李登云，符大興，劉華官，袁航

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

引言

在汽車行業(yè)競爭越來越劇烈的今天，車輛輕量化越來越被提上日程，座椅作為成本僅次于發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車部件，在車輛設(shè)計(jì)中，在滿足汽車對(duì)座椅骨架的剛度、強(qiáng)度及工藝改造等因素要求的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能減輕它們的質(zhì)量以降低制造成本[1]。在目前的座椅輕量化的研究中，大多是探討座椅金屬材料的替代品與對(duì)座椅骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化等研究[2,3]，對(duì)于座椅骨架上運(yùn)用熱處理工藝進(jìn)行輕量化的研究較少。

本文把熱處理工藝與座椅骨架優(yōu)化相結(jié)合，首先對(duì)熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使經(jīng)過熱處理后的骨架強(qiáng)度提高了25%，接著，對(duì)提高強(qiáng)度后的座椅骨架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，使座椅重量減重1.38kg，最終的模擬分析和安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法有效。

1 座椅骨架材料分析

本研究座椅骨架的材料主要以QSTE500 和QSTE420 為主。

QStE500TM 是一種強(qiáng)度較高的冷成型熱軋酸洗汽車鋼，有良好的抗變形能力，即高的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比[5]主要用于汽車底盤、座椅滑軌等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件。對(duì)座椅骨駕的QStE500TM 材料進(jìn)行了化學(xué)成分測試，其結(jié)果如表1 所示，從表中看出該材料中的各化學(xué)成分符合該材料的標(biāo)準(zhǔn)，顯微組織如圖1 所示，從中可以看到，該材料組織由大量鐵素體和少量珠光體組成，由GB/T 6394－2002 測得的晶粒度約為13 級(jí)。

QStE420TM 是指屈服達(dá)到420MPa 以上的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具有良好冷成型性。用于要求良好的冷成型性能并有較高或高強(qiáng)度要求的汽車大梁、橫梁等汽車結(jié)構(gòu)件。對(duì)座椅骨架的QStE420M 材料進(jìn)行了化學(xué)成分測試，其結(jié)果如表2 所示，顯微組織如圖2 所示，從中可以看到，該材料組織由鐵素體和少量珠光體組成，由GB/T 6394－2002 測得的晶粒度約為11 級(jí)。

表1 QStE500TM 鋼的化學(xué)成分

表2 QStE420TM 鋼的化學(xué)成分

圖1 QStE500TM 金相組織

圖2 QStE420TM 金相組織

2 熱處理工藝參數(shù)研究

QSTE420 作為座椅骨架中應(yīng)用最多的板材，工藝參數(shù)的主要研究對(duì)象選用QSTE420，根據(jù)文獻(xiàn)以及熱處理的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，選定加熱時(shí)間30min，冷卻溫度100℃，冷卻時(shí)間5min，回火溫度320℃，回火時(shí)間30min 的淬火工藝參數(shù)。加熱溫度的確定，仍需進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比才能確認(rèn)。

步驟1：QSTE420 理論抗拉強(qiáng)度為480~620Mpa，先進(jìn)行2 個(gè)未熱處理的樣件實(shí)測得到抗拉強(qiáng)度為480.72Mpa 、483.24Mpa。

表3 不同溫度抗拉強(qiáng)度對(duì)比

步驟2：選用與步驟1 同一批次的QSTE420 板材進(jìn)行850°加熱溫度、900°加熱溫度、950°加熱溫度共三組淬火處理，并測試不同工藝參數(shù)下QSTE420 的抗拉強(qiáng)度；

步驟3：根據(jù)步驟2 進(jìn)行試驗(yàn)得出下表抗拉強(qiáng)度對(duì)比值：

綜合上述對(duì)比可見，900°加熱溫度對(duì)QSTE420 板材的抗拉強(qiáng)度提升較大，并且也相對(duì)溫度，最終確定選擇900°作為加熱溫度，最終選定淬火工藝參數(shù)如下表4。

表4 淬火工藝參數(shù)

對(duì)熱處理后的材料進(jìn)行微觀分析，兩種材料的化學(xué)成分如表5、6 所示，從中可以看出，熱處理后的化學(xué)成分中，C、Mn 含量得到了較大幅度的提高，由于C、Mn 元素的含量與材料的強(qiáng)度有關(guān)，證明該工藝參數(shù)合理有效。

表5 QStE500TM 鋼熱處理后化學(xué)成分

表6 QStE420TM 鋼熱處理后化學(xué)成分

圖3 QStE500TM 熱處理后金相組織

圖4 QStE420TM 熱處理后 金相組織

從熱處理后的金相組織觀察到，該金相組織與熱處理之前的組織相比，珠光體增加，鐵素體減少，晶粒尺寸較為明顯的變小。

3 熱處理材料強(qiáng)度測試

對(duì)淬火后的材料按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣與拉伸機(jī)如圖5 圖6 所示，選用四組QStE420TM試樣，分別為兩組經(jīng)過熱處理和兩組未經(jīng)過熱處理試樣，進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)并測試熱處理后材料的力學(xué)性能。載荷位移曲線如圖7、圖8 所示。

圖5 測試試樣

圖6 MTS 拉伸機(jī)

圖7 熱處理前載荷位移曲線

熱處理后的載荷位移曲線如圖8 所示：

圖8 熱處理后載荷位移曲線

拉伸強(qiáng)度如表9 所示，其中編號(hào)1，2 為經(jīng)過熱處理之后的QStE420TM 材料，編號(hào)3，4 為經(jīng)過熱處理的材料。

表6 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖5、6 以及表6 可以看出，該材料在經(jīng)過熱處理工藝后最大載荷提高了16.7%左右，抗拉強(qiáng)度提高了17%左右，屈服強(qiáng)度提高了25%左右。

4 座椅骨架優(yōu)化與試驗(yàn)

4.1 座椅骨架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

以市場上某款已經(jīng)量產(chǎn)車型的第二排四六分座椅為研究對(duì)象，進(jìn)行座椅骨架輕量化研究，對(duì)該座椅進(jìn)行熱處理后的材料應(yīng)用，把座椅上的材料為QStE500TM 的調(diào)角器下連接板、滑軌前連接支架、下架連接板等和材料為QStE420TM的下架安裝腳、調(diào)角器上連接板、地鎖連接板等鈑金件替換為經(jīng)過熱處理后的材料，相關(guān)零件圖如圖9 所示。

圖9 材料替換零件圖

由于經(jīng)過熱處理后的材料屈服強(qiáng)度提高了25%左右，可對(duì)該座椅骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化，采用尺寸優(yōu)化的方法[6]，對(duì)熱處理后的鈑金件壁厚進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)壁厚進(jìn)行0.5mm 的減薄，如圖10 紅色部分所示。

圖10 座椅骨架結(jié)構(gòu)輕量化

4.2 座椅骨架CAE 分析

設(shè)定骨架鈑金件優(yōu)化處的材料強(qiáng)度為原材料的125%，對(duì)改座椅骨架進(jìn)行CAE 分析，其中圖11 為原座椅骨架前移量分析，圖12 為熱處理后的骨架前移量分析，可以看出，熱處理前后前移量均未超過R 點(diǎn)，熱處理前余量為37.5，熱處理并減薄壁厚后余量為39.5。

圖11 100%材料未加強(qiáng)

圖12 125%材料加強(qiáng)

對(duì)熱處理后的座椅骨架進(jìn)行應(yīng)變分析，結(jié)果如圖13 所示，各處應(yīng)變均為0.2 左右，存在折彎現(xiàn)象，撕裂風(fēng)險(xiǎn)較小，表明該優(yōu)化后的座椅骨架符合CAE 強(qiáng)度分析要求。

圖13 座椅應(yīng)變分析

4.3 座椅安全性試驗(yàn)

對(duì)優(yōu)化后的座椅進(jìn)行樣件試制，并進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)以及行李箱沖擊試驗(yàn)，按GB14167-2013 標(biāo)準(zhǔn)中5.4 要求試驗(yàn)方法進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

按照法規(guī)要求的加載方式，對(duì)上人體模塊和下人體模塊均施加16700N 的拉力，同時(shí)在通過座椅質(zhì)心的水平方向上施加3998.4N 的拉力，在4 秒的時(shí)間內(nèi)加載到最大載荷，并保持10 秒。在持續(xù)的拉力作用下，座椅的安全帶固定點(diǎn)沒有出現(xiàn)斷裂等缺陷，試驗(yàn)后座椅骨架、固定裝置、調(diào)節(jié)裝置的鎖止裝置均未失效，座椅上未產(chǎn)生增加乘員傷害的凸起或尖棱，座椅的鎖緊裝置正常。

圖14 安全帶固定點(diǎn)測試

圖15 中排座椅安全帶固定點(diǎn)荷重時(shí)間曲線

對(duì)座椅進(jìn)行行李箱沖擊試驗(yàn)，按照GB 15083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》中4.15.1的要求進(jìn)行測試。

圖16 座椅試驗(yàn)前左側(cè)

圖17 座椅試驗(yàn)后左側(cè)

經(jīng)檢驗(yàn)，本文研究車型的第二排四六分座椅總成樣品所檢移動(dòng)行李沖擊試驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)結(jié)果符合GB 15083-2006 《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中4.15.1 的要求。

圖18 臺(tái)車加速度曲線

5 結(jié)論

本文針對(duì)市場上已經(jīng)量產(chǎn)的某款座椅骨架進(jìn)行輕量化研究，提出了運(yùn)用熱處理工藝對(duì)座椅骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的方法，得到了以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)骨架材料微觀組織的研究，選用了加熱溫度為900℃的合適的熱處理工藝參數(shù)，并對(duì)熱處理后的材料進(jìn)行了微觀分析與拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證了經(jīng)過熱處理后的材料強(qiáng)度提高了25%左右。

（2）對(duì)運(yùn)用熱處理的座椅鈑金件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)壁厚進(jìn)行0.5mm 的減薄，實(shí)現(xiàn)座椅減重1.38Kg，該優(yōu)化后的座椅骨架符合CAE 強(qiáng)度分析要求以及座椅安全帶固定點(diǎn)和行李箱沖擊相關(guān)法規(guī)，證明該方法切實(shí)有效，可為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。