常州市白宇汽车零部件有限公司
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镁合金将成为汽车座椅部件主要材料

近年来,汽车轻量化发展,使铝等轻合金铸件的需求量逐年增加。自1990年以来,汽车用正以年均20%的增长速度迅速发展,合金已成为汽车材料技术发展的一个重要领域。压铸合金材料以其可循环利用和少无切屑工艺的先进性,特别适合循环经济和节能低碳及清洁生产要求,在汽车向轻量化发展的进程中占主导地位。各大汽车零部件制造商积极把握发展时机,纷纷投入到合金汽车压铸件的生产研发中来。

  虽然合金耐腐蚀性差,但是对于汽车内部构造来说,防腐不是主要考虑的问题,因此合金在汽车内部构造得到了比较广泛的应用,尤其是在仪表盘和座椅结构中。合金在座椅上应用始于1990年代的德国,主要是奔驰公司在SL Roadster中使用了压铸生产的带有三点安全带的座椅结构。

  与合金在仪表盘上的应用情况相似,近几年,采用合金设计、制造的座椅也经历了一个明显提高的过程。现在采用合金的座椅结构最薄可以达到2mm,大大减轻了重量。虽然其他材料如高强度钢、铝、复合材料等也得到使用,但是专家预测,合金未来将会成为汽车座椅部件轻量化和具有成本效益的一个主要材料。

  一、汽车座椅系统

  汽车座椅系统是汽车内饰中重要的零部件之一,可以支撑乘客坐姿,定位乘客,使乘客能够舒适有效的控制车辆,座椅系统能够保护乘客,提供驾乘舒适性,防止乘客无意识的滑移,事故发生时阻止乘客移动。

  通常情况下,汽车座椅由骨架,泡沫,面套,头枕,塑料件组成,在基本的座椅功能基础上,可以增加加热,通风,按摩,腿托等扩展功能。

  前排座椅通常是单人座椅,根据可调节的方向,通常有4向,6向,8向甚至更复杂的座椅功能配置,根据驱动方式,又分为手动,电动座椅等。

  后排座椅座框通常是一体结构,有些与车身一体。靠背结构分为5-5分,4-6分,4-2-4分结构,常见的有管式结构,管板结构,板板结构。

  客车座椅通常只有靠背角度可调,外侧座椅的横向移动可调,当然,很多定制化的车型,座椅配置也可以更加丰富。

  乘用车汽车座椅规范依据GB 15083,GB 14167等,客车座椅骨架规范依据GB 13057等执行,除了国标的强制性规范外,很多主机厂都有系统的座椅标准,比如福特的SDS,日产的NDS等,针对不同的主机厂,开发的要求也是不尽相同。

  座椅结构

  乘用车座椅运动示意

  二、合金在汽车座椅上的应用

  随着国家对环保要求越来越高,《节能与新能源汽车技术路线图》的发布,汽车轻量化成为高度关注的发展方向。轻量化汽车座椅骨架也势在必行。

  合金密度小,比强度高,消震性好,应用到汽车座椅,减重优势明显,合金结构设计灵活,可满足不同的客户的产品要求。

  合金应用在座椅骨架有效减轻骨架重量,有良好的强度和刚度,耐疲劳性好,集成化设计有利于减少加工过程,可以减少加工过程对环境的重复污染。

  在轻量化的大趋势下,座椅的轻量化工程师也在寻找可以减轻整椅重量的方法和材料,座椅骨架占整椅重量的绝对比重,所以减轻骨架重量是减轻座椅重量的有效方式。

  合金作为最轻的结构材料,也受到了客户格外的兴趣。

  合金应在乘用车的前后排,公交车座椅,大巴车及公交座椅骨架等都已展开合金应用的开发研究。

  在欧洲,阿尔法·罗密欧已开发合金座椅骨架,用于减重和改善座椅的抗冲击性,使用合金压铸成型座椅靠背,戴姆勒·克莱斯勒在其500 SEL Roadster上应用合金压铸座椅靠背和座框,Chevrolet Corvette C7,Hyundai Azera,Genesis coupe/Sedan已经在应用合金作为座椅的框架。

  国内的合金座椅框架研究也陆续在展开,延锋安道拓,佛吉亚等座椅公司都已经取得了一些研究成果,并且开始在项目中批量应用。

  阿尔法·罗密欧座椅

  DC 500 SEL Roadster座椅

  Hyundai Genesis coupe座椅

  压铸合金零件应用在前排座椅骨架,主要是将靠背和座框集成化设计。

  靠背的集成化设计是将钢制座椅靠背的上横版,下横版,左壁板,右壁板的冲压及焊接总成件集成为一个压铸合金零件,座框的集成化设计是将座框左壁板,右壁板,前座盆集成化设计,不仅减轻了产品的重量,而且减少了制造过程。

  座椅靠背,座框(钢材)

  座椅靠背,座框(合金)

  合金靠背相比钢材靠背减重1.068Kg,减重比47.7%,合金座框相比钢材靠背减重1.077Kg,减重比44.2%。

  除了常规乘用车的合金座椅骨架之外,为满足新能源汽车及低速电动的发展要求,市场也需求轻量化和薄型化得座椅骨架得研发。

  低速电动车座椅骨架

  薄型化座椅骨架

  合金在乘用车后排座椅中的应用已经有一些实例,Ford_Explorer第三排座椅靠背就应用了压铸合金零部件。

  对于合金的后排座椅骨架,国内还处于研究探索阶段,基本没有量产的产品。除了压铸的座椅零件设计之外,也有用合金挤压管设计的合金后排座椅骨架的研究。

  


  Ford_Explorer合金靠背

  合金压铸后排座椅骨架概念方案

  合金挤压后排座椅骨架概念方案

  除了座椅骨架之外,还有座椅的支撑支架也用合金零部件代替以前的钢制框架,既可以满足座椅的高度提升需求,零部件减重51%,同时提升了座椅的模态,座椅舒适性也相应提升。

  某项目座椅支撑支架

  某项目座椅支撑支架

  合金在大巴车上和公交车上的应用研究也越来越多,近两年来,客车主机厂及座椅厂家对合金应用在也是格外关注,类似的研究开发也是越来越多,但受制于成本和风险控制的影响,只有极少的应用,大部分都停留在研究阶段。

  从目前的研究数据来看,大巴车的座椅骨架应用合金材料,每组座椅可实现7.5Kg左右的减重,减重比43%左右,如果按37座的大巴车计算,每台车可实现减重138Kg。

  合金在公交车座椅骨架上的应用,每组座椅可实现减重4.5Kg,减重比38.5%左右。

  某公交座椅骨架

  大巴车座椅骨架概念方案

  合金应用在座椅骨架上,可以减轻整椅的重量,刚度好,提升产品模态,具有良好减震性能,耐久性、高低温循环性能也已经被验证通过,但是合金的一些不可忽视的问题也不能轻视,合金和异种金属材料接触的电位腐蚀问题,合金材料强度和延伸率低,可选用的材料牌号很少,材料呈脆性,变形量小,产品成本高,基础研究的资料缺失等问题都是制约合金应用发展的短板。

  三、结语

  从近些年,国家倡导节能减排,汽车轻量化呼声高涨,合金以其出众的优势得到了大家的广泛关注,2018轻量化材料发展路线图中也明确指出2030年中国单车合金达到45Kg,要比目前的单车用量提升约3倍。

  合金材料作为轻量化的一种,要在超高强钢,复合材料,铝合金,炭纤维等都具有一定潜在应用的材料中脱颖而出,新材料的研究和应用,工艺稳定性控制,表面处理技术,连接技术都需要有所突破,适度且稳健的产品创新和工艺革新,加工方法与设备的能力提升,优化制造加工过程和成本控制都是对合金行业从业者的挑战。

  相信在高校研究工作者和产业应用者共同的努力下,合金材料和产品技术会在一定时间取得一定突破,实现成本降低,在轻量化材料的竞争中取得应属于合金当仁不让的应用范畴。


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