一种轻量化的汽车座椅骨架的制作方法

本发明涉及汽车座椅领域，特别是涉及一种轻量化的汽车座椅骨架。

背景技术：

现有汽车座椅骨架包括坐垫骨架及与坐垫骨架连接的靠背骨架，坐垫骨架和靠背骨架都是采用钢管、钢板及钢丝等钢材加工形成，这种汽车座椅骨架整体质量大，导致汽车油耗高。目前汽车座椅的轻量化主要针对座椅骨架结构进行结构优化设计，从减小材料厚度以及结构拓扑优化方面入手实现座椅骨架的轻量化设计，但目前的座椅设计方案一般设计余量较小，材料厚度优化带来的减重效果有限，拓扑优化往往改变了结构外形，在生产加工过程中需要设计新的流水线，使得制造成本增加；此外，现有汽车座椅骨架的整体结构常选用单一材料，无法很好的达到轻量化的效果。基于上述问题，新的设计思路是，对座椅骨架材料进行优化设计，充分利用不同材料的性能优势，针对座椅骨架不同位置的结构选择相应的轻量化材料，从而实现汽车座椅骨架的整体轻量化。

授权公告号为cn201610799145.1的中国专利公开了一种新型轻量化汽车座椅骨架，包括铝合金复合材料的倒”u”型的靠背主钢管，该靠背主钢管的侧面两脚上通过高强度钢的靠背连接支架固定有铝合金材质的靠背侧面支撑钢丝，该靠背主钢管上端两侧的连接有凹凸形状的铝合金材质的支撑钢丝；所述的靠背主钢管的侧面两脚被拍扁成片状，靠背连接支架通过螺栓连接方式固定在靠背主钢管上；所述的靠背主钢管的截面为异形椭圆，内部加有变料厚加强筋；所述的靠背主钢管内部的加强筋的料厚为从两端的2mm渐变到中间的1mm；所述的靠背主钢管的上端横梁上，还包括两个用于固定铝合金材料的座椅头枕导管的凹槽；所述的铝合金复合材料为铝合金系列中的6系铝合金的t6状态，通过挤压工艺成型。

上述专利在充分理解和应用汽车座椅的力学原理基础上，用铝合金代替钢材，在满足同等强度要求的同时，使得座椅靠背骨架的重量大大降低，而且铝合金材料较金属材料更加耐腐蚀，从而延长了使用寿命，并简化结构和工艺，降低了生产周期和成本；但是，上述发明将座椅骨架的整体材料由钢材替换为铝合金，未针对座椅骨架不同位置的结构选择相应的轻量化材料，部分结构采用铝合金制备可能无法达到所需强度，在实际应用中具有一定风险。

申请号为cn201711423754.8的中国专利公开了一种铝镁合金汽车座椅骨架结构，包括坐垫骨架及与坐垫骨架连接的靠背骨架，所述坐垫骨架是由铝镁合金压铸形成的一件一体式构件，坐垫骨架包括坐垫本体及由坐垫本体后端向上弯曲延伸形成的两个连接部ⅰ，两个连接部ⅰ相互对称，连接部ⅰ前侧为向前突起的弧形曲面ⅰ，连接部ⅰ后侧形成弧形凹槽ⅰ，弧形凹槽ⅰ的外侧壁分别设有螺栓连接孔ⅰ；所述靠背骨架也是由铝镁合金压铸形成的一件一体式构件，靠背骨架包括靠背本体及由靠背本体下侧两端分别向下延伸形成的两个连接部ⅱ，两个连接部ⅱ相互对称，连接部ⅱ前侧为向前突起的弧形曲面ⅱ，连接部ⅱ后侧形成弧形凹槽ⅱ，弧形凹槽ⅱ的外侧壁分别设有螺栓连接孔ⅱ，弧形曲面ⅰ弯曲的幅度与弧形曲面ⅱ弯曲的幅度基本相同，坐垫骨架和靠背骨架连接是通过两个连接部ⅰ和两个连接部ⅱ相互对接，在螺栓连接孔ⅰ与螺栓连接孔ⅱ相对时通过固定螺栓将坐垫骨架和靠背骨架连为整体。

上述专利中坐垫骨架与靠背骨架都是采用铝镁合金压铸形成的一件一体式构件，铝镁合金强度大重量轻，骨架全部由铝镁合金压铸而成，前排坐垫、靠背骨架重量较传统的骨架减重40%，能够实现座椅总成及汽车的轻量化，从而减少燃油消耗，降低排放量；但是，上述发明将整体结构替换为铝镁合金，整体结构仍为单一材料，座椅骨架的轻量化单纯由材料替换产生，没有利用不同材料的性能优势，无法在实现座椅骨架轻量化的同时，提高座椅的舒适性。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中汽车座椅骨架的整体结构常选用单一材料，汽车座椅骨架的轻量化效果较差的技术问题，提供一种轻量化的汽车座椅骨架，对座椅骨架材料进行优化设计，充分利用不同材料的性能优势，针对座椅骨架不同位置的结构选择相应的轻量化材料，从而可以提升汽车座椅骨架的整体轻量化效果，进而实现汽车座椅骨架的有效减重。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种轻量化的汽车座椅骨架，包括坐垫骨架和与坐垫骨架连接的靠背骨架，坐垫骨架的坐垫骨架本体通过铝合金材质的内外侧背连接板与靠背骨架的靠背骨架本体相连接，坐垫骨架本体包括座盆、前支撑管和后支撑管，铝合金材质的座盆位于坐垫骨架本体远离靠背骨架的一端，铝合金材质的后支撑管位于靠背骨架与坐垫骨架的连接处，坐垫骨架侧围自后支撑管的端部延伸至座盆的端部，铝合金材质的前支撑管固定在底盆下方，靠背骨架本体包括靠背弯管和头枕导管支撑管，镁合金材质的靠背弯管通过内外侧背连接板与坐垫骨架本体相连接，铝合金材质的头枕导管支撑管位于靠背骨架本体远离坐垫骨架的一端，头枕导管支撑管与靠背弯管固定连接。

传统汽车用钢材制备的座椅骨架的整体质量大，导致汽车油耗高，为实现座椅骨架的轻量化，需要针对座椅骨架结构进行结构优化设计，常包括减小材料厚度以及结构拓扑优化两种轻量化设计思路，但是材料厚度优化带来的减重效果有限，而拓扑优化往往会改变座椅骨架的结构外形，给生产加工带来不便，基于上述问题且伴随着材料科学的快速发展，选材轻量化成为目前座椅骨架轻量化设计的主流思路。现有的座椅骨架的选材轻量化设计，通常是将座椅骨架的整体材料进行替换，铝合金及铝镁合金的质量小而强度高，因此座椅骨架的整体材料常由钢材直接替换为铝合金或铝镁合金，而非针对座椅骨架不同位置的结构选择相应的轻量化材料，因而无法充分展现选材轻量化设计的优势。区别于单纯的轻量化材料替换，本发明对座椅骨架不同位置的结构进行了充分的强度分析，基于实验数据进行轻量化选材，具体如下：内外侧背连接板、座盆、前支撑管、后支撑管及头枕导管支撑管由铝合金材料制成，靠背弯管由镁合金材料制成；这是因为内外侧背连接板、座盆、前支撑管、后支撑管及头枕导管支撑管在追求轻量化的同时需要保证足够的支撑强度，而铝合金密度低，强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，当将铝合金压铸成上述支撑件时，可在满足支撑强度的前提下减轻上述支撑件的质量；靠背弯管是乘客背部的主要支撑件，在车辆行驶过程中，为提高乘客的乘车舒适度，降低颠簸感，靠背弯管需具有良好的减震性能，镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金，其密度小，强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，用镁合金制备靠背弯管，在保证该支撑件轻量化的同时，提供了良好的减震性，进而可以提高乘客的乘车舒适度。本发明对汽车座椅中具有一定质量比的结构件采用镁合金、铝合金和高强钢制成，镁铝合金强度大重量轻，较传统的骨架减重21%，降低了整体质量；此外，本发明的骨架采用上述几种轻量化合金材料制成，结构刚度有明显增大，一阶模态较传统的骨架提升10%，进而提高了乘客的乘车舒适性。

作为优选，靠背弯管呈倒u型，内外侧背连接板焊接在靠背弯管的竖直段的外侧，呈凹凸状的加强杆与靠背弯管的竖直段交叉并与靠背弯管的竖直段固定连接。

由于汽车座椅骨架为框架型结构，因此需要在呈倒u型的靠背弯管上固定连接加强杆，将加强杆设计为凹凸状可提高加强杆的强度。

作为优选，呈水滴形板状的内外侧背连接板包括大端和小端，内外侧背连接板上设有防止应力集中的应力孔，内外侧背连接板的大端设有用以连接坐垫骨架本体的第一螺栓孔，内外侧背连接板的厚度为1.4mm~2.6mm。

内外侧背连接板的大端设有用以连接坐垫骨架本体的第一螺栓孔，第一螺栓孔会造成内外侧背连接板的整体或者局部产生应力集中或者整体刚度削弱，在内外侧背连接板上加设应力孔，分散释放内外侧背连接板上的应力，从而可以避免产生应力集中。本发明基于响应面法的多材料、多目标模型并应用其对汽车座椅进行轻量化设计；将汽车座椅骨架各零部件的材料类型作为离散变量，厚度作为连续变量，以总质量小化和一阶模态大化作为优化目标，利用响应面法构建近似模型进行寻优，后对优化解进行强度校验；通过多次试验，当内外侧背连接板的厚度为1.4mm~2.6mm时，内外侧背连接板的轻量化及强度的协调性较好。

作为优选，坐垫骨架本体和内外侧背连接板之间设有侧座连接板，侧座连接板呈圆角三角形，所述圆角三角形两圆角间的连接边呈内凹弧形，侧座连接板的三个圆角处均设有第二螺栓孔，侧座连接板的一个圆角端与内外侧背连接板通过螺栓连接，侧座连接板剩余的两个圆角端与坐垫骨架本体通过螺栓连接。

当需要改变坐垫骨架本体和靠背骨架本体之间的夹角时，常常是通过旋转靠背骨架本体实现的，将侧座连接板的一个圆角端与内外侧背连接板通过螺栓连接，侧座连接板剩余的两个圆角端与坐垫骨架本体通过螺栓连接，在保证坐垫骨架本体和靠背骨架本体连接强度的同时可留下充足的旋转空间，使靠背骨架本体的旋转流畅无阻碍。

作为优选，侧座连接板由高强钢制备，侧座连接板包括内侧座连接板和外侧座连接板，内侧座连接板的厚度为1.75mm~3.25mm，外侧座连接板的厚度为2.1mm~3.8mm，内侧座连接板外侧设有蚊香状的座椅角度调节器。

高强钢的强度较高，且具有良好的轻量化特性，用其制备的侧座连接板的稳定性较好，基于实验比较，当内侧座连接板的厚度为1.75mm~3.25mm，外侧座连接板的厚度为2.1mm~3.8mm时，侧座连接板的轻量化及强度的协调性较好。

作为优选，坐垫骨架本体通过连接板与座椅骨架滑轨相连接，连接板包括长条状的第一凸缘和长条状的第二凸缘，第一凸缘的一端与后支撑管套接，第一凸缘的另一端连接座椅骨架滑轨，第二凸缘的一端与前支撑管套接，第二凸缘的另一端与座椅骨架滑轨通过螺栓相连。

第一凸缘和第二凸缘的一端与分别与后、前支撑管相连，另一端与座椅骨架滑轨相连，第一凸缘和第二凸缘将坐垫骨架本体和座椅骨架滑轨连接起来并为两者的连接增强。

作为优选，坐垫骨架本体设有角度调节器的一侧设有座椅高度调节器，座椅骨架滑轨上设有座椅前后位置调节器。

座椅高度调节器和座椅前后位置调节器均可市购，座椅高度调节器可对座椅高度进行调节，座椅前后位置调节器可调节乘客的乘坐空间。

作为优选，连接板与坐垫骨架侧围通过花键固定，座盆与坐垫骨架侧围焊接相连，座盆的厚度为0.84mm~1.56mm。

花键可实现连接板与坐垫骨架侧围的动联接，座盆与坐垫骨架侧围焊接相连在构成坐垫骨架本体的轮廓的同时可提高坐垫骨架本体的强度，基于实验比较，当座盆的厚度为0.84mm~1.56mm，底盆的轻量化需求及强度要求的协调性较好。

作为优选，两条平行间隔设置的头枕导套支撑管与靠背弯管的水平段焊接相连，头枕导套支撑管的厚度为1.4mm~2.6mm，靠背弯管的厚度为1.05mm~1.95mm。

基于实验比较，当头枕导套支撑管的厚度为1.4mm~2.6mm，头枕导套支撑管的轻量化需求及强度要求的协调性较好；当靠背弯管的厚度为1.05mm~1.95mm时，靠背弯管的轻量化需求及强度要求的协调性较好。

作为优选，前支撑管的厚度为1.4mm~2.6mm。

前支撑管主要作用是对底盆进行支撑，底盆是座椅的主要承力位置，因此前支撑管需要足够的强度，本发明在对前支撑管的厚度进行试验设计时，强度为主要考量条件，轻量化为次要考量条件，当前支撑管的厚度为1.4mm~2.6mm时，前支撑管在起到足够的支撑作用的同时可实现一定的轻量化减重。

综上所述，本发明具有如下有益效果：（1）本发明对汽车座椅中具有一定质量比的结构件采用镁合金、铝合金和高强钢制成，镁铝合金强度大重量轻，较传统的骨架减重21%，降低了整体质量；（2）本发明的骨架采用上述几种轻量化合金材料制成，结构刚度有明显增大，一阶模态较传统的骨架提升10%，进而提高了乘客的乘车舒适性；（3）本发明的骨架结构简单，便于制造，降低了工艺成本，适用于多种汽车中。

附图说明

图1是本发明整体的一个结构示意图。

图2是本发明整体的另一个结构示意图。

图3是本发明中靠背骨架的结构示意图。

图4是本发明中坐垫骨架的结构示意图。

图5是本发明中坐垫骨架的另一个结构示意图。

图中：

1、坐垫骨架本体，2、内外侧背连接板，2a、大端，2b、小端，2c、应力孔，2d、第一螺栓孔，3、靠背骨架主体，4、座盆，5、前支撑管，6、后支撑管，7、坐垫骨架侧围，8、靠背弯管，8a、竖直段，8b、水平段，9、头枕导管支撑管，10、加强杆，11、侧座连接板，111、内侧座连接板，112、外侧座连接板，11a、第二螺栓孔，12、座椅角度调节器，13、连接板，131、第一凸缘，132、第二凸缘，14、座椅骨架滑轨，15、座椅高度调节器，16、座椅前后位置调节器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语”纵向”、“横向”、“上“、“下”、“前”、“后“、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1至图5所示，一种轻量化的汽车座椅骨架，包括坐垫骨架和与坐垫骨架连接的靠背骨架，其特征在于，坐垫骨架的坐垫骨架本体1通过铝合金材质的内外侧背连接板2与靠背骨架的靠背骨架本体3相连接，坐垫骨架本体包括座盆4、前支撑管5和后支撑管6，铝合金材质的座盆位于坐垫骨架本体远离靠背骨架的一端，铝合金材质的后支撑管位于靠背骨架与坐垫骨架的连接处，坐垫骨架侧围7自后支撑管的端部延伸至座盆的端部，铝合金材质的前支撑管固定在底盆下方，靠背骨架本体包括靠背弯管8和头枕导管支撑管9，镁合金材质的靠背弯管通过内外侧背连接板与坐垫骨架本体相连接，铝合金材质的头枕导管支撑管位于靠背骨架本体远离坐垫骨架的一端，头枕导管支撑管与靠背弯管固定连接；靠背弯管呈倒u型，内外侧背连接板焊接在靠背弯管的竖直段8a的外侧，呈凹凸状的加强杆10与靠背弯管的竖直段交叉并与靠背弯管的竖直段固定连接；呈水滴形板状的内外侧背连接板包括大端2a和小端2b，内外侧背连接板上设有防止应力集中的应力孔2c，内外侧背连接板的大端设有用以连接坐垫骨架本体的第一螺栓孔2d，内外侧背连接板的厚度为1.4mm~2.6mm；坐垫骨架本体和内外侧背连接板之间设有侧座连接板11，侧座连接板呈圆角三角形，所述圆角三角形两圆角间的连接边呈内凹弧形，侧座连接板的三个圆角处均设有第二螺栓孔11a，侧座连接板的一个圆角端与内外侧背连接板通过螺栓连接，侧座连接板剩余的两个圆角端与坐垫骨架本体通过螺栓连接；侧座连接板由高强钢制备，侧座连接板包括内侧座连接板和外侧座连接板，内侧座连接板的厚度为1.75mm~3.25mm，外侧座连接板的厚度为2.1mm~3.8mm，内侧座连接板外侧设有蚊香状的座椅角度调节器12；坐垫骨架本体通过连接板13与座椅骨架滑轨14相连接，连接板包括长条状的第一凸缘131和长条状的第二凸缘132，第一凸缘的一端与后支撑管套接，第一凸缘的另一端连接座椅骨架滑轨，第二凸缘的一端与前支撑管套接，第二凸缘的另一端与座椅骨架滑轨通过螺栓相连。；坐垫骨架本体设有角度调节器的一侧设有座椅高度调节器15，座椅骨架滑轨上设有座椅前后位置调节器16；连接板与坐垫骨架侧围通过花键固定，座盆与坐垫骨架侧围焊接相连，座盆的厚度为0.84mm~1.56mm；两条平行间隔设置的头枕导套支撑管与靠背弯管的水平段8b焊接相连，头枕导套支撑管的厚度为1.4mm~2.6mm，靠背弯管的厚度为1.05mm~1.95mm；前支撑管的厚度为1.4mm~2.6mm。

本发明所述的轻量化的汽车座椅骨架，包括：坐垫骨架本体、设置在坐垫骨架本体下端的座椅骨架滑轨和设置在坐垫骨架本体上端的靠背骨架本体。靠背骨架本体的结构包括：头枕导套支撑管和靠背弯管；坐垫骨架本体的结构包括：座盆、坐垫骨架侧围、前支撑管、后支撑管。本发明基于响应面法的多材料、多目标模型并应用其对汽车座椅进行轻量化设计；将汽车座椅骨架各零部件的材料类型作为离散变量，厚度作为连续变量，以总质量小化和一阶模态大化作为优化目标，利用响应面法构建近似模型进行寻优，后对优化解进行强度校验，进而得出了强度与轻量化协调性最好的材料厚度的最优解。具体为：头枕导套支撑管是由厚度为1.6mm的铝合金压铸形成的，靠背弯管是由厚度为1.8mm的镁合金压铸形成的，头枕导套支撑管和靠背弯管直接焊接在一起；在靠背骨架本体的两侧对称设置有内外侧背连接板，内外侧背连接板直接焊接在靠背弯管外侧，内外侧背连接板上留有防止应力集中的小孔，外侧背连接板下端留有固定用的螺栓孔，内外侧背连接板的材料为铝合金，内外侧背连接板的厚度为1.6mm；坐垫骨架本体和所述靠背骨架本体之间设置有内侧座连接板和外侧座连接板，通过螺栓实现固定；内侧座连接板上端留有螺栓孔对应于所述内外侧连接板下端的固定孔，下端也留有螺栓孔对应于所述坐垫骨架本体上的固定孔，内侧座连接板处设置有座椅角度调节器，所述内侧座连接板的材料是高强钢，内侧座连接板的厚度为3mm。外侧座连接板上端留有螺栓孔与内外侧背连接板的螺栓孔相连，下端留有两个螺栓孔通过螺栓和所述坐垫骨架本体相连，所述外侧座连接板的材料是高强钢，外侧座连接板的厚度是3.6mm；坐垫骨架侧围的前后端留有前支撑管和后支撑管的安装孔，坐垫骨架本体通过连接板与座椅骨架滑轨连接在一起，连接板上端的孔对应于前支撑管和后支撑管，支撑管通过该孔，连接板下端通过螺栓和所述座椅骨架滑轨相连，座盆和坐垫骨架侧围直接焊接在一起，座盆的材料是铝合金，座盆的厚度是0.94mm；前支撑管的材料是铝合金，前支撑管的厚度是2.4mm。坐垫骨架本体设置有座椅高度调节器，座椅骨架滑轨上设有座椅前后位置调节器；上述汽车座椅骨架安装时，将座椅骨架滑轨通过螺栓与车身固定在一起，将连接板套入前支撑管和后支撑管，再与坐垫骨架侧围通过花键固定，再焊接上座盆，使坐垫骨架本体更加稳固，坐垫骨架本体通过螺栓和连接板上的固定孔与座椅骨架滑轨连接，靠背弯管和内外侧背连接板焊接在一起，通过内外侧连接板和螺栓与坐垫骨架本体连接。

本发明的针对性实验中，未优化的传统汽车座椅骨架采用钢材制成，总质量为14.98kg，一阶模态为25.03hz；在满足汽车座椅骨架的整体强度及各结构件强度的条件下，对结构件进行轻量化设计，上述最优方案的总质量为11.91kg，一阶模态为27.61hz；相较于传统汽车座椅骨架结构，优化方案减重21%，一阶模态提升10%。上述汽车座椅骨架，结构新颖，骨架核心部件采用多种材料制成，镁铝材料质量小强度大，有效的降低了座椅骨架的整体质量，提高了整体刚度，保证人们的乘车安全，实现了汽车座总成的轻量化。