乘用車座椅模態(tài)特性分析及改進(jìn)方向概述

摘 要：本文主要對乘用車座椅模態(tài)特征進(jìn)行測量和分析，為優(yōu)化座椅模態(tài)頻率和進(jìn)一步改進(jìn)座椅舒適性提供一些方向。結(jié)合模態(tài)測試和座椅結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，座椅類似“L”型懸臂結(jié)構(gòu)，其模態(tài)振型的前兩階基本是座椅靠背前后向和橫向的擺動，且結(jié)構(gòu)阻尼影響很小，其模態(tài)頻率大小主要受到質(zhì)量分布及結(jié)構(gòu)剛度影響。依據(jù)座椅模態(tài)特性，通過錘擊測試方法，得出座椅骨架與整椅、座椅質(zhì)量分布、座椅位置、頭枕重量、靠背剛度等設(shè)計(jì)變量對座椅固有頻率的影響，可以為改善座椅模態(tài)頻率以提高整車NVH性能和座椅舒適性給出設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞：座椅結(jié)構(gòu) 模態(tài)特性 錘擊法 固有頻率

1 緒論

隨著汽車領(lǐng)域新能源汽車的比例逐步增長，在去除噪聲源之一的發(fā)動機(jī)后，因失去發(fā)動機(jī)遮蔽效應(yīng)，汽車駕駛室內(nèi)的噪聲也愈發(fā)明顯，汽車座椅作為車內(nèi)最大的部件，也是用戶接觸最多的部件，其NVH性能更是首當(dāng)其沖受到用戶的關(guān)注[1]。NVH性能中座椅振動是用戶身體的第一感受，其可能與整車結(jié)構(gòu)引起的共振問題，也是影響整車NVH性能的重要原因，因此座椅振動性能是座椅設(shè)計(jì)過程中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。而當(dāng)座椅模態(tài)頻率與路面激勵或者發(fā)動機(jī)激勵頻率一致或者相近時(shí)，座椅就會產(chǎn)生振動以及噪聲，座椅模態(tài)頻率與人體器官頻率相近時(shí)，人體便會產(chǎn)生不適、暈車等癥狀。因此提高座椅模態(tài)頻率來錯開激勵頻率和人體頻率，也是座椅NVH性能設(shè)計(jì)需要考慮的重要內(nèi)容。

2 座椅結(jié)構(gòu)及模態(tài)特性

2.1 座椅結(jié)構(gòu)

座椅通常由座椅骨架、頭枕、坐墊、靠背、塑料件以及滑軌、高調(diào)等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。如下圖1所示。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及模態(tài)分析時(shí)，大多數(shù)以骨架為主要對象，這是因?yàn)樽位A(chǔ)部件就是骨架，其他的部件則是安裝在骨架上，同時(shí)座椅質(zhì)量的大部分也是骨架質(zhì)量。因此在分析汽車座椅模態(tài)特性時(shí)，根據(jù)骨架的特征，底部固定在車身上且整體為“L”型，座椅結(jié)構(gòu)類似“L”型懸臂結(jié)構(gòu)，其根部是靠背與坐墊的接合處，如下圖2所示。

將座椅結(jié)構(gòu)簡化為“L”型懸臂結(jié)構(gòu)可以在模態(tài)分析中更好地得到座椅的模態(tài)特征。

2.2 座椅模態(tài)特性分析

機(jī)械系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)一般通過計(jì)算模態(tài)分析或者試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析獲得，本文主要采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，使用力錘激勵座椅，加速度傳感器采集信號，計(jì)算出激勵與響應(yīng)的頻響函數(shù)，得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[3]，具體流程如下圖3。

模態(tài)包括了固有頻率、阻尼比及振型這些動態(tài)特性，是用來描述一個結(jié)構(gòu)的固有屬性。對于機(jī)械系統(tǒng)來說，其振動的動力學(xué)方程可以表達(dá)為[2]：

式中：為質(zhì)量矩陣；

為阻尼矩陣；

為剛度矩陣；

則分別為系統(tǒng)的加速度、速度、位移；

為載荷矩陣。

模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有屬性，與外界的載荷無關(guān)，同時(shí)對于座椅結(jié)構(gòu)而言，其阻尼對座椅的模態(tài)頻率，模態(tài)振型影響很小，因此得到=0，=0，代入方程后結(jié)構(gòu)的自由振動方程可以表達(dá)為：

求解矩陣方程的特征值，最終可以得到自由振動固有頻率為：

座椅結(jié)構(gòu)簡化為“L”型懸臂結(jié)構(gòu)后，其模態(tài)振型也類似懸臂結(jié)構(gòu)的振型，如圖4。

從圖4模態(tài)振型可以看出，座椅前兩階振型分別是座椅靠背在軸向與縱向擺動，并且振型值最大處是座椅頭枕位置，越向下靠近座椅坐墊位置，振型值就越小。

綜上所述，座椅的模態(tài)特性可以概括為模態(tài)頻率只受到結(jié)構(gòu)剛度及質(zhì)量影響，模態(tài)振型則類似“L”型懸臂結(jié)構(gòu)振型。因此在優(yōu)化提升座椅頻率時(shí)，需要注意座椅質(zhì)量分布，座椅靠背剛度，進(jìn)一步分析振型表現(xiàn)，座椅靠背包括頭枕是影響座椅模態(tài)頻率及振型的重要部件?；诖耍梢缘玫较卤?的座椅模態(tài)的主要影響因素并進(jìn)行驗(yàn)證研究。

3 座椅模態(tài)優(yōu)化方向驗(yàn)證

3.1 整椅和骨架對模態(tài)影響

對某MPV項(xiàng)目座椅分別進(jìn)行整椅與骨架模態(tài)測試，在頭枕、靠背、坐墊上分別設(shè)置測點(diǎn)，如圖5所示。

通過測試得到X、Y向模態(tài)，見表2，圖6。

從測試結(jié)果可以看出，整椅和骨架的模態(tài)振型與之前分析一致，坐盆處幾乎不動，在軸向與縱向擺動，骨架模態(tài)頻率一般比整椅模態(tài)頻率高2-5Hz左右，這主要是由于座椅發(fā)泡、面套、塑料件這些覆蓋件使得整椅質(zhì)量增加，但是對座椅剛度沒有改善，所以在優(yōu)化座椅模態(tài)時(shí)，主要對象應(yīng)是座椅骨架，并且應(yīng)針對骨架靠背。

3.2 坐盆質(zhì)量對模態(tài)影響

根據(jù)模態(tài)頻率公式：，

當(dāng)系統(tǒng)質(zhì)量增加時(shí)，模態(tài)頻率會減小，但在對某MPV項(xiàng)目座椅測模態(tài)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，坐墊增加真人負(fù)載、增加腿托機(jī)構(gòu)，質(zhì)量增加后模態(tài)頻率有所提高，測試數(shù)據(jù)見表3。

分析真人負(fù)載時(shí)的載荷可以發(fā)現(xiàn)主要質(zhì)量集中在坐盆，少部分作用在靠背處，如圖7所示。

座椅坐盆處在前兩階振型中幾乎不動，是節(jié)點(diǎn)位置，即使坐盆處質(zhì)量增加，但由于是節(jié)點(diǎn)，對前兩階的模態(tài)影響都有限，但座盆是與車身約束的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量增加在坐盆上會增加座椅的約束剛度，進(jìn)而會提高座椅模態(tài)頻率。

在設(shè)計(jì)時(shí)注重座椅質(zhì)量分布，坐盆質(zhì)量占比大可以有效提高模態(tài)頻率，這也就是常說的座椅重心下降能提高模態(tài)頻率。

3.3 靠背和頭枕質(zhì)量對模態(tài)影響

從座椅前兩階振型可以看出，靠背及頭枕位置的振型值最大，是反節(jié)點(diǎn)位置，在該位置進(jìn)行改動，對座椅的前兩階模態(tài)影響最大。對某乘用車項(xiàng)目座椅骨架搭配不同質(zhì)量頭枕及靠背進(jìn)行模態(tài)測試，如圖8所示。

通過測試得到表4數(shù)據(jù)。

由表4可見，頭枕及靠背質(zhì)量減小可以明顯提高座椅前兩階模態(tài)頻率，兩者成線性關(guān)系，并且頭枕減重的效果優(yōu)于靠背減重效果。

3.4 座椅位置對模態(tài)影響

一般乘用車座椅會帶有滑軌、高調(diào)、靠背等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中滑軌前后、高調(diào)上下是最常用的。通過對某乘用車項(xiàng)目座椅前后上下不同位置進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同位置對模態(tài)也有一定的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

對比滑軌不同位置結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，座椅X向模態(tài)頻率變化不大，Y向模態(tài)頻率隨著滑軌向前移動增大?；壩恢靡妶D9，可以看出，滑軌最后位置時(shí)，內(nèi)軌伸出外導(dǎo)軌，坐墊與靠背連接處也會失去外導(dǎo)軌的Y向約束，剛度降低，而X向約束變化不大。

對比高調(diào)不同位置結(jié)果發(fā)現(xiàn)座椅模態(tài)頻率變化不大，這是因?yàn)楦哒{(diào)位置的改變對座椅質(zhì)量和剛度影響不大。綜上所述，在優(yōu)化座椅模態(tài)時(shí)需要確定滑軌位置，通常會按照座椅設(shè)計(jì)位置或者中間位置來進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。

3.5 靠背剛度對模態(tài)影響

提高座椅靠背剛度可以有效提高座椅模態(tài)頻率，對如圖10靠背骨架進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，得到結(jié)果見表6。

從數(shù)據(jù)可以看出，增加靠背支撐支架后，Y向頻率有一定的提高，X向頻率無明顯變化。增加支架后雖然靠背剛度有加強(qiáng)，但同時(shí)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量也在增加，使得Y向頻率提升不明顯。在優(yōu)化時(shí)應(yīng)考慮提高的質(zhì)量大還是增加的剛度大，避免出現(xiàn)加強(qiáng)剛度后模態(tài)減小的情況。

4 結(jié)語

通過對座椅結(jié)構(gòu)分析，得到座椅模態(tài)頻率只受到結(jié)構(gòu)剛度及質(zhì)量影響，模態(tài)振型則類似“L”型懸臂結(jié)構(gòu)振型，前兩階振型分別是座椅靠背在軸向與縱向擺動，同時(shí)使用試驗(yàn)?zāi)B(tài)驗(yàn)證，提出了優(yōu)化座椅模態(tài)的方向，結(jié)論如下。

座椅基礎(chǔ)部件是骨架，模態(tài)優(yōu)化主要對象應(yīng)為座椅骨架，座椅發(fā)泡、面套等覆蓋件為次要對象。通過整椅和骨架試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)骨架模態(tài)頻率一般比整椅模態(tài)頻率高2-5Hz左右。

座椅坐盆負(fù)載時(shí)模態(tài)頻率會因約束剛度的加強(qiáng)而增加，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把握座椅質(zhì)量分布以及整體重心。

座椅頭枕是振型反節(jié)點(diǎn)位置，可以充分減少頭枕質(zhì)量來提升模態(tài)頻率，且頭枕減重的效果優(yōu)于靠背減重效果。

座椅滑軌不同位置會影響Y向約束剛度進(jìn)而影響模態(tài)，需要確定座椅的位置來進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化。

剛度優(yōu)化的部位要充分評估，避免出現(xiàn)增加的質(zhì)量貢獻(xiàn)量大過剛度貢獻(xiàn)量，使得模態(tài)頻率不增反降。

綜上所述，模態(tài)優(yōu)化從座椅質(zhì)量出發(fā)更加有效經(jīng)濟(jì)，其中減少頭枕及靠背質(zhì)量效果明顯；剛度優(yōu)化的同時(shí)需要考慮質(zhì)量的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈旭，任延靜，畢凱，等.動車組客室座椅模態(tài)特性及其優(yōu)化策略[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2021，50（05）：79-82.

[2]王克飛，彭閃閃，李龍.基于有限元方法的汽車座椅模態(tài)分析與優(yōu)化[J].荊楚理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，37（03）：1-6+41.

[3]胡俊.六向汽車座椅的模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].溫州：溫州大學(xué)，2021.