某车型座椅安装点拉脱故障分析

庞 庆，陆毅初，黎 海，谢贵山

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

0 前言

汽车安全座椅是汽车普遍采用的安全装备，是一种有效的成员保护装置。为使座椅在汽车上能充分发挥作用，除本身的结构和强度外，座椅在车身上的安装强度也至关重要。车身座椅结构强度要保证可靠不失效，同时座椅与车身的连接结构强度也必须得到保障。在碰撞事故极限情况下，如果座椅安装点区域发生失效，成员失去了固定支撑，可能会造成人员伤亡的情况。

应国家对汽车驾驶员、乘客安全要求，安全带作为车辆使用过程中，对乘客起关键保护作用的关键部件，要求安全带或约束系统的设计和制造应满足，当正确安装和由乘员正常使用时，其功能正常，并在交通事故中降低对身体的伤害程度。为保证设计要求，当新产品，新车型投入市场之前，必须要经过安全带相关拉力试验，检验设计是否符合国家相关安全要求。如产品不满足要求，则必须更改，否则不予批准上市。

1 某车型安全带拉力法规试验故障介绍

某车型在试验室做安全带拉力法规台架试验，由试验设备利用伸缩气缸，通过加载到人体模拟块上，对试验白车身座椅施加拉力，白车身通过螺栓固定于试验地板上。另利用激光划线仪仪器，对座椅安全位移进行划线测量。具体试验中对人体模块施加13 500 N±200 N的试验载荷，再施加一个相当于座椅总成质量20倍的力，并保持0.2 s。试验完成后，发现后排4/6分座椅中间座椅安装点被拉脱出，导致座椅前移量超出期限范围，造成试验失败。经详细查看座椅安装点拉脱出位置，车身结构钣金被焊接螺母拉脱穿出，造成钣金破坏形成一个撕裂口，并且裂口大小和螺母大小一致。座椅安装点螺母脱出车身钣金故障情况见下图1所示。

图1 试验车辆车身座椅安装结构螺母拉脱出故障

2 座椅安装点拉脱故障分析

2.1 座椅安装点拉脱故障的产生

座椅通过螺栓连接固定在下车体车身结构上，车身结构提供焊接螺母拧紧螺栓，在安全带拉力法规试验中，通过对人体模型加载拉力，拉力通过安全带传递到座椅骨架上，座椅骨架又通过螺栓连接传递到下车体车身结构上。车身结构安装螺母位置沿座椅脚方向受拉力作用，当拉力超过下车体车身结构最大应变极限时，车身结构将会被拉脱破坏。座椅拉脱出后失去固定点支撑，座椅将前移且移动量超出国家安全法规规定范围，最终造成试验失败。

2.2 座椅安装点拉脱故障原因分析

按照以上故障原理分析，展开座椅安装点位置车身钣金拉脱故障具体原因调查。发现安装螺母和钣金有效重叠接触面积过小，宽度方向上只有2.9 mm，单位面积上受力集中，易超出车身结构应变承载最大极限；另外车身座椅安装螺母结构单一，缺少螺母加强板，安装结构抗拉强度不足。以上两方面导致在安全带拉力试验过程中，受拉力作用，拉脱出位置车身最大应变超过了结构所承受的应变极限，导致产生螺母被拉脱穿出钣金的故障。故障车辆车身座椅安装结构见下图2所示。

图2 试验故障车辆车身座椅安装处结构

3 座椅安装点结构改进和实施方案

根据以上故障原因分析结果，实施以下两点改进：一方面增加安装点受力面积，使受力均匀，应力分散，消除拉力时单位面积应力过于集中的风险；另外提高车身座椅安装结构的抗拉强度，降低试验时被拉脱的风险。结合现有车身结构特点，车身座椅安装结构实施以下具体改进方案：一方面变更焊接螺母形式，采用带法兰盘结构焊接螺母，取代原来的普通焊接螺母，可以有效地增加受力面积；另一方面增加螺母板，选用高强度材料SAPH440进行酸洗，t=1.8 mm，通过增加拉脱位置的车身结构钣材厚度方式，提高车身座椅安装结构的抗拉强度[1-2]。以上两方面的车身改进结构如图3所示。

图3 车身座椅安装结构改进方案说明

4 有限元分析

有限元技术经过几十年的发展和完善，其理论不断成熟，并随着在工程技术领域中的成功应用，受到工程技术界的好评，因为有限元方法简单高效，成为工程分析领域中最为广泛的分析方法。有限元即可完成简单的结构分析任务，缩短了汽车产品的开发周期，同时降低生产成本，仿真分析也为实车试验提供指导，减少实车实验次数。

针对改进后的座椅安装点车身结构，运用UG三维软件建立座椅安装点车身改进结构的几何模型，然后把模型导入到ANSYS软件里面，建立座椅安装车身结构的有限元模型。利用Hypermesh软件对有限元模型进行网格化处理，整车模型建立完成以后，在整车前悬，后悬增加约束，输入安全带法规拉力试验模拟载荷，在有限元模型下，对改进后的座椅安装车身结构进行最大强度应变分析[3]。

根据模拟分析结果显示，座椅安装螺母位置最大强度应变由0.106降低到0.048，降低幅度达到55%，改善效果非常良好，对比分析结果如下图4所示。

图4 车身座椅安装结构原方案和改进方案最大应变对比结果

5 重新安排座椅安全带拉力法规试验

为验证改进方案以及理论分析方向的有效性，在改进方案确认以后，制作新样件重新安排造车，上台架进行第二排4/6分座椅安全带拉力法规试验，进行改进方案验证。试验过程中，台架设备及约束加载方式保持和拉脱故障试验中的一样，排出外界因素影响。试验中同样对人体模块施加13 500 N±200 N的试验载荷，再施加一个相当于座椅总成质量20倍的力，并保持0.2 s[4]。根据最新验证试验结果显示：座椅头枕位移量没有超出国家法规规定的期限范围，钣金最大应变在车身合理范围之内，座椅安装固定点没有失效，证明了改进方案取得良好效果，满足了国家安全带拉力法规要求，试验验证效果见图5所示。

图5 车身座椅安装结构改进方案试验验证效果

6 结论

在汽车座椅安装位置结构设计过程中，车身结构钣金处最大应力应变分析，是影响ISOFIX系统强度分析的重要组成部分，方案设计时要同时考虑钣金抗拉强度、最大应力应变、凸焊螺母接触面大小等关键因素影响，同时需分析关联座椅安装点，安全带布置方式的变化，最终确定合理的车身结构方案。

本文通过安全带拉力法规实验中螺母拉脱故障实际案例，分析出座椅安装螺母拉脱出来的主要原因是安装点位置接触面积过小，抗拉强度不足，最大应变超出车身钣材极限。辅助利用有限元软件分析工具，进一步确认了故障发生的要因。最后结合原因对4/6分座椅安装点结构提出改进方案，且利用有限元软件进行理论校核，最后进行实际车辆试验验证。形成一个完整闭环的问题解决过程，整个问题的解决思路和过程方法，可以为后续车型车身结构优化设计方面，提供宝贵历史经验。