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一種鎂合金座椅骨架的強(qiáng)度性能研究

2020-11-01 22:48:16·  來源：焉知汽車座椅與內(nèi)外飾  
　
作者 |陳甜斌（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）來源 |期刊-《汽車工藝與材料》、汽車輕量化在線摘要：為滿足未來汽車對(duì)座椅輕量化的要求，提出一種輕量化鎂
作者 | 陳甜斌（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）
來源 | 期刊-《汽車工藝與材料》、汽車輕量化在線

摘要：為滿足未來汽車對(duì)座椅輕量化的要求，提出一種輕量化鎂合金座椅骨架設(shè)計(jì)方案。該方案中鎂合金靠背和坐盆均為一體式結(jié)構(gòu)，可以在保證骨架強(qiáng)度性能的同時(shí)降低骨架重量。為了研究鎂合金座椅骨架的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)強(qiáng)度性能，分別使用Ls-Dyna 軟件以及軟鋼模樣件對(duì)鎂合金座椅骨架進(jìn)行了FEA 仿真分析和強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明鎂合金座椅骨架可以滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。在保證強(qiáng)度足夠的情況下，新設(shè)計(jì)鎂合金座椅靠背比原鋼結(jié)構(gòu)靠背總成重量減輕44.5%，新設(shè)計(jì)鎂合金座椅坐盆比原鋼結(jié)構(gòu)坐盆總成重量減輕37.2%。
 
關(guān)鍵詞：輕量化設(shè)計(jì) 鎂合金座椅 靜態(tài)強(qiáng)度 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度
 
1 前言
在2020 年CES 國際消費(fèi)電子展上，國際知名汽車公司紛紛發(fā)布了面向未來自動(dòng)駕駛時(shí)代的概念車型，例如奔馳的Vision AVTR、寶馬的i3 Urban Suite 等。而聚焦到未來座椅的設(shè)計(jì)上，各大汽車廠商都不約而同地選擇了更具科技感和未來感的輕量化座椅?？梢灶A(yù)見，輕量化設(shè)計(jì)必然會(huì)成為未來汽車座椅設(shè)計(jì)的最為明顯的趨勢之一。由于傳統(tǒng)汽車座椅骨架的重量在座椅總成重量中占據(jù)較大比例，一般在60%～70%，所以座椅輕量化的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于座椅骨架的輕量化。目前在座椅骨架輕量化領(lǐng)域，主流整椅廠商和汽車廠商主要在2 個(gè)方向進(jìn)行研究，一方面優(yōu)化座椅骨架的結(jié)構(gòu)，去除冗余設(shè)計(jì)；另一方面則是嘗試在座椅骨架上使用新型輕質(zhì)材料，例如高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鋁合金、碳纖維等。其中，通過優(yōu)化座椅骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，一般可以為整椅帶來10%～15%的減重空間，對(duì)座椅輕量化提升有限[1]。因此，為適應(yīng)未來汽車對(duì)座椅輕量化的需求，輕量化座椅骨架技術(shù)將成為未來的一個(gè)重要研究方向。
鎂合金是一種輕質(zhì)、可再循環(huán)、有良好鑄造性能的綠色材料。鎂合金作為目前工業(yè)生產(chǎn)中最輕的結(jié)構(gòu)材料之一，在汽車上已有比較成熟的研究和應(yīng)用[2]。鎂合金在比強(qiáng)度，延伸率方面表現(xiàn)較好，在彈性范圍內(nèi)受到?jīng)_擊載荷時(shí)吸收的能量較大，具有良好的消震性能，對(duì)有機(jī)物和堿具有良好的耐腐蝕性，成本也相對(duì)適中[3]。因此提出一種輕量化鎂合金座椅骨架并對(duì)其靜態(tài)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行分析驗(yàn)證，以滿足未來家用汽車市場對(duì)輕量化座椅的需求。

2 鎂合金座椅骨架設(shè)計(jì)
鎂合金在座椅骨架上應(yīng)用時(shí)，主要用于替代原鋼制結(jié)構(gòu)框架，包括靠背骨架和坐盆骨架。座椅滑軌、調(diào)角器、調(diào)高泵等機(jī)構(gòu)件，一般與傳統(tǒng)鋼制骨架無差別?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)表明，當(dāng)鎂合金與鋼的板材厚度比達(dá)到1.2∶1 時(shí)，兩者將具有相同的強(qiáng)度；當(dāng)鎂合金與鋼的板材厚度比達(dá)到1.7∶1時(shí)，兩者將具有相同的剛度[4]。鎂合金的密度約為鋼的2/9，因此可以通過調(diào)整鎂合金座椅骨架厚度，使其擁有鋼骨架相同的力學(xué)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)骨架重量的降低。
座椅骨架作為座椅的支撐結(jié)構(gòu)，直接決定了座椅的機(jī)械性能，具備良好強(qiáng)度性能的座椅骨架可以避免乘員在事故中受到嚴(yán)重傷害。本文提出的鎂合金座椅骨架與原鋼制結(jié)構(gòu)座椅骨架對(duì)比如圖1 所示。在鎂合金座椅骨架中保留了原鋼制結(jié)構(gòu)座椅骨架中減重能力有限的滑軌、調(diào)角器、調(diào)高泵等機(jī)構(gòu)件，從而保證座椅骨架的強(qiáng)度性能。用鎂合金結(jié)構(gòu)替代原靠背總成和坐盆總成，以實(shí)現(xiàn)座椅輕量化設(shè)計(jì)的目的。
 
圖1 鋼制與鎂合金座椅骨架示意
通過研究各大主流汽車廠家的座椅骨架設(shè)計(jì)并借鑒鎂合金的壓鑄成型經(jīng)驗(yàn)，提出一種基于鎂合金材料的一體壓鑄成型座椅靠背及坐盆結(jié)構(gòu)。如圖2 所示，鎂合金一體壓鑄成型的靠背骨架基本保持了原鋼制結(jié)構(gòu)靠背總成的外廓形狀，并為面套、腰托、安全氣囊等座椅附件保留了安裝位置。在鎂合金一體壓鑄成型靠背骨架的兩側(cè)邊板和上橫管區(qū)域，設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升骨架的強(qiáng)度。鎂合金一體壓鑄成型靠背骨架的應(yīng)用，使得座椅靠背骨架總成重量從鋼制結(jié)構(gòu)的2.56 kg 降低至1.42 kg，靠背減重達(dá)44.5%。鎂合金一體壓鑄成型工藝同樣被應(yīng)用于坐盆骨架，使得坐盆骨架總成重量從鋼制結(jié)構(gòu)的2.53 kg 降低至1.59 kg，坐盆減重達(dá)37.2%。鎂合金一體壓鑄成型工藝可以有效降低焊接成本和裝配時(shí)間。
 
圖2 鎂合金一體壓鑄成型座椅靠背和坐盆

3 鎂合金座椅骨架強(qiáng)度FEA分析
為了校核鎂合金座椅骨架的強(qiáng)度性能，需要先對(duì)鎂合金座椅骨架進(jìn)行FEA 仿真分析。利用Ls-Dyna工具建立鎂合金座椅骨架的有限元模型，其中鎂合金座椅靠背使用殼和實(shí)體混合單元建立模型，坐盆則使用實(shí)體單元建立模型。在鎂合金座椅骨架總成模型的建立中，使用剛性單元和梁單元建立螺栓模型，使用剛性單元建立焊縫模型[5]。鎂合金座椅骨架所用鎂合金材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為125 MPa和248 MPa。

3.1 鎂合金座椅骨架靜態(tài)強(qiáng)度FEA分析
按照SMTC 標(biāo)準(zhǔn)《前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)》前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)（前向）方法對(duì)鎂合金座椅骨架靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，在靠背上橫板中心位置，加載一個(gè)沿著垂直于假人軀干線方向向前的載荷，試驗(yàn)要求如下。
在座椅骨架總成上施加向前的1 500 N·m 的扭矩，試驗(yàn)結(jié)束后，骨架不應(yīng)有裂縫。
圖3 所示為向前加載1 500 N·m 扭矩時(shí)鎂合金座椅骨架總成極限載荷強(qiáng)度分析結(jié)果，其中圖3a為前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)示意，圖3b 為鎂合金座椅骨架應(yīng)力分布。從圖3b 上可以看出在加載到1 500 N·m 扭矩時(shí)，應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在靠背上橫板附近，最大應(yīng)力值為141.5 MPa，大于鎂合金材料的屈服強(qiáng)度但小于鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度；鎂合金坐盆骨架的最大應(yīng)力為121 MPa，小于鎂合金材料的屈服強(qiáng)度。該結(jié)果表明鎂合金座椅靠背骨架有塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)，但不會(huì)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，鎂合金坐盆未出現(xiàn)塑性變形和裂紋。
 
圖3 前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)應(yīng)力分布

3.2 鎂合金座椅骨架動(dòng)態(tài)強(qiáng)度FEA分析
按照SMTC 標(biāo)準(zhǔn)《前排座椅正碰性能試驗(yàn)方法》前排座椅正碰性能（50% Hybrid III 假人）試驗(yàn)方法對(duì)鎂合金骨架動(dòng)態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行分析，將一個(gè)完整包覆的座椅總成安裝在車身或者能夠代表車身的夾具上,并將該車身或夾具固定在試驗(yàn)用的滑臺(tái)上。在座椅總成上搭載一個(gè)50% Hybrid III 假人。設(shè)置座椅靠背角度到設(shè)計(jì)位置，設(shè)置頭枕、滑道和高度調(diào)節(jié)裝置到中間位置。加載正向56 km/h 的整車碰撞加速度曲線到試驗(yàn)滑臺(tái)。試驗(yàn)要求不得有任何的斷裂、撕裂和其它結(jié)構(gòu)失效。所有的鎖定和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)必須保持完整，除了允許乘員進(jìn)出的機(jī)構(gòu)，如靠背解鎖外，可以不具備調(diào)節(jié)功能。
 
圖4 所示為鎂合金座椅正碰性能試驗(yàn)分析結(jié)果，其中圖4a 為前排座椅正碰性能試驗(yàn)示意，圖4b為鎂合金座椅骨架應(yīng)力分布。從圖4b 上可以看出鎂合金座椅骨架上最大的應(yīng)力出現(xiàn)在坐盆區(qū)域，最大應(yīng)力值為220.9 MPa，大于鎂合金材料的屈服強(qiáng)度并且小于鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度；鎂合金靠背的最大應(yīng)力為127.9 MPa，略大于鎂合金材料的屈服強(qiáng)度并且小于鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明鎂合金座椅靠背骨架和坐盆骨架出現(xiàn)了一定的塑性變形但未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，鎂合金材料有一定的安全余量。
 
圖4 前排座椅正碰性能試驗(yàn)應(yīng)力分布

4 鎂合金座椅骨架強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證
鎂合金座椅骨架通過靜態(tài)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的FEA 仿真分析后，開發(fā)鎂合金靠背、鎂合金坐盆軟鋼模具，進(jìn)行小批量生產(chǎn)，并制成鎂合金座椅骨架總成。為了驗(yàn)證鎂合金座椅骨架的強(qiáng)度性能是否能夠滿足汽車行業(yè)的需要，參考相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鎂合金座椅骨架進(jìn)行了靜態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證。
4.1 鎂合金座椅骨架靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證
按照設(shè)計(jì)的鎂合金座椅骨架數(shù)據(jù)制作樣件進(jìn)行鎂合金座椅骨架靜態(tài)強(qiáng)度性能驗(yàn)證。按照SMTC 標(biāo)準(zhǔn)《前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)》前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)（前向）方法要求，在靠背頂部中間垂直于靠背向前施加1 500 N·m 的扭矩，如圖5 所示，試驗(yàn)結(jié)果如下。
a.鎂合金骨架極限載荷試驗(yàn)前后角度變化量為4.1°；
b.骨架在施加1 500 N·m 時(shí)變形量為72.1 mm；
c.試驗(yàn)結(jié)束后，骨架未出現(xiàn)任何裂紋或損壞的緊固件，靠背調(diào)角器可以正常進(jìn)行調(diào)節(jié)。
由此說明設(shè)計(jì)的鎂合金骨架靜態(tài)強(qiáng)度性能可以滿足SMTC標(biāo)準(zhǔn)《前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)要求。
 
圖5 前排座椅骨架極限載荷試驗(yàn)驗(yàn)證
4.2 鎂合金座椅骨架動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證
按照鎂合金座椅骨架數(shù)據(jù)制作樣件進(jìn)行鎂合金座椅骨架動(dòng)態(tài)強(qiáng)度性能驗(yàn)證。按照SMTC 標(biāo)準(zhǔn)《前排座椅正碰性能試驗(yàn)方法》前排座椅正碰性能（50% Hybrid III 假人）試驗(yàn)方法要求，在鎂合金座椅總成上搭載50% Hybrid III 假人，并加載正向56 km/h的整車碰撞加速度曲線到試驗(yàn)滑臺(tái)，如圖6 所示，試驗(yàn)結(jié)果如下。
 
圖6 前排座椅正碰性能試驗(yàn)驗(yàn)證
a.沒有任何的斷裂、撕裂和其它結(jié)構(gòu)失效；
b.所有的鎖定和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)保持完整；
c.試驗(yàn)結(jié)束后，靠背可以解鎖。
由此說明設(shè)計(jì)的鎂合金座椅骨架動(dòng)態(tài)強(qiáng)度性能可以滿足SMTC 標(biāo)準(zhǔn)《前排座椅正碰性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求。
 
5 結(jié)論
為適應(yīng)未來汽車對(duì)座椅輕量化的需求，設(shè)計(jì)了一款鎂合金座椅骨架，然后按照SMTC 標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)鎂合金座椅骨架靜態(tài)、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分別進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如下。
a.設(shè)計(jì)的鎂合金靠背、坐盆均采用一體壓鑄成型工藝，其中鎂合金靠背比原鋼制靠背總成重量減輕1.14 kg，減重達(dá)44.5%；鎂合金坐盆比原鋼制坐盆總成重量減輕0.94 kg，減重達(dá)37.2%，減重效果顯著。
b.仿真分析結(jié)果表明，鎂合金靠背和坐盆有一定的塑性變形但未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，并且還有一定的安全余量。
c.試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，鎂合金靠背和坐盆可以滿足標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度方面的要求，試驗(yàn)后骨架無破壞現(xiàn)象；對(duì)鎂合金座椅骨架強(qiáng)度性能進(jìn)行的FEA 分析，其結(jié)果具有較高的置信度。  
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