基于多自由度振動試驗臺的汽車座椅舒適性研究

宋超博，鄭國龍，岳春爽，宋敬昆

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司 天津300300)

0 引 言

隨著汽車的普及以及人們對汽車認識的不斷加深，汽車已不僅僅是一個代步工具，乘客對其舒適性也提出了更高的要求。對于汽車制造商來說，如何提高汽車的舒適性也成為了一項重要的課題。這是因為汽車座椅的舒適性直接關(guān)系著整車的舒適性[1-2]，所以研究座椅特性對整車舒適性的提高來說有著十分重要的意義。

座椅的振動是由于車輛的振動引起的[3]，該振動激勵通過座椅底座的機械結(jié)構(gòu)傳遞到坐墊，最后傳遞到坐墊上方，振動通過這一傳遞過程被乘客或者駕駛員所感知，因此座椅坐墊的傳遞率可作為座椅特性的一項指標[4]。本文通過 MAST試驗臺對座椅提供振動激勵，測試同一座椅在不同激勵以及相同激勵不同載荷下的傳遞率，為座椅舒適性的開發(fā)提供思路以及數(shù)據(jù)支持。

1 座椅傳遞率測試試驗

1.1 試驗前準備

國內(nèi)外對于座椅振動傳遞性的測試已有經(jīng)驗，如利用液壓伺服試驗臺、電磁試驗臺等進行測試，得到了十分有價值的實驗數(shù)據(jù)。

本文利用 MTS公司 MAST試驗臺對某品牌汽車的副駕駛座椅進行傳遞率測試試驗。該試驗臺臺面大小為 2m×2m，振動頻率范圍為 0～150Hz，最大加速度為±15gn，臺架自由度為X、Y、Z，繞X繞Y繞 Z 6個自由度，完全滿足座椅傳遞率試驗的要求，試驗中為了減小輸入誤差，座椅與試驗臺面采用一體式工裝連接(圖 1—圖 3)，最大限度地保證了輸入精度。

圖1 試驗工裝Fig.1 Experimental tooling

圖2 坐墊傳感器位置Fig.2 Position of cushion sensor

圖3 滑軌傳感器位置Fig.3 Location of slide rail sensor

1.2 激勵輸入

本文的輸入激勵建立在相對較平緩的路面上，遇到較大的顛簸，平順性再好的汽車，舒適性再好的座椅也無濟于事[5-6]。

輸入激勵為振動頻率 50Hz內(nèi)加速度 RMS(均方根)分別為 0.03、0.05、0.1gn的隨機路譜(圖 4)。

圖4 0.1g均方根加速度輸入Fig.4 0.1g RMS acceleration input

2 試驗結(jié)果分析

為了驗證輸入激勵的精確性，本文在座椅滑軌上設(shè)置了傳感器，通過對比臺面信號與座椅滑軌信號的響應(yīng)，來驗證激勵輸入的精確性(圖5)。

圖5 輸入一致性對比Fig.5 Comparison of input consistency

由圖可以看出，試驗臺臺面信號與座椅滑軌信號基本一致。

2.1 相同載荷不同加速度對比

試驗過程中將坐墊處采集到的時域信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號，用于振動傳遞率的計算，傅里葉公式為：

式中：F(ω)為 f(t)的像函數(shù)，f(t)為F(ω)的像原函數(shù)。

座椅振動傳遞率的計算公式如下：

式中：Vs為座椅傳遞率，fc為座椅坐墊頻域信號，fb為座椅靠背頻域信號，ft為臺面振動頻域信號。

X向振動時，在 0.03gn加速度下，5.5Hz時傳遞率最大，最大傳遞率為 1.2。加速度為 0.05gn時，5.5Hz時傳遞率最大，最大傳遞率為 1.15。加速度為0.1gn時，4.5Hz時傳遞率最大，最大傳遞率為0.8(圖6—圖 8)。

圖6 坐墊X向傳遞率Fig.6 X-direction transmissibility of seat cushion

圖7 坐墊Y向傳遞率Fig.7 Y-direction transmissibility of seat cushion

圖8 坐墊Z向傳遞率Fig.8 Z-direction transmissibility of seat cushion

表1 坐墊在不同加速度下的傳遞率Tab.1 Transmissibility of cushion under different accelerations

可以看出隨著加速度的升高其座椅的共振頻率逐漸降低，X方向和 Z方向的傳遞率也逐漸降低，而Y方向的傳遞率隨著加速度的增加有略微的升高，這是由于座椅的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，座椅的支撐結(jié)構(gòu)以及固定方式導(dǎo)致在做 Y向振動時座椅的振動方向以及受力垂直于固定軸線(表1)。

2.2 相同加速度不同載荷對比

為了更真實地模擬實車載荷，我們找到體重為55kg、95kg的志愿者為座椅配載(圖9—圖11)。

以X向為例，X向振動時，55kg載荷在振動頻率為 5.5Hz時傳遞率最大，最大傳遞率為 1.2(圖 9)。95kg載荷在 3.25Hz時傳遞率最大，最大傳遞率為1.26。

圖9 坐墊X向傳遞率Fig.9 X-direction transmissibility of seat cushion

圖10 坐墊Y向傳遞率Fig.10 Y-direction transmissibility of seat cushio

圖11 坐墊Z向傳遞率Fig.11 Z-direction transmissibility of seat cushion

95kg載荷的共振頻率低于55kg載荷(表2)。這是由于載荷升高后，座椅系統(tǒng)的頻率升高，而座椅的物理結(jié)構(gòu)沒有變化，所以隨著載荷的升高共振頻率有所降低，而傳遞率呈現(xiàn)相反的趨勢由于座椅坐墊是“海綿”結(jié)構(gòu)，外加載荷的增大導(dǎo)致坐墊壓縮，其密度亦增大，坐墊的海綿結(jié)構(gòu)更加緊實，給予激勵后臺架的振動在坐墊上的映射更加真實。

表2 坐墊在不同載荷下的傳遞率Tab.2 Transmissibility of cushion under different loads

3 結(jié) 語

本次試驗針對相同載荷不同加速度和相同加速度不同載荷工況下的座椅傳遞率進行了試驗以及分析，試驗表明隨著加速度增大坐墊上的共振頻率逐漸降低，X和 Z方向的傳遞率會降低，Y方向由于座椅與底座連接部分機械結(jié)構(gòu)的特點，傳遞率會逐漸增加。隨著載荷的增大，坐墊上的共振頻率會逐漸降低，傳遞率由于其坐墊的材料特性會逐漸增大。

汽車座椅的共振頻率會隨著輸入激勵的加速度以及載荷質(zhì)量發(fā)生偏移，而要完全避開輸入激勵的共振頻率是難以實現(xiàn)的。因此，為了滿足乘坐舒適性，在汽車座椅系統(tǒng)的設(shè)計中更需結(jié)合車型的常用路況對座椅進行優(yōu)化，使其固有頻率盡量避開常用路況的激勵頻率。