汽車輕量化正在改變乘用車車輛座椅的要求。智能設(shè)計,最新制造工藝和輕質(zhì)材料在每個座椅組件中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然目前大批量生產(chǎn)的座椅結(jié)構(gòu)仍主要由鋼制成,但輕質(zhì)金屬(如鋁)以及復(fù)合材料(如CFRP)長期以來一直在創(chuàng)新項目中占有一席之地。江森自控對材料解決方案進行了比較,旨在使其系列生產(chǎn)座椅中使用的輕量化設(shè)計組件數(shù)量在15年內(nèi)翻倍。
汽車座椅的設(shè)計趨勢
座椅設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)從未如此多樣化:輕量化設(shè)計,自動駕駛,電氣化和定制化的大趨勢正在擴展當前和未來車輛座椅的規(guī)格表。座椅越來越多地被要求成為多功能組件,為用戶提供廣泛的個人舒適選擇,車輛系統(tǒng)的數(shù)字連接以及先進的安全技術(shù)。
此外,空間和造型自由的因素,以及使汽車制造商能夠從競爭中脫穎而出的最終客戶的定制選項,將在車輛內(nèi)飾的未來發(fā)揮重要作用。此外,汽車企業(yè)要求其座椅供應(yīng)商提供適合全球平臺戰(zhàn)略的解決方案。
2030年輕量化座椅需求將翻倍
江森自控現(xiàn)在設(shè)定10公斤作為其總重量目標,并將在未來的發(fā)展階段使用它。例如,到2020年,通常配備的前座椅結(jié)構(gòu)的重量明顯小于10千克。這主要意味著在座椅制造中采用更輕量的部件。事實上,江森自控預(yù)計,為了遵守歐盟關(guān)于二氧化碳排放的限制性規(guī)定,到2030年,由輕質(zhì)設(shè)計材料制成的座椅模塊比例將增加三分之二。相對于今天,這代表了百分比的完全翻倍。
鋼材適合規(guī)模化座椅骨架的選材
目前江森自控使用的汽車座椅材料組合主要包括各種質(zhì)量的鋼、塑料和復(fù)合材料。一般而言,用于大批量車輛制造的座椅結(jié)構(gòu)主要由鋼制成,塑料和復(fù)合材料僅用于非承重部件,例如飾面和面板。
江森自控的產(chǎn)品集團Recaro Automotive Seating卻對這些材料有不同的使用。該公司設(shè)計和生產(chǎn)用于專業(yè)和半專業(yè)賽車的純纖維增強塑料座椅已有40多年的歷史。其由玻璃纖維增強塑料(GFRP)或碳纖維增強塑料(CFRP)制成的單件式賽車外殼具有顯著的重量優(yōu)勢:Gran Turismo(GT),旅行車和俱樂部賽車的常規(guī)賽車外殼僅重6或7千克,而專業(yè)賽車外殼符合最高安全要求的同時,重量不超過15公斤。Recaro賽車外殼符合最嚴格的碰撞安全標準,如圖1所示,在堅固性和保護性方面同時符合人體工程學(xué)。
鋼應(yīng)用于座椅的優(yōu)勢
鋼鐵也將繼續(xù)在這條道路上發(fā)揮決定性作用。最重要的是,對于車輛座椅結(jié)構(gòu)必不可少的特性組合可能使鋼材在中長期內(nèi)不可或缺。這里應(yīng)該介紹四個鋼的優(yōu)勢例子。
· 可用性和成本:目前,例如,由重量為1kg的CFRP制成的部件比一公斤鋼的價格貴約百倍。此外,CFRP的生產(chǎn)能力以及全球供應(yīng)商的數(shù)量仍然有限。 同樣,鋼板的成本約為鋁板的5倍,比鎂板的成本低2至3倍。在這兩種情況下,制造業(yè)都更加復(fù)雜,能源需求也更大。
· 安全性:在發(fā)生碰撞時,座椅結(jié)構(gòu)內(nèi)的承重部件必須在特定方式的高負荷下變形并吸收沖擊能量,鋼材是最佳的滿足要求的材料,特別是在高溫下超強的品質(zhì)。這尤其適用于座椅與車輛的接口,應(yīng)用于座椅下部結(jié)構(gòu)中,但也適用于座椅靠背調(diào)節(jié)器,其將座椅靠背連接至下部結(jié)構(gòu)。當受到靜態(tài)和動態(tài)載荷時,由鎂,鋁和非增強塑料制成的部件與鋼的行為不同。當過載時,它們的失效是突然的,而在高溫或低溫時它們表現(xiàn)出明顯不同的特性。
· 耐久性:與塑料相比,鋼不僅在負載下具有顯著更長的壽命,而且對極端溫度的反應(yīng)更不敏感。
· 產(chǎn)品開發(fā)便利性:為了采用有效的測試和模擬過程,座椅設(shè)計者需要使用材料的度量和參數(shù)。對于每種鋼材質(zhì)量,都有具有標準化參數(shù)的綜合數(shù)據(jù)庫。實際上,鋼管材料數(shù)據(jù)庫已在江森自控內(nèi)部維護多年,并通過大量相關(guān)性研究不斷補充和完善。但復(fù)合材料技術(shù)指標的才剛剛開始,諸如設(shè)計仿真的材料本構(gòu)模型卡很少,江森自控已經(jīng)創(chuàng)建了許多自己的數(shù)據(jù)庫,但仍然不能滿足要求。此外,在德國凱澤斯勞滕的復(fù)合材料中心,正在研究材料特定的產(chǎn)品開發(fā)過程,目的是對開發(fā)過程的設(shè)計和模擬元素進行徹底的標準化。
除了鋼鐵提供的這四個優(yōu)勢示例外,在標準化,大批量生產(chǎn)工藝,質(zhì)量保證方面,尤其是大批量生產(chǎn),可回收性和二氧化碳足跡方面,它也優(yōu)于復(fù)合材料和大多數(shù)其他金屬。
汽車座椅理想的解決方案:混合材料
作為完整座椅的開發(fā)商和供應(yīng)商,江森自控正在該領(lǐng)域制定明確的戰(zhàn)略路線圖。一方面,在重量,空間要求,功能增強和定制方面不斷改進現(xiàn)有車輛內(nèi)飾的座椅。另一方面,該公司的座椅設(shè)計師正在為這種可能性做準備:通過引入全新技術(shù)、"智能"機制和具有集成功能的系統(tǒng),未來的移動方法作為駕駛員和車輛之間的關(guān)鍵接口,可能從根本上改變車輛的性質(zhì)從而也可以改變車輛座椅。
由于出色的重量優(yōu)勢,復(fù)合材料和輕質(zhì)金屬將在兩個戰(zhàn)略領(lǐng)域與鋼鐵一起發(fā)揮核心作用。這里的理想解決方案在于結(jié)合最好的材料 - 采用混合結(jié)構(gòu),在座椅的正確位置采用合適的材料。為此,江森自控已經(jīng)開發(fā)出三種具體的解決方案。
CAMISMA項目中的多材料方法
Camisma項目(基于碳纖維、中間纖維和金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組件采用多材料系統(tǒng)方法)專注于開發(fā)多材料系統(tǒng)大批量生產(chǎn)。圖2所示的座椅靠背結(jié)構(gòu)將鋼,GFRP,CFRP羊毛和連續(xù)CFRP細絲的熱塑性條帶組合成多層結(jié)構(gòu)。與由金屬制成的座椅靠背相比,這種背部結(jié)構(gòu)提供了相同的安全性,但重量減輕了40%。此外,它可以高效地使用昂貴的CFRP,因為CFRP廢料從50%降低到5%以下。由在原型模具上鑄造的部件組成的座椅靠背在環(huán)境溫度下通過了所有必需的碰撞測試(例如,后部碰撞保護,防止移位的貨物等)。
江森自控團隊目前正致力于設(shè)計采用層壓和涂料的座椅結(jié)構(gòu)的A級表面。因此創(chuàng)建了一系列的應(yīng)用條件。然而,存在的缺點是:開始大批量生產(chǎn)將需要在流程鏈中進行大量新投資。
鋁和鋼
江森自控的定制混合管輕量化設(shè)計項目研究重點的是一種由和鋁制成的復(fù)合材料,如圖3所示。探討了利用鋁與鋼結(jié)合的重量優(yōu)勢來生產(chǎn)空心零件的可能性。這些管子采用液壓成型工藝成型,而激光焊接在鋁和鋼之間提供了耐用接縫。由于管子可以根據(jù)特定的座椅型號進行定制,因此該過程將會節(jié)省大量材料。
在靠背組件堅固的承重設(shè)計方面也開辟了一些非常有吸引力的造型選擇。在設(shè)計座椅的概念模型時,江森自控通過使用凹形輪廓而采用視覺上輕量化的設(shè)計。座椅靠背背面具有向內(nèi)彎曲表面的超薄框架,旨在為后排乘客提供異常寬敞的腿部空間,同時顯著增加存放空間并增強用戶舒適度。
CFRP和鋼鐵
Recaro運動座椅平臺(RSSP)是江森自控針對輕量級設(shè)計和定制的大趨勢的目標響應(yīng)。Recaro汽車座椅產(chǎn)品組因此遵循其OEM客戶的平臺戰(zhàn)略,將該平臺戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移到運動座椅,并允許客戶選擇完整的座椅解決方案或?qū)SSP輕量級設(shè)計座椅改裝回現(xiàn)有座椅子。由于Recaro與江森自控的全球生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,Recaro能夠確保全球可用性。RSSP的創(chuàng)新性質(zhì)在于承重結(jié)構(gòu)與座椅靠背內(nèi)的設(shè)計外殼的分離。這允許原始設(shè)備客戶根據(jù)他們自己的造型規(guī)格定制座椅,同時受益于公共部件的使用。該解決方案的另一個明顯優(yōu)勢是其無可挑剔的典型Recaro人體工程學(xué)設(shè)計,通過靠背輪廓實現(xiàn)最佳地圍繞并支撐乘客的背部,圖4.更重要的是RSSP重量輕,盡管有更嚴格的安全要求:承重靠背結(jié)構(gòu)主要由CFRP材料組成,而座椅外殼則采用高強度鋼和所謂的有機板制造。
RSSP座椅靠背比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高金屬內(nèi)座椅靠背結(jié)構(gòu)厚約60毫米,輕40%。這些高度節(jié)省的成果源于江森自控產(chǎn)品組合中輕質(zhì)設(shè)計材料,材料設(shè)計和高性能座椅靠背調(diào)節(jié)器的智能組合。 同時,RSSP滿足當前最高的后部和正面碰撞要求。