一种基于FSAE的碳纤维座椅设计与加工方法

技术领域

本发明属于人机工程及设备加工领域，具体指代一种基于FSAE的碳纤维座椅设计与加工方法。

背景技术

随着科技的不断发展，竞技方式也在逐渐的改变。大学生方程式赛车在不断的发展过程中迎来了大量大学生的追捧。随着赛事的不断升级，车辆性能的进一步提升迎来了大量难题。为了进一步提升车辆的行驶性能，在保证车手安全性的前提下，对车辆本身进行轻量化是提升车辆行驶性能的关键技术。在保证轻量化的同时，座椅是否能够完美的贴合驾驶员身材在驾驶过程中的起着保护车手的根本性作用。在竞技比赛中往往面临着大量的急转和大弯道转弯工况，在此类工况下，如果座椅不能完美的对车手身材进行贴合，往往会出现车手频繁撞击座椅的现象，会对车手产生极大的损伤。

在加工方法上，传统的开模往往需要耗费大量资金，且不能确保对于每个车手的量身定做，因此在制作方法与加工工艺上需要一种能够完美贴合车手身材且不浪费过多资源的加工方法。

现有中国发明专利申请号CN201721280202.1中提到了一种赛车中的座椅，在其中提到了座椅护腰等设施对于车手的保护，然而采用此类保护措施，在激烈的赛事过程中仍然会存在车手与座椅之间的碰撞。因此，想要对车手更好地保护需要基于人机工程开发适宜不同车手的座椅，以完全符合车手身材和驾驶习惯。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于FSAE的碳纤维座椅设计与加工方法，以解决现有技术中传统座椅设计方法不能满足车手身材，且质量过重的问题。本发明在加工方法上减少了开模费用，利用廉价的模型材料实现座椅的定制化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于FSAE的碳纤维座椅设计与加工方法，步骤如下：

步骤1）：搭建人机实验测试平台，对车手身材和舒适驾驶姿势进行测量；

步骤2）：根据车手身材和舒适驾驶姿势对假人进行建模；

步骤3）：根据所得假人模型和车手舒适驾驶姿势，建立座椅模型与座椅阴模模型；

步骤4）：将座椅阴模模型沿Y方向切分，间隔保留切分图纸；

步骤5）：根据上述图纸，切割方形木板并在相邻木板中填充易打磨材料，得到座椅阴模；

步骤6）：根据上述所得座椅阴模，使驾驶车手在模具中感知驾驶舒适度，根据车手反馈对模型进行修改，并同时对座椅阴模打磨修改，使模具完全贴合车手舒适驾驶姿势；

步骤7）：根据打磨后的座椅阴模进行翻模以得到座椅阳模，并在座椅阳模上利用碳纤维布、强芯毡、环氧树脂进行碳纤维座椅制作；

步骤8）：利用真空机使模具与座椅保持负压，并等待固定后脱模与打磨毛边。

优选的，所述步骤1）中所测量的驾驶员舒适驾驶姿势中的姿态信息包括：H点位置、背部支撑面角度、腿部支撑面角度和座椅宽度。

优选的，所述步骤2）中具体包括：利用三维绘图软件CATIA根据车手身材和舒适坐姿对假人进行建模，建模过程中的参数设定参照人机数据与赛事规则，包括：假人脚底板与踏板位置进行测量保证车手使用的便捷性、假人腰部和腿部弯曲程度按照人机参数改正保证未来行驶中的贴合性。

优选的，所述步骤3）中建立座椅模型具体过程如下：利用人机参数在空间坐标中建立H点坐标，并利用座椅背部支撑面角度，腿部支撑面角度建立对应角度射线，利用倒角工具对两段线段连接点导直径为300mm的圆角，利用人机数据确定拉伸宽度、背面倚靠面长度和腿部支撑面长度，并对腿部支撑面尾部翻边和平滑处理；根据车手身体宽度对座椅左右两侧翻边处理，确保包裹性需求；对座椅中的其他尖点倒角处理以满足后续加工需求；座椅阴模建立过程即利用座椅外表面分割长方体模型，得到所需阴模。

优选的，所述步骤4）中的分割过程为：将已经获得的座椅阴模模型沿着Y轴方向间隔30mm取截面，并将截面沿Y轴排序。

优选的，所述步骤5）中的易打磨材料选为石灰粉。

优选的，所述步骤6）中根据车手反馈对模型进行修改包括：座椅两侧是否可以完全包裹住车手的腰部、座椅的腿部支撑面是否能够贴合的给予车手腿部支撑和背部支撑面的角度是否符合车手长时间驾驶舒适姿势。

优选的，所述步骤7）具体包括：座椅阳模制造过程中，在阳模与阴模之间使用脱模剂，碳纤维座椅采用三层碳纤维布，将强芯毡加于碳纤维布中间，利用环氧树脂进行胶固。

优选的，所述步骤8）中利用真空机对座椅固定形状期间所需要保持的负压不小于-70kpa。

本发明的有益效果：

与传统生产制造相比，本发明摒弃了大成本开模，流水线生产的流程，针对赛车专用车手设计赛车专用座椅，在结构上能够给予驾驶车手在行驶过程中的足够的支撑。此外，在材料上采用碳纤维材料，在保证座椅质量要求的前提下极大的减轻了座椅的重量，为车辆系统整体轻量化做出了一定的贡献，使赛车在加速性能和燃油经济性上都有了极大的提升。最后，由于碳纤维材料高硬度的性能表现，在赛车出现安全事故中可以为车手提供良好的生存空间，保证车手不会因为挤压而受到伤害。

附图说明

图1为碳纤维座椅的设计加工方法流程示意图。

图2 为碳纤维座椅阴模切分示意图。

图3 为碳纤维座椅阴模结构示意图。

图4为碳纤维座椅结构示意图。

图5为仿真假人在座椅中距离踏板位置示意图。

图6为碳纤维座椅在整车中的安装示意图。

图7为碳纤维座椅A部分局部结构放大示意图。

图8为碳纤维座椅B部分局部结构放大示意图。

图中，1-阴模剖面；2-背部支撑面；3-肩部束缚面；4-臀部包裹面；5-腿部支撑面；6-腰部束缚面；7-座椅上部安装点；8-座椅下部安装点；9-油门踏板；10-制动踏板；11-假人模型；12-座椅上部安装吊耳；13-座椅下部安装吊耳。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图2-8所示，本发明提供一种基于FSAE的碳纤维座椅设计与加工方法，所述的碳纤维座椅包括：背部支撑面2，背部支撑面2的上端左右两侧连接肩部束缚面3，背部支撑面2的下端左右两侧连接腰部支撑面6，背部支撑面2的下端连接臀部包裹面4，臀部包裹面4的下端连接腿部支撑面5，腿部支撑面5中装有座椅下部安装点8，座椅下部安装点8连接座椅下部安装吊耳13，背部支撑面2中装有座椅上部安装点7，座椅上部安装点7连接座椅上部安装吊耳12。

碳纤维座椅根据座椅模具加工制作，座椅阴模通过多层阴模坡面1叠加加工，座椅在FSAE赛车车架中定位由假人模型11，油门踏板9和制动踏板10联合标定。

参照图1所示，方法步骤如下：

步骤1）：搭建人机实验测试平台，对车手身材和舒适驾驶姿势进行测量；

所测量的驾驶员舒适驾驶姿势中的姿态信息包括：H点位置、背部支撑面2角度、腿部支撑面5角度和座椅宽度。

步骤2）：根据车手身材和舒适驾驶姿势创建假人模型11；

利用三维绘图软件CATIA人机工程学设计与分析模块根据车手身材和舒适坐姿创建假人模型11，建模过程中的参数设定参照人机数据与赛事规则，包括：假人脚底板与油门踏板9，制动踏板10位置进行测量保证车手使用的便捷性、假人腰部和腿部弯曲程度按照人机参数改正保证未来行驶中的贴合性。

步骤3）：根据所得假人模型11和车手舒适驾驶姿势，建立座椅模型与座椅阴模模型；

建立座椅模型具体过程如下：利用人机参数在空间坐标中建立H点坐标，并利用座椅背部支撑面2角度，腿部支撑面5角度建立对应角度射线，利用倒角工具对两段线段连接点导直径为300mm的圆角，利用人机数据确定拉伸宽度、背部支撑面2长度和腿部支撑面5长度，并对腿部支撑面5尾部翻边和平滑处理；根据车手身体宽度对座椅左右两侧翻边处理，确保包裹性需求；对座椅中的其他尖点倒角处理以满足后续加工需求；座椅阴模建立过程即利用座椅外表面分割长方体模型，得到所需阴模。

步骤4）：将座椅阴模模型沿Y方向切分，间隔保留切分图纸；

分割过程为：将已经获得的座椅阴模模型沿着Y轴方向间隔30mm取阴模剖面1，并将阴模剖面1沿Y轴排序。

步骤5）：根据上述图纸，切割方形木板并在相邻木板中填充易打磨材料（可以选用石灰粉），得到座椅阴模；

步骤6）：根据上述所得座椅阴模，使驾驶车手在模具中感知驾驶舒适度，根据车手反馈对模型进行修改，并同时对座椅阴模打磨修改，使模具完全贴合车手舒适驾驶姿势；

根据车手反馈对模型进行修改包括：座椅两侧腰部束缚面6是否可以完全包裹住车手的腰部、座椅的腿部支撑面5是否能够贴合的给予车手腿部支撑和背部支撑面2的角度是否符合车手长时间驾驶舒适姿势。

步骤7）：根据打磨后的座椅阴模进行翻模以得到座椅阳模，并在座椅阳模上利用碳纤维布、强芯毡、环氧树脂进行碳纤维座椅制作；

座椅阳模制造过程中，为避免阳模在脱落过程中和阴模产生过多粘连影响阳模的整体性，制备过程中在阳模与阴模之间使用脱模剂，如硬脂酸锌。碳纤维座椅采用三层碳纤维布，将强芯毡加于碳纤维布中间，利用环氧树脂进行胶固。

步骤8）：利用真空机使模具与座椅保持负压，并等待固定后脱模与打磨毛边；利用真空机对座椅固定形状期间所需要保持的负压不小于-70kpa。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。