一種汽車座椅模態(tài)測試布點方法的研究

李旭偉 田程 王純

中國汽車技術(shù)研究中心 天津市 300300

汽車座椅是司機(jī)和乘客與汽車接觸最多的部件，其性能的優(yōu)劣直接影響人們對整車的評價。隨著人們對汽車品質(zhì)要求的不斷提高，座椅的舒適性越來越受到汽車企業(yè)和廣大消費者的關(guān)注。除了對座椅的面料選擇和耐磨程度、自動化調(diào)節(jié)設(shè)計、加熱形式等功能性的需求外，汽車座椅的動態(tài)性能也被提上研發(fā)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(xiàn)，而振動衰減和共振特性既可以通過專用振動設(shè)備也可以使用一般的振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合傳感器來測試。

針對汽車座椅舒適性的設(shè)計開發(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座椅結(jié)構(gòu)骨架進(jìn)行了模態(tài)分析，計算出了模態(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]。長城汽車王海濤等人使用試驗的方法測試出座椅模態(tài)頻率，找出了汽車座椅產(chǎn)生抖動的原因，并使用軟件仿真的方法對骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出了改進(jìn)方案，并經(jīng)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(jìn)行了仿真和試驗分析，并且包含了自由和約束兩種狀態(tài)，驗證了仿真和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性[3]。中國汽車技術(shù)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(qiáng)度、功能耐久等試驗項目積累了大量的經(jīng)驗，并針對目前國內(nèi)座椅舒適性研究的薄弱環(huán)節(jié)，提出基于中國人體特征的汽車座椅舒適性研究及數(shù)據(jù)庫開發(fā)項目，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)測試需求

對于汽車座椅的模態(tài)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(tài)頻率的試驗占大多數(shù)，少數(shù)試驗會要求測試模態(tài)振型，可以用來與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)，因為試驗可以將整個座椅的細(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。因此要驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗是最好的方法，而模態(tài)仿真與試驗對標(biāo)的兩個最基本的項目就是頻率和振型，只有兩個結(jié)果都相對應(yīng)才能說明仿真結(jié)果的有效性。

一般研發(fā)部門在整車的開發(fā)階段就對車身、儀表板、座椅、方向盤、動力系統(tǒng)和白車身等設(shè)定了模態(tài)頻率的要求，目的就是將其固有頻率與汽車存在的激勵頻率避開，并使之與外界激勵、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，是影響汽車舒適性的關(guān)鍵部件，其動態(tài)特性尤為重要，本文以汽車座椅模態(tài)試驗為例，對其模態(tài)頻率和振型進(jìn)行測試分析，研究模態(tài)測點的布置和獲得座椅整體振型的試驗方法。

2 模態(tài)測點的布置

汽車座椅模態(tài)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(yōu)勢在于不用破壞座椅整體結(jié)構(gòu)，試驗過程操作簡單方便，缺點是頭枕桿易滑動，其設(shè)計的限位固定結(jié)構(gòu)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(tài)測試過程中傳感器布置最多的部位，其優(yōu)點是傳感器位置可選擇性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)剖開露出結(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)座椅總成為測試對象，為了將座椅模態(tài)頻率和模態(tài)振型同時得到，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，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(jié)構(gòu)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(tài)頻率和振型

本文使用錘擊法進(jìn)行模態(tài)測試，利用西門子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PCB公司生產(chǎn)的力錘和三向加速度傳感器進(jìn)行激勵和響應(yīng)采集。數(shù)據(jù)采集帶寬為0到256Hz，頻率分辨率1Hz，所有測點分兩批測試完成，獲取系統(tǒng)的頻響函數(shù)，通過模態(tài)識別法確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

測試過程中將座椅固定到鐵地板上實現(xiàn)實車約束的狀態(tài)，座椅靠背和滑軌調(diào)節(jié)到常用設(shè)計位置。為避免激勵點位于結(jié)構(gòu)的節(jié)點而漏掉某個模態(tài)頻率，共選擇了4個靠背的測點和3個支撐結(jié)構(gòu)的測點，分別在水平的兩個方向進(jìn)行激勵，每個激勵點敲擊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)計重點關(guān)注的頻率，后續(xù)需要與發(fā)動機(jī)等激勵源進(jìn)行避頻設(shè)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(jìn)行了模態(tài)頻率的測試，得到了頻響函數(shù)曲線。又從10個靠背測點中，選擇了靠背激勵點的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻響函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)頭枕桿和單個測點的頻響函數(shù)中顯示的模態(tài)頻率與表1中的模態(tài)頻率一一對應(yīng)，可以滿足測試模態(tài)頻率的需要。

通過對模態(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)動方向一致性好，說明此結(jié)構(gòu)剛度大，沒有局部模態(tài)被激勵起來。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)振型可以看成是類似懸臂梁第一階振型，因為座椅靠背的設(shè)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(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突顯出來，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

本文通過對座椅總成進(jìn)行模態(tài)試驗，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）只測試座椅模態(tài)頻率，選取單個測點即可實現(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)域布置更多的測點才可以；

（2）此類座椅支撐結(jié)構(gòu)剛度較大，振型一致性較好，可以相應(yīng)減少布點個數(shù)，節(jié)省試驗時間；

（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振型。

汽車座椅模態(tài)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(fā)泡系統(tǒng)的設(shè)計等方方面面，是一個系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域，需要各種學(xué)科設(shè)計者的共同參與才能實現(xiàn)。

振動異響的研究是目前NVH領(lǐng)域的熱點，也是提升汽車品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，特別是隨著座椅功能的增多，異響問題也會突顯，而仿真軟件很難實現(xiàn)對異響進(jìn)行準(zhǔn)確的計算分析，試驗測試仍然是發(fā)現(xiàn)和解決異響問題的主要手段，后續(xù)將著重研究座椅異響問題，找出解決異響的現(xiàn)實方法。