一種汽車(chē)座椅模態(tài)測(cè)試布點(diǎn)方法的研究

李旭偉 田程 王純

中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心 天津市 300300

汽車(chē)座椅是司機(jī)和乘客與汽車(chē)接觸最多的部件，其性能的優(yōu)劣直接影響人們對(duì)整車(chē)的評(píng)價(jià)。隨著人們對(duì)汽車(chē)品質(zhì)要求的不斷提高，座椅的舒適性越來(lái)越受到汽車(chē)企業(yè)和廣大消費(fèi)者的關(guān)注。除了對(duì)座椅的面料選擇和耐磨程度、自動(dòng)化調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)、加熱形式等功能性的需求外，汽車(chē)座椅的動(dòng)態(tài)性能也被提上研發(fā)日程，如座椅的振動(dòng)衰減性能、振動(dòng)異響和共振特性等，其中座椅的振動(dòng)異響檢測(cè)需要使用專門(mén)的靜音振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而振動(dòng)衰減和共振特性既可以通過(guò)專用振動(dòng)設(shè)備也可以使用一般的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合傳感器來(lái)測(cè)試。

針對(duì)汽車(chē)座椅舒適性的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)都進(jìn)行了大量的研究和分析。大連大學(xué)李玉光教授使用軟件仿真的方法對(duì)座椅結(jié)構(gòu)骨架進(jìn)行了模態(tài)分析，計(jì)算出了模態(tài)頻率并提取出模態(tài)振型，與部分人體器官頻率相比較，指出發(fā)生共振和影響人體不適的原因[1]。長(zhǎng)城汽車(chē)王海濤等人使用試驗(yàn)的方法測(cè)試出座椅模態(tài)頻率，找出了汽車(chē)座椅產(chǎn)生抖動(dòng)的原因，并使用軟件仿真的方法對(duì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出了改進(jìn)方案，并經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試徹底解決了座椅抖動(dòng)的問(wèn)題[2]。朱曉慶對(duì)城市客車(chē)座椅進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)分析，并且包含了自由和約束兩種狀態(tài)，驗(yàn)證了仿真和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性[3]。中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心在汽車(chē)座椅舒適性方面也投入了大量的人力物力，在座椅顛簸蠕動(dòng)、剛度強(qiáng)度、功能耐久等試驗(yàn)項(xiàng)目積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)目前國(guó)內(nèi)座椅舒適性研究的薄弱環(huán)節(jié)，提出基于中國(guó)人體特征的汽車(chē)座椅舒適性研究及數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，為廣大企業(yè)產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。

1 座椅的模態(tài)測(cè)試需求

對(duì)于汽車(chē)座椅的模態(tài)試驗(yàn)，一般都是為了研究避開(kāi)共振頻率，所以要求測(cè)試座椅模態(tài)頻率的試驗(yàn)占大多數(shù)，少數(shù)試驗(yàn)會(huì)要求測(cè)試模態(tài)振型，可以用來(lái)與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，因?yàn)樵囼?yàn)可以將整個(gè)座椅的細(xì)節(jié)特征乃至非線性材料都考慮在內(nèi)，但是計(jì)算仿真很難包含結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，如標(biāo)準(zhǔn)件、電器元件、焊縫、電機(jī)等，而座椅面料以及海綿等具有明顯非線性特征的材料參數(shù)更是難以獲得。因此要驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)是最好的方法，而模態(tài)仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)的兩個(gè)最基本的項(xiàng)目就是頻率和振型，只有兩個(gè)結(jié)果都相對(duì)應(yīng)才能說(shuō)明仿真結(jié)果的有效性。

一般研發(fā)部門(mén)在整車(chē)的開(kāi)發(fā)階段就對(duì)車(chē)身、儀表板、座椅、方向盤(pán)、動(dòng)力系統(tǒng)和白車(chē)身等設(shè)定了模態(tài)頻率的要求，目的就是將其固有頻率與汽車(chē)存在的激勵(lì)頻率避開(kāi)，并使之與外界激勵(lì)、關(guān)聯(lián)系統(tǒng)以及局部結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行解耦。座椅與人體接觸面積最大，是影響汽車(chē)舒適性的關(guān)鍵部件，其動(dòng)態(tài)特性尤為重要，本文以汽車(chē)座椅模態(tài)試驗(yàn)為例，對(duì)其模態(tài)頻率和振型進(jìn)行測(cè)試分析，研究模態(tài)測(cè)點(diǎn)的布置和獲得座椅整體振型的試驗(yàn)方法。

2 模態(tài)測(cè)點(diǎn)的布置

汽車(chē)座椅模態(tài)頻率測(cè)試傳感器的布置可以選擇頭枕?xiàng)U也可以在靠背骨架，頭枕?xiàng)U的優(yōu)勢(shì)在于不用破壞座椅整體結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是頭枕?xiàng)U易滑動(dòng)，其設(shè)計(jì)的限位固定結(jié)構(gòu)可能無(wú)法滿足傳感器黏貼和激勵(lì)點(diǎn)選擇的需要。

靠背骨架是模態(tài)測(cè)試過(guò)程中傳感器布置最多的部位，其優(yōu)點(diǎn)是傳感器位置可選擇性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢固，可以多點(diǎn)布置，缺點(diǎn)是需要破壞座椅的整體面料，布置傳感器的地方需要將表面材料以及海綿等軟結(jié)構(gòu)剖開(kāi)露出結(jié)構(gòu)骨架才行。此外，如果想得到座椅的模態(tài)振型，則不可避免的要在靠背骨架之上布置傳感器才能顯示出整體振型。

本文以司機(jī)座椅總成為測(cè)試對(duì)象，為了將座椅模態(tài)頻率和模態(tài)振型同時(shí)得到，不僅在座椅靠背布置了傳感器，在其導(dǎo)軌下方的支撐結(jié)構(gòu)上也布置了傳感器，如圖1所示。為了能夠更好的將座椅輪廓和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來(lái)，整個(gè)座椅共包含了22個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中靠背布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，坐墊骨架和支撐結(jié)構(gòu)布置了12個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)之間的間距在150mm左右。

圖1 座椅骨架布點(diǎn)圖

3 座椅模態(tài)頻率和振型

本文使用錘擊法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，利用西門(mén)子LMS的數(shù)采設(shè)備和分析軟件，使用業(yè)內(nèi)比較著名的美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的力錘和三向加速度傳感器進(jìn)行激勵(lì)和響應(yīng)采集。數(shù)據(jù)采集帶寬為0到256Hz，頻率分辨率1Hz，所有測(cè)點(diǎn)分兩批測(cè)試完成，獲取系統(tǒng)的頻響函數(shù)，通過(guò)模態(tài)識(shí)別法確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

測(cè)試過(guò)程中將座椅固定到鐵地板上實(shí)現(xiàn)實(shí)車(chē)約束的狀態(tài)，座椅靠背和滑軌調(diào)節(jié)到常用設(shè)計(jì)位置。為避免激勵(lì)點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)而漏掉某個(gè)模態(tài)頻率，共選擇了4個(gè)靠背的測(cè)點(diǎn)和3個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)，分別在水平的兩個(gè)方向進(jìn)行激勵(lì)，每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)敲擊5次。本文截取了座椅100Hz以內(nèi)的模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1所示，共包含了6個(gè)模態(tài)階次，其中前兩階模態(tài)是比較關(guān)心的整體模態(tài)，是舒適性設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的頻率，后續(xù)需要與發(fā)動(dòng)機(jī)等激勵(lì)源進(jìn)行避頻設(shè)計(jì)。本文在對(duì)所有測(cè)點(diǎn)測(cè)試完成后，在頭枕?xiàng)U也布置了一個(gè)傳感器進(jìn)行了模態(tài)頻率的測(cè)試，得到了頻響函數(shù)曲線。又從10個(gè)靠背測(cè)點(diǎn)中，選擇了靠背激勵(lì)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻響函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)頭枕?xiàng)U和單個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)中顯示的模態(tài)頻率與表1中的模態(tài)頻率一一對(duì)應(yīng)，可以滿足測(cè)試模態(tài)頻率的需要。

通過(guò)對(duì)模態(tài)振型的分析發(fā)現(xiàn)，座椅總成支撐結(jié)構(gòu)骨架的振型在分析帶寬內(nèi)均為整體振型，運(yùn)動(dòng)方向一致性好，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)剛度大，沒(méi)有局部模態(tài)被激勵(lì)起來(lái)。而靠背在同樣帶寬內(nèi)出現(xiàn)了一階局部模態(tài)，相比之下此處結(jié)構(gòu)偏弱。座椅整體的前兩階模態(tài)振型可以看成是類(lèi)似懸臂梁第一階振型，因?yàn)樽慰勘车脑O(shè)計(jì)和安裝方式與其類(lèi)似，因此靠背在左右和前后方向存在前兩階擺動(dòng)振型，而支撐結(jié)構(gòu)骨架在前兩階振型的幅值較小，后續(xù)模態(tài)振型中支撐骨架的振型才相對(duì)突顯出來(lái)，但靠背在這些模態(tài)振型中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。

表1 座椅模態(tài)頻率和振型

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)座椅總成進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，得到了關(guān)注的模態(tài)頻率和振型，并總結(jié)了如下結(jié)論：

（1）只測(cè)試座椅模態(tài)頻率，選取單個(gè)測(cè)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)，若要得到座椅的整體模態(tài)振型，需要在靠背和所關(guān)心區(qū)域布置更多的測(cè)點(diǎn)才可以；

（2）此類(lèi)座椅支撐結(jié)構(gòu)剛度較大，振型一致性較好，可以相應(yīng)減少布點(diǎn)個(gè)數(shù)，節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間；

（3）由于座椅下部固定的約束方式和靠背結(jié)構(gòu)的原因，座椅整體的前兩階模態(tài)振型基本都是靠背在前后和左右方向的擺動(dòng)振型。

汽車(chē)座椅模態(tài)只是座椅舒適性研究的一個(gè)方面，還涉及振動(dòng)異響、壓力分布、減振彈簧以及發(fā)泡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方方面面，是一個(gè)系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域，需要各種學(xué)科設(shè)計(jì)者的共同參與才能實(shí)現(xiàn)。

振動(dòng)異響的研究是目前NVH領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也是提升汽車(chē)品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，特別是隨著座椅功能的增多，異響問(wèn)題也會(huì)突顯，而仿真軟件很難實(shí)現(xiàn)對(duì)異響進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算分析，試驗(yàn)測(cè)試仍然是發(fā)現(xiàn)和解決異響問(wèn)題的主要手段，后續(xù)將著重研究座椅異響問(wèn)題，找出解決異響的現(xiàn)實(shí)方法。