某商用车座椅固定结构优化设计

摘要：文章以某商用车座椅固定结构为研究对象，以满足座椅安全带固定点强度为目标，运用集成式设计方法进行结构轻量化。有限元模型分析结果表明，轻量化后的地板结构满足强度要求，并使白车身重量降低4.4kg，减重11.1%，轻量化效果显著。

燃油经济性是重卡用户最关心的问题，用户为了追求效益最大化，就要依靠提高运输效率实现盈利，做到低耗、快跑。近年来，国内重卡企业对轻量化车型的开发愈加重视，为了提高市场份额，轻量化重卡成为各家车企的制胜法宝，重卡轻量化研发将愈演愈烈。实现车身轻量化的方法很多，在此不作赘述。本文以某商用车座椅固定结构为研究对象，应用集成式设计方法进行结构优化，实现轻量化的同时满足性能目标。在进行结构优化设计时，力学原理和实践经验作为工作前提，结合结构分析和优化设计软件，根据实际情况和一定条件下，对结构进行优化设计，在重量和性能之间寻找平衡，实现安全性和经济实用性的结构形式。

1.1座椅固定结构形式

主、副驾座椅通过座椅前安装与前地板形成连接，固定点处钣金为两层连接结构，在前纵梁连接板和第一横梁连接板的加强作用下，与前纵梁形成传力机构，图1为模型图示。

图1座椅固定结构三维模型

1.2约束、加载及评价标准

对图1三维结构建立有限元模型，在地板四周位置进行全约束，分别对左、右两侧座椅人体上、下模块各施加与水平方向成10°角4500N集中载荷，对左侧座椅施加-X方向2750N载荷，对右侧座椅施加-X方向1650N载荷，为保守计算，载荷均放大1.2倍。载荷加载高度按法规要求为座椅质心高度。约束及加载有限元模型如图2所示。

图2主、副驾座椅及白车身地板约束及加载有限元模型

分析评价标准要求在加载和保持阶段，座椅及安全带固定点结构无失效，当安全带上固定点在座椅靠背上时，上有效固定点的前向位移不应超过R点平面前倾10°的范围。

1.3有限元分析结果

分析计算座椅安全带固定点强度，主要关注座椅的前倾量及冲压件的塑性应变值。

图3地板总成变形云图

图4地板总成塑性应变图

由于座椅结构不同，主驾座椅为空气弹簧座椅，副驾座椅为可翻转式座椅，导致变形量存在很大差异。从图3可以看出，主驾座椅上底座向前倾斜1.7°，地板无明显变形，副驾座椅存在前倾变形，前端安装点受压后端受拉，座椅上底座向前倾斜7.9°，满足标准。

地板结构整体应变较小，低于材料极限塑性应变，判断无失效，具体塑性应变值见表2。

表2座椅固定结构零件塑性应变表

2.1集成式座椅固定结构形式

目前结构各项性能指标均满足设计要求，并且存在冗余，为了进一步减轻设计质量，优化制造工艺，提升产品竞争力，实施集成式轻量化设计，即把一些多个零件完成的功能集成到一个零件上，以达到减重的目的，通过整合零件功能、将多个零部件集成，实现零部件的多功能，减少零件数量，达到轻量化的目的。

图5集成式座椅固定结构三维模型

图5为集成式设计后的座椅固定结构：座椅安装点集成到前纵梁连接板和地板第一横梁连接板上，固定点处钣金与前纵梁、前地板形成三层板焊接结构，座椅安装螺栓打紧后，连接强度进一度提升，综合分析，固定点强度已得到提升，前地板料厚降低到0.9，材料不变，同时取消座椅前安装板。

2.2有限元分析结果

参照1.2约束、加载及评价标准，分析计算座椅安全带固定点强度，主要关注座椅的前倾量及冲压件的塑性应变值。

图6地板总成变形云图

从图6可以看出，主驾座椅上底座向前倾斜1.8°，地板无明显变形，副驾座椅存在前倾变形，前端安装点受压后端受拉，座椅上底座向前倾斜了7.3°，满足标准。

图7地板总成塑性应变图

地板结构整体应变较小，低于材料极限塑性应变，判断无失效，具体塑性应变值见表3。

表3座椅固定结构零件塑性应变表

表4座椅固定结构零件优化前后塑性应变表

比较有限元分析结果，优化前后主驾座椅前倾角度无明显变化，副驾座椅前倾角度从7.8°减小到7.3°，性能得到提升；从表4可以看出，地板各零件塑性应变值虽均有所增大，但仍处于安全许用范围，说明零件受力得到分散，结构得到优化；优化后的座椅固定结构质量减少4.4kg，降幅达11.1%，减重效果显著。

通过集成式轻量化设计，结合有限元仿真分析技术，白车身座椅固定结构重量降低，同时副驾座椅固定结构前倾角度明显改善，地板各零件塑性应变处于合理范围内，零件结构优化合理。本文以白车身座椅固定结构为例应用集成式轻量化设计方法，不仅显著减轻车身重量，还能够减少冲压模具、焊接夹具的前期投入，减轻员工劳动强度，提升生产节拍。通过以上内容分析，汽车行业实现轻量化设计，应从最基本的优化结构设计出发，经济实用，这对于提升我国卡车行业研发人员基本能力，促进国内商用汽车行业的发展至关重要，并且在即将面临的经济挑战下，对汽车行业发展的研究和新结构设计理论的探讨更加刻不容缓。

来源：期刊-《汽车实用技术》；作者：孙浩，柳存昭，种刚，刘金龙，马伊贤（陕西汽车集团有限责任公司技术中心）

文章由易车号作者提供