汽車兒童安全座椅的對比模態(tài)分析與NVH性能實驗研究

范明峰，張德全，王策

（1.中山市樂瑞嬰童用品有限公司，廣東 中山 528414；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641）

汽車兒童安全座椅的對比模態(tài)分析與NVH性能實驗研究

范明峰1，張德全1，王策2

（1.中山市樂瑞嬰童用品有限公司，廣東 中山 528414；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641）

將實驗模態(tài)分析技術(shù)應用于兒童安全座椅的模態(tài)分析。采用單點激勵、多點測量的方法，對兒童安全座椅進行了模態(tài)測試。利用PolyMAX算法，識別出了三種兒童安全座椅的各階模態(tài)參數(shù)。對實驗結(jié)果進行了對比分析，得出了一些有價值的結(jié)論，為兒童安全座椅的動力學設計和動力學修改提供了參考。

兒童安全座椅；實驗模態(tài)；動力學設計；動力學修改

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-127-03

引言

汽車兒童安全座椅又稱為兒童約束系統(tǒng)，是專門為嬰幼兒和兒童乘車安全而設計的裝置。在車輛交通事故中，兒童安全座椅對降低兒童死亡或嚴重受傷發(fā)揮著很大作用。對兒童安全座椅安全性的研究已經(jīng)較為廣泛[1-6]，其中由于有限元仿真技術(shù)不需要物理假人、臺車等試驗裝置，大大節(jié)約了試驗成本，因而被廣泛采用。國內(nèi)學者對于兒童安全座椅的建模多采用多剛體模型，其雖然建模簡單，但精確度較低，且無法觀察座椅在碰撞過程中的變形情況[6]。文獻[6]采用有限元方法對兒童安全座椅建模，其模型的精度可采用仿真模態(tài)與試驗模態(tài)對比的方法來保證。而目前對兒童安全座椅NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）性能的研究卻很少。汽車的振動會經(jīng)兒童座椅傳遞給兒童，從而降低其乘坐的舒適感。如果兒童座椅的某一階固有頻率與發(fā)動機怠速主激勵頻率接近，引起共振，更將嚴重影響其舒適性，帶來不良的產(chǎn)品體驗。

對兒童座椅NVH性能的研究需要借助模態(tài)分析方法。模態(tài)分析是一項對描述系統(tǒng)動力學特性所需參數(shù)進行研究和估計的技術(shù)，有著廣闊的應用領(lǐng)域，其直接目的是得到各階模態(tài)參數(shù)，包括各階固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等。如果得到了系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，再根據(jù)系統(tǒng)受到的外界激勵情況，就可以分析系統(tǒng)的振動響應情況。一般的兒童座椅分為提籃和底座兩部分，這兩部分在某幾個點固定連接，連接剛度較差，而且其主體是塑料材質(zhì)，阻尼較大，各階模態(tài)耦合較大，這給模態(tài)識別實驗帶來了一定的困難。因此，激勵方式和識別算法的選擇對兒童座椅的模態(tài)分析尤為重要。目前，國內(nèi)外對兒童座椅進行模態(tài)分析方法的研究幾乎沒有報道。

本文以模態(tài)分析理論為基礎(chǔ)，選擇合適的激勵方式和識別算法，對三種不同廠家生產(chǎn)的不同型號的兒童安全座椅進行了試驗模態(tài)分析，得到了它們的模態(tài)參數(shù)，對比了它們的NVH性能，并可為有限元方法對兒童安全座椅建模的驗證提供一種有效方法。

1 兒童安全座椅的模態(tài)實驗

兒童安全座椅分為提籃和底座兩部分，分別對三種不同廠家生產(chǎn)的不同型號的座椅整體進行了模態(tài)實驗，座椅實物如圖1-3所示，其中一號座椅為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)，二號和三號座椅分別由國外的兩個廠家生產(chǎn)。

圖1 一號座椅

圖2 二號座椅

圖3 三號座椅

1.1 實驗方案與實驗設備

實驗采用彈性繩懸吊，單點激勵的模態(tài)實驗方案。測試系統(tǒng)的組成方式如圖4所示，包括一套帶有信號發(fā)生器模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)BBM，一套數(shù)據(jù)分析處理軟件LMS Test.Lab，3個PCB356A16三向加速度傳感器，一個PCB208 C02力傳感器，一臺HEV-200激振器，一臺HEA-200C功率放大器。

圖4 模態(tài)試驗測量分析系統(tǒng)模型示意圖

1.2 激勵方式的選擇

在實驗過程中，嘗試過力錘敲擊、隨機沖擊信號和白噪聲信號等三種激勵方式。其中由前兩種激勵方式得到的相干函數(shù)在200Hz以內(nèi)的很多模態(tài)頻率處均小于0.8（如圖5(a)、(b)所示），這是因為兒童座椅的提籃和底座兩部分在某幾個點固定連接，連接剛度較差，采用力錘敲擊和隨機沖擊信號激勵方式時，提籃和底座之間發(fā)生碰撞，使得頻響函數(shù)的測試受到較大干擾。而采用白噪聲信號激勵方式可以減少提籃和底座的碰撞，得到的相干函數(shù)在除反共振頻率附近外，均在0.8以上（如圖5(c)所示），說明得到的頻響函數(shù)是可信的。因此，最終采用白噪聲信號作為激勵信號，對各兒童座椅進行激勵。

圖5 不同激勵方式得到的某測點相干函數(shù)

1.3 測試參數(shù)設置

采樣頻率為750Hz，最大分析頻率為292.969Hz。加Hanning窗進行25段線性平均，每一段的采樣點數(shù)為2048點，頻率分辨率為0.366Hz。

1.4 模態(tài)識別結(jié)果

由于兒童安全座椅主體是塑料材質(zhì)，阻尼較大，各階模態(tài)耦合較大。PolyMAX算法在識別大阻尼結(jié)構(gòu)和小阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)上均具有優(yōu)勢，所以采用PolyMAX算法進行模態(tài)識別。最終得到的各階模態(tài)如表1-3所示。模態(tài)振型描述中，沿座椅左右方向的振動為橫向振動，上下方向的振動為縱向振動。圖6-8為三種座椅的第一階模態(tài)振型，其中一號、二號和三號座椅線框模型分別采用了127、115和139個節(jié)點。

表1 一號座椅各階模態(tài)

表2 二號座椅各階模態(tài)

表3 三號座椅各階模態(tài)

圖6 一號座椅橫向一彎

圖7 二號座椅 橫向一彎

圖8 三號座椅 橫向一扭

2 結(jié)果分析

四缸四沖程發(fā)動機的二階頻率為主激勵頻率，可由發(fā)動機轉(zhuǎn)速÷30來計算。車用發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速在700轉(zhuǎn)到3500轉(zhuǎn)，則對應的主激勵頻率段為23.33Hz到116.67Hz。從表1-3可以看出，被測兒童安全座椅的前幾階模態(tài)頻率均在這個頻率段內(nèi)，這對于行駛中的車內(nèi)兒童安全座椅的平順性會產(chǎn)生不利影響，但從結(jié)構(gòu)來考慮這將是不可避免的，只要這些階固有頻率不要引起很大的共振為好，而這與各階阻尼比有關(guān)，阻尼比越大對共振的衰減也就越大，一號、二號和三號座椅在主激勵頻率段內(nèi)分別有5階、5階和6階固有頻率，從階數(shù)越少越好的角度來看，一號和二號座椅要優(yōu)于三號座椅，然而一號和三號座椅的各階阻尼比比二號更大一些。發(fā)動機怠速工況為常用工況，怠速時轉(zhuǎn)速一般在700轉(zhuǎn)到900轉(zhuǎn)，主激勵頻率段為23.33Hz到30Hz，而一號、二號和三號座椅的第一階固有頻率分別為34.234Hz、25.053Hz和26.986Hz，一號座椅的第一階固有頻率與發(fā)動機怠速主激勵頻率相距較遠，不會引起共振，而二號和三號座椅的第一階固有頻率與發(fā)動機怠速主激勵頻率很接近，容易引起共振。綜上所述，從行駛中的車內(nèi)兒童安全座椅的平順性的角度來看，一號座椅最好，二號座椅要差一點，三號座椅介于一號和二號之間。

[1] 張瑞鋒,曹立波,陳亞.智能集成式兒童安全座椅的臺車正面碰撞試驗研究[J].汽車工程,2015,37(3)∶ 284-289,312.

[2] 張金換,章雄,肖凌云,等.兒童約束系統(tǒng)誤使用安全性試驗研究[J].汽車安全與節(jié)能學報,2014,05(1)∶ 30-37.

[3] 杜寧寧,肖嬋. 淺析中國汽車兒童安全座椅的發(fā)展現(xiàn)狀及前景預測[J].汽車實用技術(shù),2014,6∶ 1-3.

[4] 白中浩,程勝華,陳亞楓.內(nèi)置式兒童安全座椅側(cè)面碰撞安全性研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2014,41(8)∶ 1-6.

[5] 李海風. 汽車兒童安全座椅碰撞性能仿真分析[D]. 廣州∶ 華南理工大學, 2013.

[6] 胡小強. 基于模擬碰撞的兒童安全座椅改型設計研究[D]. 廣州∶華南理工大學, 2011.

A study on the modal analysis and NVH performance test on the child safety seat

Fan Mingfeng1, Zhang Dequan1, Wang Ce2
( 1.yue shui the infant child products co., LTD., zhongshan city, zhongshan 528414; 2. School of mechanical and automotive engineering, south China university of technology, guangzhou 510641 )

Method of experimental modal analysis is applied to the child safety seat.The mode parameters are calculated by using PolyMAX method on the frequency response functions from one excitation point and multiple response points.By comparing the result of the experiments, some valuable conclusions are obtained, which could be the reference for future dynamic design and dynamic modification of the child safety seat.

child safety seat; experimental modal analysis; dynamic design; dynamic modification

U467.3

A

1671-7988 (2017)13-127-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.044

范明峰，就職于中山市樂瑞嬰童用品有限公司；

張德全，就職于中山市樂瑞嬰童用品有限公司；王策，就職于華南理工大學機械與汽車工程學院。