摘要：为了满足汽车对座椅轻量化的要求，提出一种用镁合金靠背总成及坐盆总成替代原钢结构骨架的设计方案。该方案中镁合金靠背和坐盆均为一体式结构，可以减少焊接成本和装配时间。为了验证镁合金靠背和坐盆的结构强度，使用Ls-dyna软件对座椅骨架进行了FEA分析，结果表明靠背及坐盆应力未超出镁合金材料许用要求。在保证强度足够的情况下，新设计镁合金座椅靠背比原靠背总成质量减轻44.5%，新设计镁合金座椅坐盆比原坐盆总成质量减轻37.2%，减重效果明显，可以满足设计要求。
一、前言
随着新能源汽车的蓬勃发展及节能减排的要求，汽车生产商对轻量化座椅的需求日益增加。目前轻量化座椅常用的减重方法有优化骨架结构和使用轻质材料2种，其中优化骨架结构一般可以减轻座椅总重的10%～15%，对座椅轻量化提升有限[1]。因此，在骨架上使用轻质材料成为座椅轻量化的一个重要研究方向。
目前可用于轻质骨架的材料有镁合金、铝合金、热塑性塑料和碳纤维增强复合材料等。热塑性塑料成本低，但是机械性能较差，不可以回收再利用。碳纤维增强型复合材料的机械性能优异，但成本较高，现在仅用于部分车辆座椅上。镁合金和铝合金价格适中，但是镁合金延展性和强度较高，耐有机物等的腐蚀性更好，在弹性变形范围内能承受更大的冲击载荷[2]。汽车座椅是人体和汽车联系的纽带，其骨架强度直接关系到座椅的使用寿命和驾乘人员的生命安全。为此本文提出设计一种镁合金座椅，以满足国内经济型轿车市场的需求。
二、镁合金骨架结构设计
目前常用的镁合金替代设计方法是增加镁合金板件厚度，以使其拥有钢板件的强度和刚度。相关研究表明当镁合金板材厚度为钢板厚度的1.2倍时可以达到钢板件相同的强度，当镁合金板材厚度为钢板厚度的1.7倍时可以达到钢板件相同的刚度[3]。因此，可以通过调整镁合金座椅骨架厚度，使其拥有钢骨架相同的力学性能。镁合金的密度约为钢的2/9，故可以预见镁合金结构可以减小骨架质量。
汽车座椅具有足够的强度才能承受不同工况下的载荷，从而避免乘员受到严重伤害。骨架是座椅的基础结构，直接决定了座椅能达到的机械性能。如图1所示，原始钢结构座椅骨架主要由靠背总成、坐盆总成、高度调节器、滑轨总成、调角器等机构组成。原始座椅整体骨架质量为13.56 kg，其中高度调节器、滑轨总成、调角器为核心安全部件，减重能力有限。靠背总成和坐盆总成主要由钢板和型材拼焊而成，工艺工序复杂，对工人技术水平要求高。因此在尽量保留核心安全部件的基础上，用镁合金结构替代原靠背总成和坐盆总成，以实现座椅轻量化设计的目的。
图1 钢结构座椅
通过分析国内外大量座椅骨架设计并结合镁合金替代设计经验，提出镁合金靠背和坐盆一体成型结构。如图2所示，镁合金靠背基本保持了原靠背总成的外廓形状，并为调角器安装板和靠背蛇形弹簧预留了相应的安装孔槽。镁合金靠背在侧板及顶部设计了加强筋以保证拥有足够的强度。原靠背总成质量为2.56 kg，镁合金靠背质量为1.42 kg，新设计比原靠背总成质量减轻44.5%。镁合金坐盆也设计成一体式结构，可以大大减少焊接成本和装配时间。原坐盆总成质量为2.53 kg，镁合金坐盆质量为1.59 kg，新设计比原坐盆总成质量减轻37.2%。
三、镁合金座椅FEA分析
为了验证设计的镁合金靠背和坐盆强度，需要对座椅骨架进行计算机仿真分析。镁合金座椅骨架有限元模型使用Ls-dyna软件建立。镁合金座椅骨架有限元模型中靠背采用壳和实体混合单元，坐盆采用实体单元。在座椅骨架装配体中，焊缝采用刚性单元，螺栓采用刚性单元和梁单元[4]。已知镁合金材料的工程屈服强度为125 MPa，抗拉强度为248 MPa。
图2 镁合金靠背和坐盆
1、安全带固定点强度分析
按照GB 14167—2013《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》安全带固定点试验方法对座椅安全带固定点强度进行分析，利用模拟安全带对伤人体模型和下人体模型分别施加13 500 N的试验载荷，对座椅重心施加一个相当于座椅质量20倍的力，要求在规定的时间内持续按规定的力加载，允许固定点周围或周围区域产生塑性变形，包括部分断裂或裂纹。
图3所示为安全带固定点强度分析结果，从图上可以看出应力主要集中在靠背上靠近安全带固定点的位置。靠背最大应力为187 MPa，坐盆最大应力为140 MPa，均在镁合金材料的工程屈服强度和抗拉强度之间。仿真结果表明镁合金靠背和坐盆均出现了一定的塑性变形但并没有出现撕裂。
图3 安全带固定点强度应力分布
2、座椅坐盆向下强度分析
按照QC/T 740-2017《乘用车座椅总成》前排座椅坐垫向下强度试验方法对镁合金坐盆强度进行分析，利用直径200 mm的压头对坐垫加载7 056 N，要求坐盆不得出现裂纹。
图4所示为座椅坐盆向下强度分析结果，从图上可以看出靠背上应力很小，坐盆前端应力较大。坐盆最大应力为153.9 MPa，小于镁合金材料的抗拉强度。结果表明镁合金坐盆出现了一定的塑性变形但未出现裂纹。
图4 坐盆向下强度分析应力分布
3、靠背骨架总成强度分析
按照QC/T 740—2017《乘用车座椅总成》靠背骨架总成强度试验方法对镁合金骨架强度进行分析，在垂直于假人躯干线方向分别向前、向后加载，加载位置为靠背上横梁中心位置。试验要求如下。
1）后向加载时，靠背骨架在1 470 N的负载下不出现塑性变形，在1 764 N的负载下不出现破坏；
2）前向加载时，靠背骨架在1 058 N的负载下不出现塑性变形，在1 274 N的负载下不出现破坏。
图5所示为后向加载时靠背骨架总成强度分析结果，其中图5a为加载1 470 N时靠背骨架的应力分布图，图5b为加载1 764 N时靠背骨架的应力分布图。从图5a上可以看出在加载1 470 N时，靠背骨架上最大的应力出现在头枕杆附近，最大应力值为125.3 MPa恰好等于镁合金材料的工程屈服强度。结果说明靠背骨架有塑性变形的风险。从图5b上可以看出在加载1 764 N时，靠背骨架上最大的应力出现在头枕杆附近和坐盆侧板上方，其中靠背上部最大应力值为127 MPa，坐盆上最大应力值为129 MPa。镁合金部件最大应力略大于镁合金材料的工程屈服强度并且小于抗拉强度，说明靠背骨架有塑性变形的风险，但不会出现破坏现象。
图5 靠背后向加载应力分布
图6 所示为前向加载1 274 N时靠背骨架总成强度分析结果，从图上可以看出坐盆上应力很小，靠背上部应力较大。靠背骨架上最大应力为141.5 MPa，小于镁合金材料的抗拉强度；坐盆最大应力为121 MPa，小于镁合金材料的工程屈服强度。结果表明镁合金靠背出现了一定的塑性变形但未破坏。
图6 前向加载应力分布
4、头枕静强度分析
按照GB 11550—2009《汽车座椅头枕强度要求和试验方法》头枕静态性能试验方法对镁合金骨架强度进行分析，利用模拟人体背部模型向后对座椅靠背施加一个相对于H点373 N·m的力矩，然后在头枕顶部向下65 mm处对头枕施加一个相对于H点373 N·m的力矩，若座椅或靠背未损坏继续增加负载到890 N，卸载后查看座椅状态。试验要求头部模型的最大允许后移量应小于102 mm，将头部模型上初始负载继续增加至890 N时，头枕及其固定装置不能损坏。
图7所示为头枕静强度分析结果，其中图7a为在头枕施加一个相对于H点373 N·m力矩时座椅各部分的位移量图，图7b为在头枕上继续增加负荷至890 N时镁合金骨架应力分布图。从图7a上可以看出头部模型的最大位移为76.8 mm，小于标准要求的102 mm。从图7b上可以看出靠背骨架上部最大应力为183.1 MPa，靠背下部连接螺栓处最大应力为129.4 MPa，坐盆最大应力为118.9 MPa，小于镁合金材料的抗拉强度。结果表明镁合金坐盆出现了一定的塑性变形但未出现裂纹，镁合金材料有一定的安全余量。
图7 头枕静强度分析结果
FEA分析结果可以得出以下结论。
1）安全带固定点分析时，镁合金靠背和坐盆均出现了一定的塑性变形但并没有出现撕裂，可以满足标准要求；
2）前排座椅坐垫向下强度分析时，镁合金坐盆出现了一定的塑性变形但未出现裂纹，可以满足标准要求；
3）靠背骨架总成强度分析时，镁合金靠背和坐盆在前、后向加载时均未出现破坏，可以满足标准要求；
4）头枕静态性能分析时，头枕的最大位移为76.8 mm。头枕继续增加负荷至890 N时，镁合金靠背出现了一定的塑性变形但未出现裂纹，坐盆未出现塑性变形和裂纹，可以满足标准要求。
四、结论
基于座椅轻量化的迫切需求设计了一款镁合金座椅骨架，然后根据标准要求对座椅骨架强度进行了FEA分析，结果如下。
1）新设计镁合金靠背和坐盆为一体成型结构，其中镁合金靠背比原靠背总成质量减轻44.5%，镁合金坐盆比原坐盆总成质量减轻37.2%，减重效果明显。
2）FEA分析结果表明，镁合金靠背和坐盆可以满足标准强度方面的要求，并且还有一定的安全余量。
