摘要

發(fā)泡是汽車座椅設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)極為重要的工藝過程，操作時(shí)需要將聚醚、異氰酸酯等原料混合起來，在一定的壓力和溫度條件下促成化學(xué)反應(yīng)，最終完成座椅的塑形和制造。近年來我國汽車消費(fèi)市場明顯擴(kuò)張，如何提高汽車座椅發(fā)泡性能，如何加強(qiáng)汽車座椅防塌陷設(shè)計(jì)，成為諸多汽車設(shè)計(jì)制造企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

汽車座椅發(fā)泡技術(shù)類型

面套復(fù)合發(fā)泡

面套復(fù)合發(fā)泡方式的出現(xiàn)主要是為了解決傳統(tǒng)工藝缺陷，傳統(tǒng)模式中座椅面套、發(fā)泡本體是分開設(shè)計(jì)制作的，發(fā)泡本體固化之后，通過打Hog Ring或者粘扣帶等方式，將兩者連接起來形成整體。這種包覆方案的工作量相對較大，且包覆操作公差難以控制，可能會(huì)出現(xiàn)表皮褶皺情況，影響外形美觀度。隨著汽車座椅發(fā)泡技術(shù)的發(fā)展完善，PIP方式進(jìn)入到座椅設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)，將模具固定到面套之中，一次性完成澆注和固化，可以有效避免褶皺問題  。但PIP方式同樣具有一定局限性，模具固定較為困難，可能會(huì)導(dǎo)致廢品率上升。所以現(xiàn)階段很多汽車制造企業(yè)開始將座椅的整個(gè)結(jié)構(gòu)層由上至下分解，對結(jié)構(gòu)層中的發(fā)泡材料進(jìn)行分析，發(fā)泡層位于真皮復(fù)合層之內(nèi)，可以較好地解決座椅表面褶皺問題，降低廢品率，同時(shí)提升座椅制造的舒適度和美觀度。

舒適性發(fā)泡

舒適性發(fā)泡是貼合于座椅發(fā)泡表面的制造工藝。Audi的cut foam便是該種工藝的代表性類型，其座椅使用多層發(fā)泡方式，貼近表面層滯后損失率低，不同的特性和舒適性不同的感知方向相關(guān)。操作時(shí)需要按照配比混合聚氨酯和發(fā)泡劑，搭配一定量的催化劑、穩(wěn)定劑，使混合物快速反應(yīng)膨脹，與模具內(nèi)壁相貼合。在該種工藝下得到的座椅填充層主要成分為聚氨酯發(fā)泡海綿，具有較為優(yōu)質(zhì)的氣孔結(jié)構(gòu)，密度小、質(zhì)地輕  ，且柔軟性和彈性均十分理想，可以達(dá)到吸震緩沖效果，符合人體工學(xué)原理，因此也被稱為“記憶海綿層”。此外，這種貼合于座椅發(fā)泡表面的材料耐久性、耐磨性表現(xiàn)也是較為出色的，即便在較長的使用周期內(nèi)，也能保證較好的使用體驗(yàn)，能夠在提高乘坐舒適性的同時(shí)延長使用壽命，延緩汽車座椅的變形老化速度。

發(fā)泡本體

根據(jù)發(fā)泡反應(yīng)條件不同，發(fā)泡本體又可以細(xì)分為熱發(fā)泡和冷發(fā)泡，其中熱發(fā)泡在歐洲汽車制造行業(yè)中較為多用，操作時(shí)需要將混合料倒入模具，并且在220~250 ℃環(huán)境下進(jìn)行固化處理，使混合物形成富有彈性的固化發(fā)泡結(jié)構(gòu)，脫模后套面層做好連接，制成可供使用的成品座椅。熱發(fā)泡制成的座椅耐熱性較好，在高溫環(huán)境下老化速度較慢，但能耗相對較大。冷發(fā)泡則是我國汽車制造過程中較為常見的方法，現(xiàn)有的生產(chǎn)線體系較為完善。應(yīng)用時(shí)需要先對模具進(jìn)行加溫，然后澆筑PU混合料進(jìn)行脫模即可。與熱發(fā)泡技術(shù)相比，該技術(shù)的能耗水平相對較低，經(jīng)濟(jì)效益更加可觀，但生產(chǎn)線中需要增加模溫機(jī)、破泡機(jī)等，設(shè)備系統(tǒng)較為復(fù)雜。

汽車座椅塌陷與發(fā)泡性能之間的關(guān)系

不同發(fā)泡下的永久變形率表現(xiàn)

為驗(yàn)證汽車座椅塌陷程度與發(fā)泡性能之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了專項(xiàng)研究試驗(yàn)。在永久變形率試驗(yàn)中，主要設(shè)置了四個(gè)組別，以模擬汽車座椅不同工作環(huán)境。A組別模擬濕熱環(huán)境，試驗(yàn)溫度50 ℃，濕度95%；B組別模擬干熱環(huán)境，試驗(yàn)溫度70 ℃，濕度50%；C組別模擬常溫環(huán)境，試驗(yàn)溫度23 ℃，濕度50%；D組別模擬低溫環(huán)境，試驗(yàn)溫度-30 ℃，濕度50%。樣件編號為 1#至 4#，其中 1#采用低硬度發(fā)泡方式，發(fā)泡材料密度控制在45 kg/m 3 ；2#采用高硬度發(fā)泡方式，密度同樣為45 kg/m 3 ；3#樣件采用低硬度發(fā)泡方式，密度控制在70 kg/m 3 ；4#樣件采用高硬度發(fā)泡方式，密度為 70 kg/m 3 。四組樣件的尺寸均為 100 cm×100 cm×50 cm，試驗(yàn)前統(tǒng)一測量樣件的高度。然后將樣件壓縮至75%，并放置在不同溫濕度環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，存放滿24 h之后取出，重測高度，并計(jì)算得出永久變形率，計(jì)算方法為（初始高度－變形后高度）/初始厚度×100%。具體的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從試驗(yàn)結(jié)果看，四個(gè)組別中D組座椅的平均永久變形率最低，說明低溫環(huán)境下座椅變形老化速度相對較慢，而B組干熱環(huán)境下發(fā)泡材料的平均永久變形率最高，可能是因?yàn)楦邷丨h(huán)境破壞了發(fā)泡材料原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，造成其中水分散失，降低了材料的回彈能力，使得永久變形率有所上升。從材料制作工藝角度看，A組濕熱環(huán)境下，1#低硬度、低密度發(fā)泡方式的永久變形率最高，4#高硬度、高密度發(fā)泡方式永久變形率最低。分析發(fā)現(xiàn)，可能是因?yàn)橄嗤叽缦拢?#材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加疏松，壓縮之后本身的回彈能力較弱，再加上濕熱環(huán)境影響，樣件的固化能力有所不足，部分材料甚至黏附在一起，導(dǎo)致了永久變形率的提升。在B組干熱環(huán)境下，1#和3#樣件的永久變形率相對較高，均超過了65%，而4#樣件的永久變形率最低，因?yàn)楦哂捕?、高密度發(fā)泡方式之下材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，受壓后內(nèi)部回彈膨脹應(yīng)力較高，高度損失也會(huì)相應(yīng)縮小，其次是2#高硬度發(fā)泡方式，雖然其密度較低，但發(fā)泡劑、催化劑等的加入會(huì)增加微觀分子之間的粘附力和連接能力，增強(qiáng)其抵御載荷、防止變形的能力水平。C組和D組之中1#至4#樣件的永久變形率基本維持在1%上下，整體的差異不大。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，高溫（50 ℃+）、高濕下（70+）環(huán)境下，長期受壓的發(fā)泡的永久變形率會(huì)增大，出現(xiàn)座椅塌陷的現(xiàn)象，而低溫和室溫環(huán)境下，座椅的永久變形相對較小。且高硬度、高密度對濕熱后的發(fā)泡變形有一定的優(yōu)化作用；其他參數(shù)與耐久后發(fā)泡塌陷相關(guān)性不強(qiáng)。在汽車座椅發(fā)泡工藝應(yīng)用時(shí)，可以適當(dāng)提高發(fā)泡硬度、密度來優(yōu)化耐久度。考慮到高硬度發(fā)泡可能會(huì)損傷舒適性，還可以優(yōu)化調(diào)整工藝方案，在乘坐區(qū)域采用低硬度發(fā)泡方式，支撐區(qū)域采用高硬度發(fā)泡方式，中間設(shè)置隔料槽、增加嵌入件等，在縮小永久變形率的同時(shí)，提高座椅耐久度。

不同發(fā)泡下的坐墊及靠背彈簧測試結(jié)果

除永久變形率測試外，本次研究還進(jìn)行了坐墊和靠背彈簧的性能測試，主要的測試儀器為座椅靜荷重試驗(yàn)機(jī)、激光標(biāo)線儀、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、角度儀，主要測試材料為Φ50 mm壓頭，以及尺寸為250 mm×350 mm×5mm的坐墊樣件，樣件采用4種不同發(fā)泡方式，具體參數(shù)同2.1。測試的主要目的是模擬人體乘坐位置和載荷作用場景，客觀評估不同發(fā)泡條件下坐墊、靠背的變形表現(xiàn)。為達(dá)成該目標(biāo)，試驗(yàn)開始前要準(zhǔn)確計(jì)算和標(biāo)記出載荷作用點(diǎn)、數(shù)據(jù)測量點(diǎn)，為后續(xù)測量操作提供支持。

先將座椅骨架固定在定位夾具之上，參照設(shè)計(jì)方案，將座椅調(diào)到適宜的基準(zhǔn)狀態(tài)。測試數(shù)據(jù)主要通過激光標(biāo)線儀采集，所以要將儀器十字光標(biāo)與座椅REC測試按中心對齊，方便儀器識別目標(biāo)、采集數(shù)據(jù)。接著根據(jù)人體乘坐習(xí)慣，找到軀干線、大腿線的交叉點(diǎn)，即H.P點(diǎn)，重新調(diào)節(jié)激光標(biāo)線儀狀態(tài)，通過搖動(dòng)把手的方式對準(zhǔn)H.P點(diǎn)。借助激光標(biāo)線儀投影出紅線  ，找到紅線與座椅中軸線之間的交點(diǎn)，標(biāo)記為b點(diǎn)，向上移動(dòng)35 mm標(biāo)記出a點(diǎn)。將座椅固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之上，并以b點(diǎn)為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)座椅角度，直至b點(diǎn)處于水平狀態(tài)。

調(diào)節(jié)準(zhǔn)備結(jié)束后，即可進(jìn)行模擬測驗(yàn)。調(diào)整靜荷重試驗(yàn)機(jī)壓頭，確保其中心點(diǎn)與標(biāo)記好的施壓點(diǎn)a對齊，然后放置待測試樣品，調(diào)節(jié)靜荷參數(shù)值350 N，加載速度控制在200 mm/min進(jìn)行試驗(yàn)。為確保測驗(yàn)儀器運(yùn)行狀態(tài)良好，操作時(shí)可以采用5 N初始載荷參數(shù)進(jìn)行預(yù)壓，其間數(shù)據(jù)無須記錄，卸載后正式測驗(yàn)，記錄相關(guān)的測試結(jié)果。完成后更改負(fù)荷至200 N，記錄a點(diǎn)和b點(diǎn)的撓量?？勘硿y試時(shí)，座椅固定調(diào)節(jié)方法相同，但需要以H.P點(diǎn)為中心，沿Torsoline方向垂直粘貼美紋紙，并間隔50 mm標(biāo)記出多個(gè)測量點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)的采集。

結(jié)果顯示：4#坐墊的塌陷情況最為輕微，2#坐墊次之，1#和 3#坐墊塌陷最為嚴(yán)重，塌陷深度在 2~3mm，且測試點(diǎn)中心塌陷量最大，向外逐漸減少。靠背彈簧測驗(yàn)中，1#靠背的發(fā)泡結(jié)構(gòu)受到損傷，局部彈簧露出，可能是因?yàn)榈兔芏取⒌陀捕劝l(fā)泡方式下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐能力不足，在壓縮的同時(shí)結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而帶來露出情況。3#樣件的硬度較小，變形量相對較大，但由于密度足夠，并未出現(xiàn)彈簧露出的狀況。4#靠背塌陷最少，但硬度過大可能會(huì)降低舒適度，2#靠背硬度大，但密度相對較小，僅出現(xiàn)了輕微的塌陷。

汽車座椅塌陷預(yù)防方法及發(fā)泡性能優(yōu)化方法

座椅塌陷預(yù)防方法

從前述分析中可以發(fā)現(xiàn)，高硬度發(fā)泡方式的應(yīng)用能夠在一定程度上改善汽車座椅材料性能，降低其永久變形率，同時(shí)延長座椅、靠背等的使用壽命。但發(fā)泡材料硬度過大又會(huì)導(dǎo)致乘坐舒適性下降，因此在改良發(fā)泡技術(shù)的同時(shí)，還要探索切實(shí)可行的座椅塌陷預(yù)防方式。可以從以下兩方面入手展開研究。

（1）座椅彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)。坐墊塌陷的主要原因是疲勞顛簸，在車輛行駛顛簸過程中，產(chǎn)生的沖擊力可以達(dá)到人體自重的3倍以上 ，彈簧設(shè)計(jì)時(shí)可以將其作為參考值，優(yōu)化選擇彈簧材料，調(diào)整彈簧鋼絲的直徑，確保彈簧能夠承受 2 250 N 以上的載荷 （假設(shè)乘坐人體重 75kg）。

（2）座椅鋼絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。鋼絲結(jié)構(gòu)與骨架連接不合理同樣是導(dǎo)致座椅塌陷的重要原因，連接部分滑移之后，座椅局部失去支撐，很容易帶來塌陷狀況。

因此設(shè)計(jì)制造時(shí)，要合理選擇連接材料材質(zhì)、長度等，提高鋼絲結(jié)構(gòu)固定性能，降低座椅塌陷風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)泡配方/性能優(yōu)化

發(fā)泡配方同樣會(huì)影響到汽車座椅使用性能和耐久性能，因此防塌陷設(shè)計(jì)還需要積極地優(yōu)化配方和原料，促進(jìn)發(fā)泡性能的提升。常見的發(fā)泡原料主要為聚氨酯，其中的多元醇柔韌性較強(qiáng)，可以改善發(fā)泡材料的回彈率，具體種類包含聚醚多元醇、聚酯多元醇等。異氰酸酯則是參與發(fā)泡反應(yīng)的關(guān)鍵成分，可選項(xiàng)包含TDI和MDI，要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行種類搭配和比例調(diào)整。同時(shí)，不同聚氨酯原料中，使用的擴(kuò)鏈劑同樣存在差異，該種物質(zhì)能夠有效延長分子鏈長度，改善泡沫的均勻性和穩(wěn)固性，可選種類有乙二醇、丙二醇等。

發(fā)泡劑、催化劑也會(huì)直接參與到汽車座椅的發(fā)泡制作中來，可以促進(jìn)原料膨脹，縮短發(fā)泡時(shí)間。汽車座椅實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程中，要科學(xué)把握不同成分的性質(zhì)、特點(diǎn)，通過平行試驗(yàn)和對比試驗(yàn)的設(shè)計(jì)確定最佳配比，保證汽車座椅乘坐舒適性、安全性的提升，保證座椅使用壽命的延長。

結(jié)論

發(fā)泡工藝直接影響汽車乘坐者的使用體驗(yàn)，實(shí)踐中務(wù)必要給予充分重視。汽車企業(yè)要深入研究和把握不同發(fā)泡技術(shù)的特征和優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合汽車品牌定位和受眾需求、經(jīng)濟(jì)成本，選擇適宜的發(fā)泡工藝種類。試驗(yàn)表明，汽車座椅塌陷與發(fā)泡性能之間具有相關(guān)性，因此應(yīng)了解不同發(fā)泡條件下，座椅的永久變形率表現(xiàn)、坐墊及靠背彈簧性能表現(xiàn)等，在充分掌握量化數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行座椅彈簧、座椅鋼絲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，科學(xué)調(diào)整發(fā)泡配方及比例，為汽車座椅質(zhì)量的提升奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。