座椅骨架强度与零部件设计优化研究

徐敬超 梁磊

摘 要：汽车行业的快速发展，对汽车内部的材料、设置等也提出了较高的要求。本文针对汽车座椅，研究座椅骨架的强度和座椅零部件的设计问题，本文将以单边角调靠背骨架作为研究对象，从“座椅的概述”着手，引出了有限元分析工况与试验方法差异对比问题，并主要在差异对比和结果对比两个方面进行了详细论述，在文章中，还分析了座椅骨架结构和零部件的设计优化问题，并最终得出相关结论，以期为座椅骨架强度与零部件设计优化提供理论依据。

关键词：汽车座椅；骨架强度；零部件；设计优化

中图分类号： U463 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）15-189-2

0 引言

汽车基本装置中包括座椅，作为基本装置的一部分，座椅也是汽车安全部件的重要部分，座椅的设置主要是为了提供支撑、确定位置，让乘员在驾乘的过程中能够感受到舒适感，并起到保护的作用，在突发状况使保证乘员不受到身体伤害。而汽车行业的激烈竞争对座椅的安全性也提出了更高的要求，而怎样才能在保证原来的安全等级的前提下，优化座椅产品结构、控制座椅成本就成了当前绝大多数主机厂着重注意和研究的问题。

1 关于座椅的概述

既然强调座椅的安全性，那么首先要了解决定座椅安全性的主要因素，座椅的骨架强度是其安全性的影响因素，并且是主要影响因素。一般的汽车座椅骨架由三部分组成，分别是：靠背骨架、坐垫骨架、核心件，而且座椅的安装支脚要经螺栓起到固定作用，使之可以被固定在车身的横梁部位上。其中，汽车座椅的核心件也是由一些子部分构成，主要是滑轨总成、高调器总成、角调器总成等，对于核心件的质量要求严格，所以一般由专业的厂家来设计、制造核心件，除了严格要求产品的质量外，对所有部件质量的一致性、通用性等要求也比较高。[1]

一般汽车座椅靠背骨架总成由四部分组成，不仅包括钢管框架、靠背弹簧、侧面支撑钢丝，还包括左右角调器总成，这一部分又是由两个部分组成的，角调上下连接板、角调器核心件组成了左右角调器总成，如图1。当前，一般的中高端车型都用“冲压件框架”来替代传统的汽车座椅钢管框架的靠背结构。但一般低配置的车型用的是单边角调座椅骨架，本文将以单边角调靠背骨架为研究对象，来分析骨架强度和零部件的优化设计问题，从而分析出汽车座椅骨架和相关零部件的受力情况，通过有限元分析和试验结果的对比，优化零部件设计，从而满足骨架设计和使用要求。

2 有限元分析工况与试验方法差异对比

有限元分析主要是利用数学等方法模拟真实的物理系统，如几何、载荷工况等，并利用简单的、相互作用的元素（单元），用有限数量的未知量逼近无限未知量的真实系统。就汽车座椅使用的钢材情况来分析，当刚才承受着正、负两种交变应力相等时，那么材料所承受的最大应力值（材料疲劳度）就会随着钢材材料交变次数的增大而逐渐变小（见图2）。[2]根据图2的坐标可以看出，当材料所承受的交变次数达到了107次以后，其疲劳度就发展成为一个固定的数值，那么也就达到钢材材料的持久极限值。一般来讲，材料的持久极限相对于静强度是比较小的，一般只占静强度的50%左右，如果交变应力始终小于持久极限值，那么钢材材料就具有了无限的使用寿命。

通过有限元分析来模拟材料静强度的试验，可以考察座椅骨架的应力变化情况与试验的结果是否能够保持一致。那么作为依据，可以为优化座椅和零部件结构提供依据，并分别对比、分析结构优化前后的结果，得出结构优化合理性和有效性的结论。

2.1 差异对比

具体的试验方法如下：

将汽车座椅牢牢固定于试验台架之上，注意要严格按照事先设计好的位置，并在汽车座椅靠背的顶端中间部分，沿着垂直于人体模特躯干的方向施加指定力矩，那么就也相当于是在“H”点的部分，并加、卸载循环指定次数。在试验完成之后发现，汽车座椅的骨架并没有松动或断裂的情况出现。[3]

在加载方式方面进行分析：对座椅施加的相对静载荷试验力矩，要求是两倍载荷于座椅靠背的顶端中间部分，保持施加方向要垂直于座椅的靠背。

在约束条件进行分析：约束汽车座椅的4个支脚安装孔，并要对所有的节点（从1至6，6个方向的自由度）进行约束。该试验是对座椅的耐久性进行的试验，在进行座椅的静强度分析时，注意要保证载荷是耐久性试验的二倍。这样才能得出座椅静强度分析的应力分布图例，并进而完成与试验结果的趋势性对比。

2.2 结果对比

经过多方面的试验和分析，得出了相对完善的结果。在几次试验的过程中，将板焊接边缘处的撕裂部分连接上，有限元分析的结果在焊接边缘的位置会产生座椅应力的集中，考虑到因为焊接而引起的钢材材料的脆化问题和焊接缺口问题，破坏了钢材材料。有限元分析的结果中，可见应力的分布和试验的结果是相对吻合的（见图3）。

3 座椅骨架结构与零部件的设计优化分析

如果汽车座椅的骨架结构不变，其他的零部件材料和结构也保持不变，在这样的情况下更改座椅连接板结构，那么此时选择使用材料强度比较低的钢材，同样有可能提高座椅的骨架整体性。但如果钢材材料的强度过低，就会造成材料失效的危险，在座椅结构强度比较薄弱的部分，如果增加一定数量的加强筋，则会使座椅整体结构的强度得到明显提升。此外，科学合理的座椅结构设计、钢材材料选择，不但可以提高座椅骨架的整体强度，还可以有效降低钢材原材料的成本。

4 结束语

通过分析、研究，试验和对比得出了以下结论：第一，汽车座椅受力比较大的部位结构应该尽量使用简单的设计，进而使材料的折弯和结构的突变情况得到减少；第二，在座椅的结构强度比较薄弱的位置应该增加一定的翻边和加强筋，进而使座椅局部的结构强度得到提高；第三，骨架强度和零部件优化设计时，应该注意焊接质量的问题，因为焊接质量会对座椅骨架的性能产生较大影响，如果质量问题得不到规避，就需要在焊接时多加注意，以免在焊接时引起材料脆化问题，并避免因焊接缺口而加剧钢材材料的破坏；第四，对于汽车座椅的质量和舒适性而言，需要注意座椅结构设计可靠性和座椅材料的选用问题，不仅要能够提高座椅骨架的整体强度，还要实现对座椅原材料成本的控制。

参 考 文 献

[1] 王吉昌.汽车座椅骨架轻量化及被动安全研究[D].上海工程技术大学，2011.

[2] 杨丽，王莹，王跃贞，杨黎.座椅骨架强度分析及零部件设计优化[J].汽车实用技术，2015，09：63-64+96.

[3] 蔡俊.国产座椅架骨盆结构设计的优化[D].武汉理工大学，2011.