4%，效果还是十分明显的[2]。

二、汽车座椅被动安全性能的研究

（一）座椅靠背对被动安全性的影响
根据相关研究发现，如果发生追尾的交通事故，汽车座椅的靠背将会起到很大的保护作用。因此，当前在对座椅靠背进行设计的过程中，对追尾保护给予了高度重视，产生了刚性靠背和柔性靠背两种设计理念。其中，刚性靠背在高强度的汽车碰撞当中，能够有效降低头部对于胸部的相对运动。不过在低强度的汽车碰撞当中，乘客身体会沿着靠背上滑，同时会受到靠背的会弹，这样可能会对乘客造成额外的伤害。而柔性吸能靠背则正好相反，在强度较低的碰撞中，能够对乘客起到较好的保护效果。但是在高强度的碰撞当中，也无法有效的保护乘客的安全。

（二）座椅骨架轻量化多动态强度的影响
通过相关的对比试验研究，能够发现，轻量化的座椅和原始的座椅强度都能够达到国家规定的标准，不会发生失效的现象。在不同情况下，零件的最大应力都没有超出材料的极限强度。在相同情况下，两种座椅的应力部位与分布基本相同。而在被动安全方面，虽然轻量化的座椅强度有所降低，但是并不会对其整体的安全性产生影响[3]。二者之间最大应力仅相差1.3%。不过，由于轻量化座椅的刚度下降，在碰撞吸能方面，具有更大的优势。由此可以看出，轻量化的座椅骨架在动态强度方面与原始座椅基本一致，但在撞击吸能方面，却具有十分明显的优势，因此在汽车碰撞过程中，能够带给乘客更好的保护，从而具有更大的被动安全性能。

结论：作为汽车当中必不可少的一项重要部件，汽车座椅不但具有舒适性的要求，同时也具有被动安全性的要求。为了能够有达到节能减排的目的，对汽车骨架进行轻量化处理。而与此同时，也能够保证轻量化之后的汽车座椅具有更为优良的被动安全性。因此，汽车座椅骨架轻量化对于汽车座椅的发展来说，具有十分巨大的推动作用。

参考文献
[1]王淑芬，胡文文，李玉光，赵天鹏. 汽车座椅骨架的拓扑优化研究[J]. 机电工程，2014，09：1149-1153.
[2]陈道炯，付大成，王海华，马超，蒋俊，赵来刚. 汽车座椅的轻量化设计[J]. 机械科学与技术，2011，06：942-946.
[3]王吉昌，黄虎，刘新田，赵礼辉，陶英龙. 汽车座椅的轻量化设计[J]. 上海工程技术大学学报，2012，01：15-18.