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摘要：随着汽车总保有量的不断增加，汽车与能源、环保之间的矛盾已成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。面对低碳时代的到来和节能减排的巨大压力，汽车轻量化是解决这一问题最有效、最现实的途径之一。从而推动了新材料新工艺在汽车工业中的应用和发展。其中，尤为引人注目的是铝合金在汽车轻量化中的应用和发展。
关键词：汽车座椅；轻量化；结构设计；成型工艺；优化
引言
随着汽车总保有量和新增量的不断增加，汽车耗油量及汽车二氧化碳、有害气体及颗粒的排放量也在快速增加。在能源日益紧缺，环境日益恶化的今天，这种矛盾已成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。面对能源危机和低碳环保的巨大压力，解决这一矛盾最有效、最现实的方法之一，也是当今世界汽车工业发展的潮流，就是实现汽车的轻量化。
一、汽车轻量化技术概述
1.1汽车轻量化概念
汽车轻量化（Lightweight of Automobile）就是必须在保证汽车使用性能，如强度、刚度和安全性的前提下，降低汽车的重量，从而提高汽车的动力性能，燃油经济性，并且降低废气污染。汽车轻量化并不只是简单地降低汽车重量，还包含了许多新理论、新材料、新工艺。根据美国铝协会研究，若汽车整车重量降低 10070，其燃油效率可提高 6% ～ 8%；汽车整车重量每减少100kg，其百公里油耗可降低 0.3 ～ 0.6L，二氧化碳排放量可减少约 5g/km。
1.2 轻量化技术的实现
总的来说，实现汽车轻量化主要有 2 种途径：一是利用有限元方法，拓扑优化方法改进汽车整车结构及零部件结构，实现结构件材料分布最优化；二是利用各种轻量化材料，包括高强度钢板材料和轻质材料。
①结构轻量化设计就是利用有限元法和现代优化设计方法进行结构分析和结构优化，以减轻汽车车身、各零部件如发动机、承载件和内饰件的重量。结构优化设计即在保证产品达到某些性能目标（如强度、刚度）并满足一定约束条件的前提下，改变某些设计变量，使结构的重量最轻，这不但节省了材料，也便于运输和安装。优化设计以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转换成数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和商业软件为优化工具，在充分考虑多种约束的前提下满足设计目标的最佳设计方案。有限元法在结构设计中被广泛使用，它可以使任何复杂的工程问题，简化为有限元模型进行分析研究。目前广泛使用的结构优化工具 Altair Optistruct，以有限元法为基础，提供拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、自由形状优化等多种优化方法，可以对汽车车架结构及各零部件结构进行分析和优化。在有效满足设计功能及外型要求的前提下，先经过概念设计在到详细设计，寻找设计区域最优的材料分布，使得结构最轻，性能最佳，尽可能使零部件中空化、薄壁化、小型化、复合化，大大提高设计效率。
②汽车轻量化材料
汽车轻量化是在不改变汽车刚度与强度的前提下，采用轻量化材料，或借助结构轻量化设计减轻整车的质量，材料技术是轻量化结构设计的重要内容，借助轻量化材料能够同时改善汽车质量与行驶安全性。现阶段，汽车轻量化材料主要包括：
（1）铝合金。铝作为轻质材料之一，被广泛地应用于各行各业中，由铝加工而成的铝合金具有耐腐蚀性强、热导率高等优点，利用先进技术加工后可以应用于汽车轻量化设计中。与此同时，铝合金能够更好地抵抗外部的冲击，可以使汽车碰撞安全性得到提升。
（2）高强度钢。相比镁、铝合金，高强度钢在碰撞性能上有着明显优势。高强度材料一般分为低强度钢、高强度钢、超高强度钢。屈服强度低于210Mpa的钢为低强度钢，屈服强度在210Mpa一550Mpa的钢为高强度钢，屈服强度大于550Mpa的钢为超高强度钢。高强度钢综合性能好，是汽车轻量化结构设计的首选材料。尽管高强度的强度较强，但这也意味着这类钢材的成形性能相对较差、回弹大。
（3）镁合金。镁合金在现实生活中得到了广泛地应用，其比刚度、比强度较高，具有显著的优势。除此之外，镁合金较易回收、散热性好，这也是其被用应用于汽车轻量化设计的重要原因之一。现阶段，铸造镁合金是汽车轻量化设计的主要材料，其被应用于座椅骨架、变速器壳体等部件的设计中。
二、汽车座椅骨架设计
汽车座椅骨架尺寸参照现行国家标准GB11550-2009 , GB 15083-2006进行设计，汽车座椅靠背骨架的结构主要有管框结构、冲压饭金结构和管框饭金复合结构。冲压饭金结构能够在保证强度的情况下，减少重量，降低成本。管框结构骨架强度相比于冲压饭金结构低一些，且不易实现复杂功能；但由于其结构和制造工艺均比较简
单，冲压模具投人少、成本低。管框饭金复合结构与管框结构和冲压饭金结构相比较兼具强度高和成本低的特点，且能够在相对简单的制造工艺下实现比较复杂的功能，座椅骨架CAD模型如图1所示。
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图1 座椅骨架CAD模型
三、汽车座椅结构设计方法
汽车座椅结构优化的目的，首先是保证甚至提高座椅的静态性能及动态性能，其次是减轻自重，降低制造成本，提高经济性。座椅的轻量化设计，主要是座椅骨架的轻量化，实现座椅轻量化的途径跟上述汽车轻量化一致。一是通过使用轻质材料，二是利用有限元对骨架进行结构优化设计，三是通过采用新的制造工艺来达到轻量化的目的。实际工程中，一般会综合运用两种或两种以上手段相互结合的方法。本文就是综合采用轻质材料结合结构优化设计，最后通过新的成形工艺而达到汽车座椅轻量化的目的。
（1）低压铸造的优越性：低压铸造具有充型能力强、平稳可控，生产效率高，经济性好等诸多优点而被广泛用于汽车用铝合金铸件生产。此外，低压铸造件还可以热处理强化，因此该方法主要应用于中、大型复杂薄壁、优质铸造铝合金件上。
四、汽车座椅轻量化结构设计
铝的密度较小，属于轻金属，由铝加工而成的铝合金具有耐腐蚀性强、热导率高等优点，同时铝合金也可被回收二次使用。将铝合金应用于汽车充分考虑螺栓与靠背的的连接以及抗拉强度等因素。在冲压成型后采用油漆烘烤、低压铸造可以提高铝合金边板的强度。
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图 1 人体背部优化曲线
五、结束语
综上所述，座椅是给汽车驾驶员提供支撑、便于驾驶操作的重要结构，可以在事故发生时给予一定的保护，实用性及较强，汽车座椅轻量化设计可以减少有害气体的排放，降低对生态环境的影响，提升燃油的经济性。汽车座椅轻量化设计是未来汽车座椅设计制造的主要发展方向。低压铸造可以最大限度防止合金液的飞溅现象，保证铸件质量，综合机械性能高，适用性较好，具有显著的优势。
参考文献
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