一种复合材料座椅靠背骨架及其制造方法与流程

本发明涉及车辆配件技术领域，具体是一种复合材料座椅靠背骨架及其制造方法。

背景技术：

汽车座椅靠背骨架作为一种核心车辆内饰配件。目前，很多应用车辆的座椅，其座椅的靠背骨架为金属制成的框架结构，其重量较重，大幅提高了车辆的整体重量，同时，由于框架结构无法直接应用，因此，必须要在框架结构上包覆海绵等，以提高旅客的舒适度；而由于靠背骨架为金属框架结构，因此，在后排乘员撞击在前方的椅子背部时，由于框架结构的特性，其吸收撞击力的吸能面积小，无法分散撞击力，致使前方座椅上的乘客在头颈部及腰部处容易受到集中的非常大的撞击力，致使前排乘客受伤害。

随着科技的发展和技术的进步，汽车座椅靠背骨架的制备工艺技术在不断地朝节能、环保和高效方面发展，随之而来的，复合材料座椅骨架的出现使得复合材料板材技术在进入一个新的发展阶段。由于节能环保的需要，汽车、电子和机械设备等行业的部件向轻量化和小型化发展，越来越多的金属材料正逐步被高分子复合材料替代。目前大部分所采用的热固性高分子复合材料耐冲击性差且不可回收，而以pp为基材的热塑性复合材料刚性低、耐磨耐候性能差、耐热性不足等问题，限制了其应用的范围。因此，开发高强度、高模量、比重轻、耐磨耐腐蚀、表面优异、耐热性好的其他热塑性复合材料已经成为市场新品开发的热点。

连续性纤维增强热塑性树脂是由纤维和树脂两部分组成，绝大多数的热塑性树脂拉伸强度低，但是具有很高的韧性和可塑性；而纤维有很高的拉伸强度，但是容易受到破坏且不容易成型加工。纤维与树脂的复合对二者的缺陷进行互补，使得连续性纤维增强热塑性树脂复合材料的综合性能大大提高。与传统的钢材和铝材相比，其密度约为钢材的1/5，约为铝材的1/2；比强度与比模量也远高于钢和铝的合金，因此在刚度和强度相同的条件下具有质量轻的特点，在节省能源、提高构件的使用性能方面是其它材料无法比拟的。玻璃纤维的特点在于高弹性模量。通过玻璃纤维的高拉伸强度和压缩强度，在将玻璃纤维引入到热塑性基体材料中时，能够在由于玻璃纤维的高弹性断裂延伸率而得到一定柔性的同时在这些区域中实现有目的的加固。以超高强玻璃纤维为增强体可制成各种性能优异的复合材料，在航空航天、火箭、导弹、战斗机、核潜艇等军舰、坦克等武器装备的国防军工领域有广泛的应用，尤其适用于汽车座椅骨架。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中座椅靠背骨架的各项缺陷，提供一种质量轻、能迅速分散吸收撞击力、舒适、安全、美观、生产成本低、易于安装使用的复合材料座椅靠背骨架。

目前座椅靠背骨架在设计过程中，通常为了适应项目对美学、舒适度的要求，而采用复杂的曲面造型，这对于采用传统金属而言，几乎是没有限制的；但当采用连续玻璃纤维的复合材料板作为骨架设计的主要材料时，则需要在造型和纤维的顺畅性之间寻求平衡点。

为实现上述目的，本发明的复合材料座椅靠背骨架包括连续玻璃纤维增强热塑性复合背板，连续玻璃纤维增强热塑性复合背板朝向乘客背部的一面的上部设置有凹弧段，所述连续玻璃纤维增强热塑性复合板朝向乘客背部的一面的下部设置有凸弧段，凹弧段与凸弧段连接为一体，形成曲面结构的连续玻璃纤维增强热塑性复合背板。因此在结合一定坐姿下的人体曲线时，要尽可能的避免纤维出现大角度转折从而影响结构性能。

所述曲面内任意取一点，在过该点且与此区域曲面a切面v上取直径r(60≥r≥30，推荐r取50mm)的圆，将圆沿着上述平面v的法向投影至上述曲面a上，所截取的空间曲面a1边缘上最远两点，在所述两点上与曲面所在两个切面的锐角夹角为α，取15°≥α≥0°，推荐5°≤α≤10°。

凹弧段与凸弧段的高度为2-3：4-5；复合背板高h：80-100cm，复合背板最宽处为w：55-65cm；

其中凹、凸弧段的设计重点关注乘员乘坐舒适和贴合度。

所述靠背骨架由连续玻璃纤维增强热塑性复合板制成，所述连续玻璃纤维增强热塑性复合板由6层～8层的单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片热压复合形成。单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片由热塑性树脂、连续超高强玻璃纤维和硅烷偶联剂制得。质量比例为40:50:1。

热塑性树脂选自聚烯烃树脂、热塑性聚酯、聚酰胺类、聚碳酸酯、其他通用树脂或高性能工程塑料中的一种或几种。

经过力学测试，复合背板具有优良的力学特性和迅速的分散吸收撞击力性能。

在复合背板的两侧，顺应复合背板的曲线形式，自背板顶端，平滑向下及两侧延伸出过渡翼板；过渡翼板以相同形式延伸出安装平面，安装平面适应复合背板的曲线形式。

过渡翼板与相邻的复合背板相连，在某个测量点处过渡翼板与复合背板两面的平均锐角β。设置75°≥β≥30°，推荐取30°≤β≤60°。

过渡翼板自顶端延伸至复合背板底部，宽度自上而下顺应曲线，呈平滑增宽趋势，最宽处宽度宽度20cm≥s≥8cm。

过渡翼板的设计重点关注力学包裹性以及由复合板过度至安装平面的刚性和韧性；过度地带，在保证足够的安装平面区域基础上，要尽可能使纤维的转折分段完成角度变化，避免直接的90°折角出现，又能为安装平面提供较好的受力角度。

过渡翼板自所述复合背板顶端向下15-25cm水平位置对应的两边，平滑向下及两侧延伸出安装平面；安装平面自上而下顺应过渡翼板曲线，呈平滑增宽趋势，最宽处宽度宽度16cm≥m≥5cm；不仅形状美观，且可以保护设置在其上的海绵层的边缘，同时也避免设置在其上的海绵层左右移位。安装平面上设置有组合安装孔提供固定；

安装平面大致垂直于复合背板所在平面，与过渡翼板相连。

安装平面的设计重点关注提供最牢固的支撑和固定。

复合背板、过渡翼板、安装平面一体成型构成复合材料座椅靠背骨架。

靠背骨架与座椅底架相连，所述座椅底架包括固定在座椅支撑架上的水平架，所述水平架上设置有与靠背骨架两边上的过渡翼板延伸出的安装平面相适配的下部连接的连接板，所述安装平面下部以及连接板上分别设置有相配合的安装孔和连接孔，紧固件穿过对应侧的安装平面上的安装孔及连接板上的连接孔，将同侧的安装平面与连接板固连为一体，所述紧固件为螺栓、螺钉、插销等。

所述靠背骨架1与竖直方向的夹角范围为20°～30°，优选24°，可使乘客的乘坐姿势更加舒服。

通过上述设计，当汽车紧急制动或制停时，在座椅后方的乘客向前撞击时，后方乘客的头部前倾撞向连续玻璃纤维增强热塑性复合板上部的凹弧段上，同时，后方乘客的其他身体部位前倾撞击在连续玻璃纤维增强热塑性复合板下部的凸弧段上，通过该种特殊曲面结构的靠背骨架，可在其弧形段接受撞击时，迅速将撞击力沿弧面分散开来，以大幅削弱撞击力，保证前排座椅上的乘客的人身安全。而在加速时，座椅背板又能提供贴合的包裹支撑，舒适安全。

而目前座椅骨架主要采用金属管材、钣金件焊接或螺栓连接而成；对于连续玻璃纤维板制成的座椅骨架，依然需要和座椅功能部件进行装配形成完整产品；但复合材料无法与金属焊接，也不能直接采用现成金属的开孔工艺参数。

本发明的另一个目的在于提供一种复合材料板的开孔工艺，其特征在于，该工艺规定了靠背骨架与其他零部件采用螺栓铆接时，需要预制若干安装孔，为了使预制安装孔后的复合材料座椅靠背骨架在安装孔附近的连接固定强度最大，需要针对安装孔和复合材料靠背骨架边缘的最小距离i、任意两个安装孔之间的孔心距离ii、靠背骨架所用板厚t、安装孔直径d的取值范围做出要求。

进一步地，所述的任一安装孔的直径d以及该安装孔距离靠背骨架边缘的最小距离i满足i≥2d，结合座椅设计过程的空间布置要求，优选3d≥i≥2d。

进一步地，任意相邻的两个直径为d1、d2的安装孔之间的孔心间距ii≥2(d1+d2)，结合座椅设计过程的空间布置要求，优选2.5(d1+d2)≥ii≥2(d1+d2)。

进一步地，所述的复合材料靠背骨架板厚30≥t≥15mm，结合汽车座椅骨架强度要求，优选30≥t≥24mm。

进一步地，所述的安装孔直径12≥d≥6mm，结合汽车座椅骨架强度要求以及复合材料预制安装孔后性能，优选10≥d≥8mm。

而复合材料板在模压过程中，边缘部位常会出现分层现象，分层时附近区域的性能会大幅度减弱，因此，需要裁切合适规格的板料，确保产品在所需的尺寸范围内不会受边缘因工艺造成的分层影响，同时也保证尽量节省材料，使得产品在常规板材规格内可以排版下料。

本发明的另一个目的在于解决制成座椅靠背骨架的复合材料板在展开下料时存在的问题。提供一种复合材料板的展开下料工艺，其特征在于，该工艺规定了制成座椅靠背骨架的复合材料板在下料时，首先要保证尽量节省材料，同时需要综合考虑正常的尺寸收缩因素以及因为分层影响所需要特别考虑的整体边缘扩展尺寸。

进一步地，扩展尺寸x与板厚t满足4t≥x≥2.5t，推荐x＝3t。

所述的复合材料座椅靠背骨架板厚30≥t≥15mm，结合汽车座椅骨架强度要求，优选30≥t≥24mm；

可以在板材受力时获得好的拉扯力和固定作用。

本发明上述的复合材料座椅靠背骨架的制备方法包括如下步骤：

1)配料：取聚烯烃树脂、热塑性聚酯、聚酰胺类、聚碳酸酯、其他通用树脂或高性能工程塑料中的一种或几种与连续超高强玻璃纤维和硅烷偶联剂按质量比例配好料。

2)制板：使用常规技术制成单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片；之后根据所需板材厚度t选择合适层数的单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片热压复合形成连续玻璃纤维增强热塑性复合板。

3)切割排版：利用三维造型软件将产品的空间曲面展开成平面内的曲面，展开算法采用汽车行业常用软件catia内置算法；

由得到的平面曲面轮廓进行x增量偏移，x取值范围见正文；

将偏移后的最终轮廓，根据材料利用最大化原则和现有原材料板材的尺寸进行排版，排版时切割轮廓间隙≤3mm，以保证材料利用率，输出切割方案排版图；

4)定制模具：按设计样式、各角度以及靠背骨架参数进行模具定制；

5)骨架成型：将连续玻璃纤维增强热塑性复合板先按照实际产品用量进行下料前的用量计算；

根据计算结果，利用cnc数控加工设备根据排版图进行裁切取料；

将裁切后的料片放入加热设备链式传动电烤炉中在130℃下烘烤10分钟；

将加热后的料片放入模压模具中，分三序加压：预压：要求压力的15％；实压：要求压力的100％；保压：要求压力的110％。持续5秒；产品脱模，修边。

按设计的安装孔的开孔参数进行打孔。

6)座椅安装：按常规方法制成座椅，安装使用。

本发明的有益效果：

本发明的复合材料座椅靠背骨架采用连续玻璃纤维增强热塑性复合材料，质量轻，具有高力学性能，以及较好的阻燃性、抗老化性和耐高温性，综合性能优异，并且价格低，具有较高的性价比。以及由于连续玻璃纤维增强热塑性复合材料这些优良特性，使其尤其适用于汽车座驾，既减轻了重量，厚度降低又能保证安全性能。并且由于复合材料特性，其还能方便造型，设计出曲线形适合人体工学性能背板，贴合身体曲线提供舒适稳定的支撑。还考虑到碰撞形变修正了弧线段的角度，使其能更好的承受冲击力，并提供安全的支撑。但这些性能能够得到足够发挥，基础在于需要得到最大程度的支撑固定，本发明通过设计得出最佳的孔位设计，使得孔既能提供足够稳定的固定，又能发挥出整体骨架的最大受力性能，使得车辆在极限情况时，孔位提供的力足够使得座椅骨架固定并且孔位处或背板材料不会发生断裂。在背板至安装平面的延展中，需要设计过渡翼板配合背板和安装平面的角度和曲线变化。本发明通过设计完美的解决了这些问题。并且相应的还解决了复合材料板胚在制作时在模压过程中，边缘部位常会出现分层现象，分层开始及附近的区域性能会大幅度减弱的技术问题，设计产品所需的尺寸范围内不受边缘因工艺造成的分层影响，同时也保证尽量节省材料，使得产品在常规板材规格内可以排版下料。整个工艺使得制得的复合材料座椅靠背骨架相比于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，从设计到生产都能节约材料，降低生产成本，性能优异，生产简便，制得的复合材料座椅靠背骨架完美适合汽车座椅使用。

附图说明：

图1为复合材料座椅靠背骨架的侧视图、背视图和斜视示意图。

图2为α角的确定。

图3为β角的确定。

图4为安装孔的定位。

图5为下料板的参数示意图

图中：1.复合背板、2.过渡翼板、3.安装平面、4凹弧段、5凸弧段、6安装孔。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面对本发明的内容进行详细的说明。

本发明上述的复合材料座椅靠背骨架的制备方法包括如下步骤：

1)配料：取聚烯烃树脂、热塑性聚酯、聚酰胺类、聚碳酸酯、其他通用树脂或高性能工程塑料中的一种或几种与连续超高强玻璃纤维和硅烷偶联剂按质量比例(40:50:1)配好料；

2)制板：使用常规技术制成单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片；之后根据所需板材厚度t＝25mm选择合适层数的单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片热压复合形成连续玻璃纤维增强热塑性复合板。

3)切割排版：利用三维造型软件将产品的空间曲面展开成平面内的曲面，展开算法采用汽车行业常用软件catia内置算法；

由得到的平面曲面轮廓进行x＝75mm增量偏移；

将偏移后的最终轮廓，根据材料利用最大化原则和现有原材料板材的尺寸进行排版，排版时切割轮廓间隙≤3mm，以保证材料利用率，输出切割方案排版图；

4)定制模具：按设计样式、各角度以及靠背骨架参数进行模具定制。

5)骨架成型：将连续玻璃纤维增强热塑性复合板先按照实际产品用量进行下料前的用量计算；

根据计算结果，利用cnc数控加工设备根据排版图进行裁切取料；

将裁切后的料片放入加热设备链式传动电烤炉在130℃下烘烤10分钟；

将加热后的料片放入模压模具中，分三序加压：预压：要求压力的15％；实压：要求压力的100％；保压：要求压力的110％。持续5秒；产品脱模，修边。

按设计开孔参数进行打孔，骨架成型。

6)座椅安装：按常规方法制成座椅，安装使用。

实施例1：

设计复合材料座椅靠背骨架5°≤α≤10°；s＝20cm；m＝16cm；β＝60°；凹弧段与凸弧段的高度为3:5；所述复合背板高h：100cm，复合背板最宽处为w：65cm。所述靠背骨架由8层的单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片热压复合形成。

按上述参数制得的靠背骨架在gb11550-2009标准的测试条件下进行靠背吸能测试，测试结果为抗冲击力(描述为6.8kg，直径165mm的头型摆锤以24.1km/h的末速度撞击产品测试区域，确保减速度大于80g的作用时间不大于3ms)；在该条件下测试峰值53.1g＜80g。

实施例2：

设计复合材料座椅靠背骨架11°≤α≤15°°；s＝20cm；m＝16cm；β＝45°；凹弧段与凸弧段的高度为3:5；所述复合背板高h：100cm，复合背板最宽处为w：65cm。所述靠背骨架由8层的单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片热压复合形成；

按上述参数制得的靠背骨架在gb11550-2009标准的测试条件下进行靠背吸能测试，测试结果为抗冲击力(描述为6.8kg，直径165mm的头型摆锤以24.1km/h的末速度撞击产品测试区域，确保减速度大于80g的作用时间不大于3ms)；在该条件下测试峰值60.5g＜80g。

对比例1：

设计复合材料座椅靠背骨架16°≤α≤20°；s＝20cm；m＝16cm；β＝90°；凹弧段与凸弧段的高度为2:3；所述复合背板高h：100cm，复合背板最宽处为w：65cm。所述靠背骨架由8层的单向连续玻璃纤维增强热塑性树脂预浸片热压复合形成；

按上述参数制得的靠背骨架在gb11550-2009标准的测试条件下进行靠背吸能测试，测试结果为抗冲击力(描述为6.8kg，直径165mm的头型摆锤以24.1km/h的末速度撞击产品测试区域，确保减速度大于80g的作用时间不大于3ms)；在该条件下测试峰值70.23g＜80g。

对比例2

按市售客车座椅靠背骨架进行11550-2009测试在gb11550-2009标准的测试条件下进行靠背吸能测试，测试结果为抗冲击力(描述为6.8kg，直径165mm的头型摆锤以24.1km/h的末速度撞击产品测试区域，确保减速度大于80g的作用时间不大于3ms)；在该条件下测试峰值76.15g＜80g；

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。