在希邁商務諮詢（上海）有限公司主辦的第三屆中國國際汽車座椅峰會暨展覽2021的汽車座椅舒適性論壇上，
長春富維安道拓汽車飾件系統有限公司創新經理戰磊
以“
汽車座椅輕量化技術研究
”為主題發表了精彩演講。
汽車座椅輕量化研究背景
同行們一直都在努力朝著汽車輕量化方向發展，尤其近年
電動車的發展更是推動了汽車輕量化技術的發展。
整車重量如果能夠降低，很顯然整個油耗目標是能夠達到的，
到2025年左右全國的油耗目標將會達到4升左右，這個要求是也是碳達峰、碳中和的要求。
電動車的發展在極速推進輕量化程序，其中最大一個問題就是電動車應用的兩大焦慮，一個是
充電焦慮
，一個是
續航里程焦慮
。一些汽車工業協會統計，如果純電動車能夠減少100公斤，續航里程就能提升10%-11%。這也是為什麼要做輕量化的重要原因。
再看一下相關統計，
不同車系包括日系、美系、德系、國產車，主司機座椅的重量基本上都是25公斤左右
，做來做去都是這樣的水平，沒有做得更好的一個嗎？所以大家也在不斷尋求減重方案。
我們做了一下統計，目前在整個汽車大的零部件中，座椅的重量基本上前後排加起來能夠佔到7%，隨著未來汽車座椅功能的複雜化，恐怕這個佔比還會增加。
我們統計了一下近幾年汽車座椅方面輕量化技術專利的情況，可以看出，從2011年開始，每年有大量專利申請，到2019年這個水平已經很高了。這說明在輕量化技術方面能看到大家持之以恆的努力，也形成了一個熱點。
看一下整個汽車發展歷程，從最早1886年早期賓士的第一輛車出現，一直髮展到現在的邁巴赫，不同年代有一些代表性的車型。整個座椅從最初非常簡單到現在功能不斷增加，邁巴赫的功能已經拓展了很多。
由於舒適性、使用者體驗對功能性的需求不斷增加，整個座椅的重量要求又是不斷減少，這就是一個很大的矛盾。大家比較期望的是，如果是一個大型SUV車或者MPV車，整個座椅的不斷變化可以滿足不同的需求。尤其
未來智慧化、網聯化、電動化方面還會不斷增加座椅的重量。
如果汽車可以飛行，整個汽車包括座椅的輕量化就更為必要了。
汽車座椅輕量化技術——結構輕量化
從輕量化策略來看，包含了五個大的方面：條件輕量化、方案輕量化、材料輕量化、形狀輕量化、製造輕量化。
從重量成本函式曲線可以看到，做輕量化技術過程中並不是說一味地做的越輕越省材料，整個座椅的成本就一定會降低。低到一定程度還會繼續反彈，意味著可能輕量化技術、工藝越做可能最終給座椅帶來的反而還是成本的增加。
從前排座椅和後排座椅典型爆炸圖能夠看到，目前整個座椅主要就是這幾大部件：座椅骨架、座椅泡沫、護面、塑膠件以及一些電氣零件組成了座椅。
我們做了一下統計，實際上骨架佔的重量最高，基本上前排能夠達到65%，剩下的是塑膠件、泡沫、護面、頭枕，核心件佔比還是非常大，包含電機、調角器、滑軌等一系列核心件。
從座椅輕量化技術來看，座椅比較適用三大類，第一是結構最佳化；第二是材料輕量化；第三是先進工藝。
對於具體產品，
座椅骨架、核心件、面套、泡沫、材料件等更適合於材料的輕量化，骨架本身比較適用一些先進工藝輕量化。
前排座椅骨架輕量化，如果想做得更輕量化，主要是把一些衝壓件改成管件甚至是鋼絲件焊接。因為整個座椅受力以後，呈現的力矩會是一個三角形，意味著調角器的部位受力最大，改為管件結構是一種思路。
後排座椅骨架輕量化，早期因為安全固定點等設計要求較高，都會要求在座椅後部有一個比較大的鋼板，在進行結構最佳化的時候，取消大鋼能降成本，還能用鋼絲替代，減輕重量。
泡沫方面，在聚氨酯泡沫尤其是後排座椅坐墊，因為H點設計，泡沫做得都非常厚，如何進行減重呢？一般可以採用底下多孔的設計減輕重量。還有就是雷克薩斯早期開發了一款座椅，利用鏤空設計使得整個座椅更輕。
還有一種結構輕量化比較常用的是拓撲最佳化，首先假想沒有座椅，對後排座椅進行最苛刻的實驗，行李箱衝擊實驗，看什麼情況下能夠滿足這樣的實驗。在最佳化結果條件下，可以最大限度減少材料的使用，最終實現座椅輕量化方案。
工藝方面也能夠使骨架輕量化，原來的設計一般透過鉚接技術，尤其是滑軌上支架和滑軌之間的連線，現在常用是八個鉚釘的方式，為了滿足鉚接空間和強度，整個滑軌上支架也會做得非常大。從2016年開始，鐳射焊接技術逐漸在座椅上普及，現在從鉚接結構變成了鐳射焊接方式。
整個滑軌上支架變得非常小，用鐳射焊接很容易焊得非常牢，減重比例超過了50%，實際上座椅如果能夠減掉700-800克，兩支座椅能減1點多公斤，對整車也是一個很大的貢獻。
汽車座椅輕量化技術——材料輕量化
目前座椅應用的材料主要包含幾類：高強鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑膠、碳纖維和發泡材料。
高強鋼基本上有三個區間：普通鋼、高強鋼、超高強鋼。高強鋼大多是指超高強鋼，尤其在座椅靠背和坐墊骨架，很多材料已經應用非常廣泛了，基本上能夠把原來的2毫米、1。8毫米降到現在的1。2毫米，甚至有些座椅廠能夠把座椅靠背及坐墊壁板厚度降到1。0毫米。比起傳統的低強度鋼板，其前排、後排減重比例基本上達到10%-15%。超高強鋼應用的主要思路是原來用410鋼材，現在用SC500/780DP材料，目前靠背側板最薄可以做到0。8毫米。
在高強鋼應用過程中也發現了一些問題，其中最大的問題是高強鋼強度和延伸率的關係，隨著強度增加，其延伸率逐漸降低。帶來的最大問題是冷成形能力變得很差，尤其是深衝後鋼板會開裂，曾經遇到780或980鋼板做滑軌，鋼板上只要有一條劃痕，在零件衝壓結束後，搬運過程中稍微受到一些碰撞，就沿著劃痕直接開裂。
這個問題非常常見，而且之前的鋼板也是國際知名企業，近幾年隨著寶鋼扎鋼水平的提高，目前像QP鋼、CP鋼逐漸替代DP鋼，所以說現在超高強鋼的應用範圍比以前越來越廣了。
還有一個問題是超高強鋼應用過程中的回彈，尤其在做核心件時，對於精度要求比較高，這時如果產生比較大的回彈，尺寸可能沒辦法保證，比如滑軌進行推松工序時，操作力就會很大，使得核心件不合格。
另外，
超高強鋼
在應用過程中會出現典型褶皺，做拍扁或焊接時，需要用一些輔助變形，最大的問題就是變形過程中產生一些褶皺，還有一個問題是焊接。因為超高強鋼本身含碳量比較高，焊接後會產生焊接開裂，主要是後排座椅靠背骨架的方形矩形鋼管，需要我們關注。
第二個材料是
鎂合金
，早期大眾生產的108公斤的車，整個白車身一個人就可以舉起來，鎂合金應該是在工程領域中密度最低的，本身也有一些問題，因為其整個原子結構註定其在應用過程中有很多缺陷。
目前鎂合金有四大類汽車應用：
AZ、AM、AS、AE
，但是對於座椅AM系列用的比較多，基本上AM50、AM60兩個牌號應用最多。我們發現AZ系列的延伸率太低，只有3%-4%左右，所以應用過程中出現了很多問題。
鎂合金整體應用思路基本上是四個件透過壓鑄方式變成一個件。統計表明，前排骨架減重水平在20%，但這包含了核心件，如果不算核心件其減重比例沒有那麼高，後排減重比例會相對大一些。
鎂合金應用的問題主要是五個方面：成本、壓鑄裝置能力、材料高溫效能、腐蝕效能、環境保護。
下一個是
鋁合金
，主要分成兩大類，一類是
變形鋁合金
，一類是
鑄造鋁合金
。在汽車座椅、零部件方面都有一些成熟應用，七系、六系鋁合金本身的材料效能比較好，但是僅限於擠壓變形鋁合金範圍，往往鑄造鋁合金做出來的零部件效能不會這麼好，也會限制其應用。
目前有些鋁合金用在汽車座椅，主要是賓士，為什麼鋁合金的應用很少見到？它本身減重比例沒有那麼高，成本又一點不低，這兩個因素導致了鋁合金在汽車座椅骨架上應用非常少。
鋁合金還有一些關鍵問題也會影響使用，第一鋁合金容易產生變形，高鐵基本上90%都是用鋁型材拼焊的，最大的問題是焊接過程中的收縮變形，不管用什麼焊，焊完後熱量堆積會使得整個材料變形量非常大，可能從某個區域性開裂。
第二是擠壓變形開裂，鋁合金也可以衝壓，但衝壓過程中會出現開裂的問題。鑄造過程中砂眼、孔隙的問題沒有辦法避免，也會帶來比較高的廢品率。再一個是疲勞壽命比較低。
工程塑膠包括尼龍，相對鑄鐵肯定高很多，相對合金、硬鋁差不多，這就奠定了工程塑膠很大的應用潛力，例如特斯拉的第二排座椅大量應用了複合材料做座椅靠背。還有一些是天然纖維應用案例，還有利用工程塑膠做出的超薄座椅，寶馬A3在座椅靠背上大量應用了工程塑膠複合材料。
還有一個材料是EPP，屬於發泡類材料應用，這個材料應用非常廣泛，尤其在後備箱、行李箱等，在座椅上的應用也比較多。從最初的高溶體PP粒子變成體積比較膨脹的EPP顆粒，它有比較好的抗震能力、結構強度和效能。
還有一個是碳纖維材料，主要是勞倫纖維碳化後形成高強度纖維物質，後續透過黏結劑黏結起來變成片材，再透過注塑技術把它變成一種複合應用材料。目前碳纖維應用在汽車上比較多，賽車座椅還有一些內飾裝飾面板裝飾件、車輪、車身覆蓋件都應用到了碳纖維材料。
原來的骨架、頭枕、背板需要設計在座椅上，用碳纖維技術可考慮把這幾個功能件整合在一起進行設計，最大的好處是碳纖維外表面處理好就非常美觀，它既可以做外露件設計，也可以作為一種結構件來承載載荷。
汽車座椅輕量化技術未來發展
目前從材料角度看，高強鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑膠、EPP和碳纖維，在座椅上都具有很大的應用潛力，像高強鋼在骨架或核心件可以應用，鎂合金主要是骨架，鋁合金是一些滑軌核心件應用。在應用過程中，很難說某一種材料自己就能夠承擔整個減重的使命。整個混合設計還是非常有必要的，還是要結合拓撲最佳化技術進行整個座椅以及座椅骨架的形狀、結構的最佳化，這樣才能進一步讓整個座椅減重。
目前，從材料本身看，比較現實的還是用高強鋼，因為980兆帕以上超高強鋼不是問題，包括成熟熱成形技術也能使得這個材料更廣泛地應用，現有的生產線不用做更大的改動，就可以實現整個座椅以及座椅骨架的生產。
隨著電動車技術的推進，對於輕量化的要求會更高，目前我們測算，用超高強鋼基本上不太能夠滿足未來座椅的整個減重要求，鎂合金是工程領域中座椅設計最可行的材料。
所以我們認為，鎂合金的應用未來還是會比較廣泛。未來，如果碳纖維原材料的價格以及加工、製造工藝最佳化也能成為繼續減重的方向，再配合一些天然纖維、多孔材料能夠使得整個座椅比現在的重量減掉很多。
編輯 |
曉靖
出品 |
焉知