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      汽車座椅輕量化技術研究:背景、結構、材料、未來發展等

      2021-9-24 16:00 14348 0 來自: CMF設計軍團號 ID:cmfjuntuan」
      簡介
      【汽車碳中和】汽車座椅輕量化研究背景同行們一直都在努力朝著汽車輕量化方向發展,尤其近年電動車的發展更是推動了汽車輕量化技術的發展。整車重量如果能夠降低,很顯然整個油耗目標是能夠達到的,到2025年左右全國 ...

      【汽車碳中和】汽車座椅輕量化研究背景

      同行們一直都在努力朝著汽車輕量化方向發展,尤其近年電動車的發展更是推動了汽車輕量化技術的發展。

      整車重量如果能夠降低,很顯然整個油耗目標是能夠達到的,到2025年左右全國的油耗目標將會達到4升左右,這個要求是也是碳達峰、碳中和的要求。

      電動車的發展在極速推進輕量化進程,其中最大一個問題就是電動車應用的兩大焦慮,一個是充電焦慮,一個是續航里程焦慮。一些汽車工業協會統計,如果純電動車能夠減少100公斤,續航里程就能提升10%-11%。這也是為什么要做輕量化的重要原因。

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      再看一下相關統計,不同車系包括日系、美系、德系、國產車,主司機座椅的重量基本上都是25公斤左右,做來做去都是這樣的水平,沒有做得更好的一個嗎?所以大家也在不斷尋求減重方案。

      我們做了一下統計,目前在整個汽車大的零部件中,座椅的重量基本上前后排加起來能夠占到7%,隨著未來汽車座椅功能的復雜化,恐怕這個占比還會增加。

      我們統計了一下近幾年汽車座椅方面輕量化技術專利的情況,可以看出,從2011年開始,每年有大量專利申請,到2019年這個水平已經很高了。這說明在輕量化技術方面能看到大家持之以恒的努力,也形成了一個熱點。

      看一下整個汽車發展歷程,從最早1886年早期奔馳的第一輛車出現,一直發展到現在的邁巴赫,不同年代有一些代表性的車型。整個座椅從最初非常簡單到現在功能不斷增加,邁巴赫的功能已經拓展了很多。

      由于舒適性、用戶體驗對功能性的需求不斷增加,整個座椅的重量要求又是不斷減少,這就是一個很大的矛盾。大家比較期望的是,如果是一個大型SUV車或者MPV車,整個座椅的不斷變化可以滿足不同的需求。尤其未來智能化、網聯化、電動化方面還會不斷增加座椅的重量。如果汽車可以飛行,整個汽車包括座椅的輕量化就更為必要了。

      汽車座椅輕量化技術——結構輕量化

      從輕量化策略來看,包含了五個大的方面:條件輕量化、方案輕量化、材料輕量化、形狀輕量化、制造輕量化。

      從重量成本函數曲線可以看到,做輕量化技術過程中并不是說一味地做的越輕越省材料,整個座椅的成本就一定會降低。低到一定程度還會繼續反彈,意味著可能輕量化技術、工藝越做可能最終給座椅帶來的反而還是成本的增加。

      從前排座椅和后排座椅典型爆炸圖能夠看到,目前整個座椅主要就是這幾大部件:座椅骨架、座椅泡沫、護面、塑料件以及一些電氣零件組成了座椅。

      我們做了一下統計,實際上骨架占的重量最高,基本上前排能夠達到65%,剩下的是塑料件、泡沫、護面、頭枕,核心件占比還是非常大,包含電機、調角器、滑軌等一系列核心件。

      從座椅輕量化技術來看,座椅比較適用三大類,第一是結構優化;第二是材料輕量化;第三是先進工藝。對于具體產品,座椅骨架、核心件、面套、泡沫、材料件等更適合于材料的輕量化,骨架本身比較適用一些先進工藝輕量化。

      前排座椅骨架輕量化,如果想做得更輕量化,主要是把一些沖壓件改成管件甚至是鋼絲件焊接。因為整個座椅受力以后,呈現的力矩會是一個三角形,意味著調角器的部位受力最大,改為管件結構是一種思路。

      后排座椅骨架輕量化,早期因為安全固定點等設計要求較高,都會要求在座椅后部有一個比較大的鋼板,在進行結構優化的時候,取消大鋼能降成本,還能用鋼絲替代,減輕重量。

      泡沫方面,在聚氨酯泡沫尤其是后排座椅坐墊,因為H點設計,泡沫做得都非常厚,如何進行減重呢?一般可以采用底下多孔的設計減輕重量。還有就是雷克薩斯早期開發了一款座椅,利用鏤空設計使得整個座椅更輕。

      還有一種結構輕量化比較常用的是拓撲優化,首先假想沒有座椅,對后排座椅進行最苛刻的實驗,行李箱沖擊實驗,看什么情況下能夠滿足這樣的實驗。在優化結果條件下,可以最大限度減少材料的使用,最終實現座椅輕量化方案。

      工藝方面也能夠使骨架輕量化,原來的設計一般通過鉚接技術,尤其是滑軌上支架和滑軌之間的連接,現在常用是八個鉚釘的方式,為了滿足鉚接空間和強度,整個滑軌上支架也會做得非常大。從2016年開始,激光焊接技術逐漸在座椅上普及,現在從鉚接結構變成了激光焊接方式。

      整個滑軌上支架變得非常小,用激光焊接很容易焊得非常牢,減重比例超過了50%,實際上座椅如果能夠減掉700-800克,兩支座椅能減1點多公斤,對整車也是一個很大的貢獻。

      汽車座椅輕量化技術——材料輕量化

      目前座椅應用的材料主要包含幾類:高強鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑料、碳纖維和發泡材料。

      高強鋼基本上有三個區間:普通鋼、高強鋼、超高強鋼。高強鋼大多是指超高強鋼,尤其在座椅靠背和坐墊骨架,很多材料已經應用非常廣泛了,基本上能夠把原來的2毫米、1.8毫米降到現在的1.2毫米,甚至有些座椅廠能夠把座椅靠背及坐墊壁板厚度降到1.0毫米。比起傳統的低強度鋼板,其前排、后排減重比例基本上達到10%-15%。超高強鋼應用的主要思路是原來用410鋼材,現在用SC500/780DP材料,目前靠背側板最薄可以做到0.8毫米。

      在高強鋼應用過程中也發現了一些問題,其中最大的問題是高強鋼強度和延伸率的關系,隨著強度增加,其延伸率逐漸降低。帶來的最大問題是冷成形能力變得很差,尤其是深沖后鋼板會開裂,曾經遇到780或980鋼板做滑軌,鋼板上只要有一條劃痕,在零件沖壓結束后,搬運過程中稍微受到一些碰撞,就沿著劃痕直接開裂。

      這個問題非常常見,而且之前的鋼板也是國際知名企業,近幾年隨著寶鋼扎鋼水平的提高,目前像QP鋼、CP鋼逐漸替代DP鋼,所以說現在超高強鋼的應用范圍比以前越來越廣了。

      還有一個問題是超高強鋼應用過程中的回彈,尤其在做核心件時,對于精度要求比較高,這時如果產生比較大的回彈,尺寸可能沒辦法保證,比如滑軌進行推松工序時,操作力就會很大,使得核心件不合格。

      另外,超高強鋼在應用過程中會出現典型褶皺,做拍扁或焊接時,需要用一些輔助變形,最大的問題就是變形過程中產生一些褶皺,還有一個問題是焊接。因為超高強鋼本身含碳量比較高,焊接后會產生焊接開裂,主要是后排座椅靠背骨架的方形矩形鋼管,需要我們關注。

      第二個材料是鎂合金,早期大眾生產的108公斤的車,整個白車身一個人就可以舉起來,鎂合金應該是在工程領域中密度最低的,本身也有一些問題,因為其整個原子結構注定其在應用過程中有很多缺陷。

      目前鎂合金有四大類汽車應用:AZ、AM、AS、AE,但是對于座椅AM系列用的比較多,基本上AM50、AM60兩個牌號應用最多。我們發現AZ系列的延伸率太低,只有3%-4%左右,所以應用過程中出現了很多問題。

      鎂合金整體應用思路基本上是四個件通過壓鑄方式變成一個件。統計表明,前排骨架減重水平在20%,但這包含了核心件,如果不算核心件其減重比例沒有那么高,后排減重比例會相對大一些。

      鎂合金應用的問題主要是五個方面:成本、壓鑄設備能力、材料高溫性能、腐蝕性能、環境保護。

      下一個是鋁合金,主要分成兩大類,一類是變形鋁合金,一類是鑄造鋁合金。在汽車座椅、零部件方面都有一些成熟應用,七系、六系鋁合金本身的材料性能比較好,但是僅限于擠壓變形鋁合金范圍,往往鑄造鋁合金做出來的零部件性能不會這么好,也會限制其應用。

      目前有些鋁合金用在汽車座椅,主要是奔馳,為什么鋁合金的應用很少見到?它本身減重比例沒有那么高,成本又一點不低,這兩個因素導致了鋁合金在汽車座椅骨架上應用非常少。

      鋁合金還有一些關鍵問題也會影響使用,第一鋁合金容易產生變形,高鐵基本上90%都是用鋁型材拼焊的,最大的問題是焊接過程中的收縮變形,不管用什么焊,焊完后熱量堆積會使得整個材料變形量非常大,可能從某個局部開裂。

      第二是擠壓變形開裂,鋁合金也可以沖壓,但沖壓過程中會出現開裂的問題。鑄造過程中砂眼、孔隙的問題沒有辦法避免,也會帶來比較高的廢品率。再一個是疲勞壽命比較低。

      工程塑料包括尼龍,相對鑄鐵肯定高很多,相對合金、硬鋁差不多,這就奠定了工程塑料很大的應用潛力,例如特斯拉的第二排座椅大量應用了復合材料做座椅靠背。還有一些是天然纖維應用案例,還有利用工程塑料做出的超薄座椅,寶馬A3在座椅靠背上大量應用了工程塑料復合材料。

      還有一個材料是EPP,屬于發泡類材料應用,這個材料應用非常廣泛,尤其在后備箱、行李箱等,在座椅上的應用也比較多。從最初的高溶體PP粒子變成體積比較膨脹的EPP顆粒,它有比較好的抗震能力、結構強度和性能。

      還有一個是碳纖維材料,主要是勞倫纖維碳化后形成高強度纖維物質,后續通過黏結劑黏結起來變成片材,再通過注塑技術把它變成一種復合應用材料。目前碳纖維應用在汽車上比較多,賽車座椅還有一些內飾裝飾面板裝飾件、車輪、車身覆蓋件都應用到了碳纖維材料。

      原來的骨架、頭枕、背板需要設計在座椅上,用碳纖維技術可考慮把這幾個功能件整合在一起進行設計,最大的好處是碳纖維外表面處理好就非常美觀,它既可以做外露件設計,也可以作為一種結構件來承載載荷。

      汽車座椅輕量化技術未來發展

      目前從材料角度看,高強鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑料、EPP和碳纖維,在座椅上都具有很大的應用潛力,像高強鋼在骨架或核心件可以應用,鎂合金主要是骨架,鋁合金是一些滑軌核心件應用。在應用過程中,很難說某一種材料自己就能夠承擔整個減重的使命。整個混合設計還是非常有必要的,還是要結合拓撲優化技術進行整個座椅以及座椅骨架的形狀、結構的優化,這樣才能進一步讓整個座椅減重。

      目前,從材料本身看,比較現實的還是用高強鋼,因為980兆帕以上超高強鋼不是問題,包括成熟熱成形技術也能使得這個材料更廣泛地應用,現有的生產線不用做更大的改動,就可以實現整個座椅以及座椅骨架的生產。

      隨著電動車技術的推進,對于輕量化的要求會更高,目前我們測算,用超高強鋼基本上不太能夠滿足未來座椅的整個減重要求,鎂合金是工程領域中座椅設計最可行的材料。所以我們認為,鎂合金的應用未來還是會比較廣泛。未來,如果碳纖維原材料的價格以及加工、制造工藝優化也能成為繼續減重的方向,再配合一些天然纖維、多孔材料能夠使得整個座椅比現在的重量減掉很多。


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