一種汽車座椅模態測試布點方法的研究

李旭偉 田程 王純

中國汽車技術研究中心 天津市 300300

汽車座椅是司機和乘客與汽車接觸最多的部件，其性能的優劣直接影響人們對整車的評價。隨著人們對汽車品質要求的不斷提高，座椅的舒適性越來越受到汽車企業和廣大消費者的關注。除了對座椅的面料選擇和耐磨程度、自動化調節設計、加熱形式等功能性的需求外，汽車座椅的動態性能也被提上研發日程，如座椅的振動衰減性能、振動異響和共振特性等，其中座椅的振動異響檢測需要使用專門的靜音振動試驗臺來實現，而振動衰減和共振特性既可以通過專用振動設備也可以使用一般的振動數據采集設備配合傳感器來測試。

針對汽車座椅舒適性的設計開發，科研機構和相關企業都進行了大量的研究和分析。大連大學李玉光教授使用軟件仿真的方法對座椅結構骨架進行了模態分析，計算出了模態頻率并提取出模態振型，與部分人體器官頻率相比較，指出發生共振和影響人體不適的原因[1]。長城汽車王海濤等人使用試驗的方法測試出座椅模態頻率，找出了汽車座椅產生抖動的原因，并使用軟件仿真的方法對骨架結構進行優化，提出了改進方案，并經過實車測試徹底解決了座椅抖動的問題[2]。朱曉慶對城市客車座椅進行了仿真和試驗分析，并且包含了自由和約束兩種狀態，驗證了仿真和試驗結果的準確性和一致性[3]。中國汽車技術研究中心在汽車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、剛度強度、功能耐久等試驗項目積累了大量的經驗，并針對目前國內座椅舒適性研究的薄弱環節，提出基于中國人體特征的汽車座椅舒適性研究及數據庫開發項目，為廣大企業產品的優化改進提供依據。

1 座椅的模態測試需求

對于汽車座椅的模態試驗，一般都是為了研究避開共振頻率，所以要求測試座椅模態頻率的試驗占大多數，少數試驗會要求測試模態振型，可以用來與有限元仿真結果進行對標，因為試驗可以將整個座椅的細節特征乃至非線性材料都考慮在內，但是計算仿真很難包含結構的細節，如標準件、電器元件、焊縫、電機等，而座椅面料以及海綿等具有明顯非線性特征的材料參數更是難以獲得。因此要驗證仿真結果的準確性，試驗是最好的方法，而模態仿真與試驗對標的兩個最基本的項目就是頻率和振型，只有兩個結果都相對應才能說明仿真結果的有效性。

一般研發部門在整車的開發階段就對車身、儀表板、座椅、方向盤、動力系統和白車身等設定了模態頻率的要求，目的就是將其固有頻率與汽車存在的激勵頻率避開，并使之與外界激勵、關聯系統以及局部結構的模態進行解耦。座椅與人體接觸面積最大，是影響汽車舒適性的關鍵部件，其動態特性尤為重要，本文以汽車座椅模態試驗為例，對其模態頻率和振型進行測試分析，研究模態測點的布置和獲得座椅整體振型的試驗方法。

2 模態測點的布置

汽車座椅模態頻率測試傳感器的布置可以選擇頭枕桿也可以在靠背骨架，頭枕桿的優勢在于不用破壞座椅整體結構，試驗過程操作簡單方便，缺點是頭枕桿易滑動，其設計的限位固定結構可能無法滿足傳感器黏貼和激勵點選擇的需要。

靠背骨架是模態測試過程中傳感器布置最多的部位，其優點是傳感器位置可選擇性強，結構牢固，可以多點布置，缺點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構剖開露出結構骨架才行。此外，如果想得到座椅的模態振型，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。

本文以司機座椅總成為測試對象，為了將座椅模態頻率和模態振型同時得到，不僅在座椅靠背布置了傳感器，在其導軌下方的支撐結構上也布置了傳感器，如圖1所示。為了能夠更好的將座椅輪廓和關鍵結構呈現出來，整個座椅共包含了22個測點，其中靠背布置10個測點，坐墊骨架和支撐結構布置了12個測點，測點之間的間距在150mm左右。

圖1 座椅骨架布點圖

3 座椅模態頻率和振型

本文使用錘擊法進行模態測試，利用西門子LMS的數采設備和分析軟件，使用業內比較著名的美國PCB公司生產的力錘和三向加速度傳感器進行激勵和響應采集。數據采集帶寬為0到256Hz，頻率分辨率1Hz，所有測點分兩批測試完成，獲取系統的頻響函數，通過模態識別法確定結構的模態參數。

測試過程中將座椅固定到鐵地板上實現實車約束的狀態，座椅靠背和滑軌調節到常用設計位置。為避免激勵點位于結構的節點而漏掉某個模態頻率，共選擇了4個靠背的測點和3個支撐結構的測點，分別在水平的兩個方向進行激勵，每個激勵點敲擊5次。本文截取了座椅100Hz以內的模態數據進行分析，如表1所示，共包含了6個模態階次，其中前兩階模態是比較關心的整體模態，是舒適性設計重點關注的頻率，后續需要與發動機等激勵源進行避頻設計。本文在對所有測點測試完成后，在頭枕桿也布置了一個傳感器進行了模態頻率的測試，得到了頻響函數曲線。又從10個靠背測點中，選擇了靠背激勵點的傳感器數據進行了頻響函數分析，發現頭枕桿和單個測點的頻響函數中顯示的模態頻率與表1中的模態頻率一一對應，可以滿足測試模態頻率的需要。

通過對模態振型的分析發現，座椅總成支撐結構骨架的振型在分析帶寬內均為整體振型，運動方向一致性好，說明此結構剛度大，沒有局部模態被激勵起來。而靠背在同樣帶寬內出現了一階局部模態，相比之下此處結構偏弱。座椅整體的前兩階模態振型可以看成是類似懸臂梁第一階振型，因為座椅靠背的設計和安裝方式與其類似，因此靠背在左右和前后方向存在前兩階擺動振型，而支撐結構骨架在前兩階振型的幅值較小，后續模態振型中支撐骨架的振型才相對突顯出來，但靠背在這些模態振型中仍然占據主導地位。

表1 座椅模態頻率和振型

4 結語

本文通過對座椅總成進行模態試驗，得到了關注的模態頻率和振型，并總結了如下結論：

（1）只測試座椅模態頻率，選取單個測點即可實現，若要得到座椅的整體模態振型，需要在靠背和所關心區域布置更多的測點才可以；

（2）此類座椅支撐結構剛度較大，振型一致性較好，可以相應減少布點個數，節省試驗時間；

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

汽車座椅模態只是座椅舒適性研究的一個方面，還涉及振動異響、壓力分布、減振彈簧以及發泡系統的設計等方方面面，是一個系統和綜合性很強的研究領域，需要各種學科設計者的共同參與才能實現。

振動異響的研究是目前NVH領域的熱點，也是提升汽車品質的重要環節，特別是隨著座椅功能的增多，異響問題也會突顯，而仿真軟件很難實現對異響進行準確的計算分析，試驗測試仍然是發現和解決異響問題的主要手段，后續將著重研究座椅異響問題，找出解決異響的現實方法。