汽车座椅安全带固定点强度分析
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汽车座椅安全带固定点强度分析
摘要：汽车座椅靠背有支撑乘员背部的作用，在舒适性评价中有很高的占比，由于靠背远离固定点，且靠背与固定点之间存在多个调节机构，如高调四连杆、靠背调角器、水平调节滑轨等，导致靠背受到震动易产生晃动，对于不同座椅，产生晃动的震动波形也不同。针对靠背晃动问题综合考虑可行性、工艺性及成本等因素，选取高调四连杆作为研究对象，解决该问题，并提供一种该问题的解决思路。
关键词：汽车座椅；安全带；固定点；强度分析
引言
汽车座椅是汽车安全件的重要组成部分之一，它不仅可以给乘员提供支撑，还具有保护乘员避免或减少伤害的作用。汽车座椅安全带固定点试验是车辆《公告》强制性试验项目。在车辆发生碰撞事故时，如果安全带固定点强度不满足法规要求，则安全带固定点周围区域的撕裂或断裂是会造成人员伤亡。为使座椅在整车碰撞过程中起到更好的保护作用，许多座椅企业会设计高于法规标准要求的性能产品。
一、汽车座椅概述
乘坐汽车的舒适性分静态和动态两个场景。静态舒适性主要取决于座椅的设计是否符合“人体工程学”。简单来说，运用“人体工程学”提升座椅的舒适性可以总结为三个要点：座椅设计参考人体测量学数据；座椅具有可调节性，满足不同体型人群需求；座椅的位置与空间相协调。此外，座椅不宜过软，过软的座椅不仅会对尾椎造成过大压力，导致损伤脊椎健康，还会压迫腿部，不利于血液循环。以荣获J.D.Power2021大型MPV座椅质量第一的广汽传祺M8的座椅为例，安道拓基于人体工程学设计了高度贴合人体的座椅造型，使得人体与座椅之间的接触面积最大化，并采用多密度多硬度的泡沫给予乘坐者最有力的支撑。同样在各系细分市场摘得座椅质量冠亚军的福特福克斯和小鹏G3i的座椅亦是如此。安道拓不仅使得座椅兼具包裹性和支撑性，同时还配备电动腰托，使得不同身形的人群都能调节到最适合自己的支撑点。蔚来赫赫有名的“女王副驾”同样来自安道拓。“女王副驾”的座椅配备腿托和脚托，可以说是从上到下都提供舒适的包裹性。所以，能够提供“支撑力”、“包裹性”才是优秀座椅舒适性和安全性的体现。
二、汽车座椅安全带固定点强度分析
2.1金属材料
金属材料由于其强度高，成为汽车座椅骨架的主流材料。座椅骨架是整椅中主要支撑且承受载荷的结构，座椅在整车上作为与乘员最直接接触的安全件，对座椅骨架的强度、刚度要求非常高。汽车座椅骨架最常使用的材料为各类合金钢，由于传统金属材料其本身密度高，且相关结构设计受到加工手段的限制，故制品都十分笨重。而采用镁合金、铝合金等轻质金属，材料本身密度低，结构设计多样，其制品减重明显。为实现其产品质量的减少，在2018年国际汽车零部件展览会上，安道拓展示了其使用高强度钢与薄壁矩管材料成功减轻座椅骨架质量，并将模块化、功能化的零件和模具设计理念引入进来，提升其通用性，进而缩短研发周期;李尔的新一代ECO座椅骨架，也同样采用了高强度钢作为座椅骨架原料，可以使汽车座椅质量较之前的版本减轻20%左右，其更加灵活的结构使该骨架同时具有模块化和通用性的特点。
2.2汽车座椅靠背晃动
汽车在颠簸路上行驶，座椅受到震动，靠背会产生晃动，不同的振动波形下，座椅的晃动幅度也不同，幅度较大时，会导致异响，影响乘员乘坐舒适性，座椅长期受到大幅晃动，骨架损耗大，可能会影响调节机构使用寿命。晃动产生的主要原因是座椅各零部件间的间隙，间隙最易产生的地方就是运动机构，因此靠背的晃动量与靠背和座椅地板固定点之间的机构有关，如高调四连杆、靠背调角器、水平调节滑轨，但是靠背调角器与水平调节滑轨常为精密冲裁件，因此，在正常设计条件下不会产生较大间隙，对靠背晃动的贡献量较少。而四连杆结构零部件多为普冲，精度不易保证，因此针对四连杆进行深入解析。从结构分析，座椅靠背及四连杆如图1左所示，由于有调高泵锁止P2P3和P3P4，即α1角度固定，因此可以简化为图1右，将调角器视为刚性体，因此α2角度固定。由图1可以看出，力F施加于靠背P5时，P5P2、P2P4绕着P2有旋转趋势。当P4点，即前管处存在间隙时，则P5P2、P2P4可以进行一定程度的旋转，如图2所示，P1、P2为螺栓固定，配合方式常为过渡配合，间隙较小，不易晃动。因此，从结构分析，对靠背摇晃贡献量最大的位置就是坐垫前管处的间隙。从质量检测来看，座椅前管剖视图如图3所示，该处包含零部件为侧板、衬套、前管，分别对侧板孔尺寸位置度、衬套内外径、前管管径进行多点位测量并记录数据，结果显示均满足图纸要求。
2.3座椅折叠连杆
为了查明该折叠连杆断裂的原因，问题解决小组对生产过程、工具使用、零件本体强度、零件结构设计、操作方法等可能引起折叠连杆变形断裂的原因进行了逐一分析排查，明确了该折叠连杆变形断裂的根本原因，并制定了相应处理措施，有效避免了该汽车第三排座椅折叠连杆断裂问题再次发生。3.1 生产过程及使用工具分析问题解决小组对该汽车总装线3个班次的员工操作进行了现场抽查（每班随机抽查3次，每次5辆车），抽查结果显示，现场员工操作均符合SOS标准化操作要求，且均使用了同样正确的工具，以设定扭矩完成安装，生产过程未有造成该折叠连杆变形断裂的现象，因此可排除生产过程操作不当原因导致折叠连杆变形断裂。3.2 零部件本体强度分析，为了解连杆本体强度，借助CAE软件对其进行受力应变分析，在没有任何加强结构的情况下，当靠背顶端加载力达到300N时，连杆应变达到0.2。一般而言，一位正常成年人双手的推力约为体重的1/2~2/3，按照体重60公斤计算，其推力约为300N~400N。在这种情况下，该折叠连杆本体在没有加强结构的情况下，其强度略显不足，在不正确操作下，易造成连杆变形甚至断裂，因此，连杆本体强度不足可能是主要原因，需做进一步分析。
2.4先进加工工艺
随着科学技术的不断发展，各类新加工工艺在汽车座椅轻量化的进程上起着越来越关键的作用。通过这些特殊的加工工艺，在维持原有性能不变的情况下可以使座椅零部件降低10%～20%的质量。汽车座椅上的塑料件如内外护板、调节扶手、座椅背板等，可采用微发泡工艺，实现塑料零件质量降低。微孔注塑发泡是指向塑料熔体中引入微小泡孔，然后注入型腔内部使制品内部用气体代替原有的塑料，从而达到减重的目的。目前微发泡技术已经成功应用到汽车各种结构件、内外饰件，实现单件零件质量降低20%～40%片状模塑材料(SMC)是一种强度高且密度小的高分子材料，经过模压成型可得到形状复杂的各类结构。好的模压工艺可以使SMC制件性能好、尺寸精度高、产品表面质量优异。
结束语：
通过对座椅骨架结构的解析和思考，得出座椅骨架中的基本零部件对靠背晃动量的影响大小，明确后续的验证方向，然后综合考量验证成本，并对达成效果进行预估，最后锁定改善方案，再进行实物验证，可以快速且有效地改善靠背晃动量大的问题，同时对今后的设计有一定的指导意义。
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