乘坐完美:汽车座椅概念得分第一

作者:Composites Technology Michael LeGault 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2016-12-30
采用一种与用于头靠的附件及装饰线等一起成型的轻型、可见的复合材料椅背骨架取代冲压成型的金属椅背,汽车供应商整合了部件并减少了成型后加工。这种增强热塑性塑料的椅背骨架减轻了重量并简化了成型/风格工作。

复合材料在高产量商业化乘用车中的应用,原来只限于高温进气歧管、油底盘和其他动力部件,但最近几年来,在车门和其他内饰部件上的应用也逐渐增加。江森自控汽车座椅公司就是行业中率先将复合材料扩展应用到乘用车座椅系统中的公司。

该公司新的智能座椅概念——Gen 3 Synergy Seat(以下简称“Gen 3 Synergy”),于2013年首次亮相:首先出现在2013年1月举行的北美国际车展上,然后是2013年4月举行的上海国际车展以及2013年9月举行的德国法兰克福车展上。以高端乘用车市场为目标,该座椅采用纤维增强塑料的椅背骨架取代了传统的冲压钢骨架。

Gen 3 Synergy的椅背骨架大约比典型的钢制椅背骨架轻20%,这具有重要意义,因为椅背骨架是理想的减重目标。“在汽车内部,你看看是什么带来了重量?座椅则名列前茅。”江森自控设计总监Tom Gould说,并指出,其首要原因是座椅中有许多的部件和独立结构。

江森自控汽车座椅公司的Gen 3 Synergy座椅示意图

不只是减重

然而,能够看到复合材料在座椅系统中成为一个真正的游戏规则改变者,是因为它们为设计师带来了作出革命性设计变化的机遇。在一个传统座椅中,钢制的椅背被埋在织物和发泡层下,其功能是严格意义上的结构性。但Gen 3 Synergy的复合材料椅背是一种可见的、美观的部件,体现了结构与风格的双重功能。

“这就是复合材料的座椅故事变得非常有趣之处,因为你可以采用复合材料做其他材料办不到的事情。” Gould声称。一个外观性的椅背骨架,为减少部件及所使用的不同材料的数量,从而简化生产流程,进而改善座椅组成的功效提供了新的机遇。

江森自控工程总监Nick Petouhoff说,可见外观的椅背还为“补偿”带来了机遇,也就是说,其特性有助于从名义上平衡复合材料的较高成本。值得注意的是,补偿对于客户的接受是重要的,该座椅的设计团队试图将尽可能多的东西整合进来。

在一个采用钢椅背骨架的座椅中,有许多第二附件,如头靠、木支撑、调节座椅的电动机以及附在发泡或装饰覆盖物上的装饰线,Petouhoff说,“利用Gen 3 Synergy座椅,我们能够对这些部件中的许多以及用于成型椅背的模具特征进行整合。”

作为一个额外的优势,更少的部件和少量的材料允许形成一个小型轮廓,从而为乘员提供更大的内部空间和伸腿空间。作为一种风格元素,复合材料可通过采用薄膜、涂料或织物而被装饰成多种颜色和质地。在示范座椅中使用的椅背骨架采用了一种白色薄膜、通过模内装饰工艺而被生产出。

整体设计方法

江森自控对复合材料和创新座椅设计的兴趣要远大于Gen 3 Synergy项目。该公司一个国际化的工程师团队于几年前在一个名为“重新定义座椅”的项目中采用了一种“空白”方式对待汽车座椅,其目标是设计解决方案,以重新定义碰撞过程中可使乘员活动受到约束同时又可减轻重量的方法。“而不只是说,让我们用一种材料取代另一种材料。我们采取了更加积极的态度,审视了座椅的极致设计性原理,来寻求如何重新开始。”江森自控新技术高级经理Kurt Siebold说。

该项目的原型座椅垫板及椅背骨架(碳纤维复合材料)具有可提高安全性并减少部件数量与重量的许多新的特征。例如,垫板的管状前沿可在碰撞过程中发挥约束乘员活动的作用,以分散大腿和臀部向前冲时的载荷。“如果你能够在设计中找到减小力矩的方法,你就能够创造出更轻的座椅机构和结构。” Siebold说。

通过采取一种全局观,一个跨学科的项目团队以市场调查、市场数据、客户反馈和标杆学习为基础,从收集最新趋势信息开始,使得Gen 3 Synergy座椅的设计方案被建立起来。然后明确了座椅的3个利益相关者——消费者、社会和OEMs的要求,在设计中强调安全、舒适和功能的人体工程学目标。凭借自身的座椅设计专知,该公司对替代的金属材料、机构、泡沫、装饰、织物和复合材料等作了评估,总体目标是座椅设计要能够减轻重量、减少复杂性。

江森自控汽车座椅总工程师Jeff Lindberg介绍说,Gen 3 Synergy座椅已超出了原型阶段,而且第一个在生产工具上被制造出的示范座椅向消费者们展示了该设计原理能够被用于一个完整的汽车内部/座椅环境中。Lindberg没有透露该示范座椅的复合材料椅背的确切厚度和其他尺寸,指出这些参数最终将是汽车的特征。“尺寸和厚度……,这些要根据汽车/座椅组成的尺寸和要求,以及有多少项目将被融入到座椅中而定。” Lindberg解释说,“这些参数将依据实际的应用而确定,对此,椅背骨架可以做得更小、更薄或更轻。” Lindberg表示,考虑到形状复杂性和部件集成性的更大潜力,复合材料椅背骨架减轻15%~20%的重量是可能的。

强韧的碳纤维/热塑性塑料

用于示范的椅背采用聚酰胺浸渍的碳纤维制成,它提高了在运输、操作和展会中进行展示的耐久性。在生产中,江森自控计划采用Bond-Laminate公司(德国Brilon)的OrganoSheet材料来成型椅背骨架,该材料包含该公司的TEPEX dynalite 102-RG600 E玻纤粗纱斜纹织物(面积质量600 g/m2)和一种PA6基体材料。

这款江森自控汽车座椅公司的Gen 3 Synergy座椅后视图展现了其外部波形的纤维增强热塑性塑料的椅背骨架。在商业化生产中,这些椅背骨架将采用Bond-Laminate公司的OrganoSheet,即一种由E玻璃纤维斜纹织物与PA6树脂构成的层压材料而被成型出。用复合材料的座椅骨架取代传统的钢座椅骨架,使得设计师能够整合用作第二附件的部件,并将骨架作为一个审美元素(图片来自江森自控汽车座椅公司)

在生产中,玻纤粗纱在115~127 ℃的模内得到加热和预成型。首选的加热方法是中波段红外加热(IR),但模内的接触热可以采用一种剥离膜而得到利用。接着,成型好的片材被放入生产模具中,这些工装既可是铝制的也可是钢制的,它们被安装在江森自控位于德国Burscheid的工厂中的注射/压制设备上,然后浇注PA6。工装温度保持在90~110 ℃之间。这种加固的层压材料大约含有47%的玻璃纤维,密度为1.8 g/cm3,纵向拉伸强度为22.4 GPa,弯曲模量为19.2 GPa。

椅背必须满足美国政府提出的结构和动态载荷门槛要求,这关系到在实验室中分别完成高强度静载试验和高能量冲击试验。为此,该公司在其位于Plymouth的研发工厂中安装了一台碰撞滑车试验装置。

江森自控汽车座椅公司在其位于美国密歇根州Plymouth的工程和设计工厂中安装了一台碰撞滑车试验装置,该装置将使得工程师们能够在Gen 3 Synergy座椅上完成美国政府以及汽车OEMs商业化生产前所要求的各种动载荷测试

Petouhoff介绍说,复合材料的椅背强度可与钢制的相媲美,但指出,采用复合材料的一大挑战是,指定层压材料的性能特征会随着汽车内部的使用温度而发生变化,其温度变化范围通常在-30~80 ℃,在此温度范围内,钢的特性相对稳定。对Gen 3座椅系统进行严格的实地测试是必要的,以此可证明复合材料在这一宽泛的环境条件下所具有的性能。

Gen 3 Synergy座椅的剖面图显示了复合材料椅背骨架的内部结构,并展示了被整合到座椅中的其他特征,包括Vibratec双层泡沫座椅垫和透气性织物(图片来自江森自控汽车座椅公司)

安全并结合消费者诉求

骨架的外观定位和开放轮廓使得设计师们在座椅的浅色框架与深色内部区域之间描绘出了一种令人愉悦的对比度。此外,在凸凹表面的对比上也作了精心安排,以获得体积明显减小、座椅更轻的效果。除复合材料外,Gen 3座椅系统还包含其他的创新技术。例如,该座椅的透气性Dri-FIT织物,可使湿气远离乘客身体。其VariTec发泡座椅系统的双层水平泡沫层拥有不同的硬度,确保了长期驾乘的舒适性。

前程似锦

江森自控目前正在与一些汽车OEMs一起,为实现Gen 3 Synergy座椅的完全商业化而展开合作。“复合材料在座椅和汽车内部的应用的确令人兴奋。” Gould说,“这个行业正需要去理解复合材料将如何去挑战更轻的汽车重量及更低的生产成本。”

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