汽车匀速行驶座椅抖动控制与改善

汽车匀速行驶座椅抖动控制与改善摘要：运用传递路径分析方法，建立座椅仿真分析模型并结合实验，提出相 关优化方法，从提升座椅安装点刚度、模态避频、结构强度等方面解决座椅行驶 抖动问题。关键词：传递路径；仿真；模态避频；响应分析引言客户对汽车产品的舒适性要求越来越高，座椅作为与人体直接接触且接触时 间最长的部件，其舒适性是影响驾乘人员的体验感的最重要因素之一。座椅舒适 性包括静态舒适性和动态舒适性。研究座椅动态舒适性，不仅要研究座椅本身的 性能，还需结合人体对不同频率振动的敏感度和各激励经车身传递到座椅的振动 激励。本文针对座椅振动的控制， 对影响座椅振动的影响原理及性能进行分析改 进，并通过对某款SUV车型座椅抖动进行优化，实现了座椅抖动的优化改善。1座椅抖动影响因素及控制方法1.1座椅安装位置我们以座椅安装点动刚度的高低来评价安装位置的强度。一般要求座椅安装 点动刚度2000N/mm。安装位置钢板厚度越厚，动刚度越高。目前主流车型有大 多数使用双层板结构，1+lmm、l+1.5mm、0.7+lmm三种钣金厚度组合较多。安装 点结构不应该布置在大平板上而应该布置在有加强盒状结构上或者凸台上，可以 通过结构特点提升安装点动刚度。安装点动刚度的提升可以通过有限元仿真手段进行评估，通过钣金特征的变 化或者结构提升可以进行计算是否达到要求，也可以通过锤击法测试相应得到动 刚度值。车身对路面振动的响应高，安装点附近振动就会过大，会致使座椅振动大。 在设计阶段会对车身底盘到座椅安装点的振动传递路径进行控制。1.2 座椅底座及支架座椅底座承受了人的重量，通过导轨与车身相连。有部分座椅直接通过导轨 与车身相连，也有座椅通过支架与车身相连。很多车企为了节省成本，在不同的 车上共用座椅，需要在座椅底座增加支架，达到不同安装点、不同高度要求下座 椅的通用。安装支架折弯深度、钣金厚度不足，以及支架过长均会造成座椅安装强度不 足，出现振动过大的问题。座椅支架厚度增加、取消、以及座椅姿态的调整对座 椅刚度的提升有益。1.3 座椅模态避频座椅单件模态需要和路面滚动频率避频，降低路面激励对座椅本身的影响。 路面激励的最大频率由车速和轮胎尺寸共同决定，一般情况下 130km/h 轮胎跳动 的频率在17Hz 下，所以一般要求座椅总成的最低模态17Hz，避开轮胎跳动 频率对座椅的影响。同时，座椅模态还要避开怠速开/关空调发动机的激励，避 免怠速引起抖动。以四缸机为例，怠速车速在750rpm-900rpm之间，对应的激励 频率为25-30Hz之间。一般要求座椅避开激励频率3Hz，对座椅总成的频率要求 一般为17-22Hz之间或者33Hz。频率越高，被激励起来的风险越小。影响座椅单件模态的因素之一有座椅骨架主体框架结构形式。目前主流的骨 架形式有管框式靠背骨架、管框侧边板式靠背骨架、全钣金式靠背骨架三种。同 等料厚下前者模态较高、后者模态较低。但前者拓展功能不如后者强，例如后者 更容易实现有电动按摩、电动加热等模块的高端座椅开发。此外，材料厚度不够 或者局部结构设计不合理也会造成座椅模态频率过低。调角器作为座椅靠背转向 的调节装置，对前后摆动模态频率有很好的提升作用。2改善案例分析某上市前SUV匀速行驶60km/h-120km/h座椅异常抖动，不可接受。针对此 问题，从车辆整体以及座椅单件两方面进行研究，运用仿真和试验结合的方法对 此问题进行解决。2.1问题确认及目标制定主观评价该车 60km/h 匀速及以上车速主驾驶和副驾驶座椅均有一定的抖动 表现为靠背和头枕的振动较大。在头枕上布置振动传感器，发现头枕振动峰值达 到0.05g，频率为22Hz，如图1。图1 60km/h匀速头枕振动频谱对竞品车型进行测试，发现60km/h主观感受座椅不抖时最大峰值不超过0.03g,于是定下目标，座椅的振动峰值降低为0.03g。2.2问题排查2.2.1车身系统问题排查 利用振动灵敏度测试，考察悬架安装点到座椅导轨安装点的力传递函数，看车身传递路径是否出了问题。对问题车辆以及对标车辆悬架到座椅导轨力传递函数进行对比，如图 2（峰值越小越好），绿色的线为对标车辆，红色的线为问题车辆，说 明问题车辆车身系统灵敏度较高，容易被激励起来，需要整改。2.2.2 座椅总成模态排查首先对座椅总成在车身状态下进行仿真分析，看模态是否满足要求。对前排 座椅划网格建模，对座椅抖动关注的 50Hz 以内约束状态白车身状态座椅模态进 行分析。如图 3 所示， 50Hz 以内模态为 4 个，频率分别为 17.18Hz、22.95Hz、29.38Hz、42.69Hz。第二阶模态22.95Hz与问题频率22Hz相近，说明座椅模态 避频较差是主要原因。2.2.3 座椅总成刚度排查问题车辆座椅为单调角器座椅，对单双调角器座椅分别进行模态响应测试 看单调角器对座椅总成刚度的影响。图4双调角器/单调角器座椅模态函数对比如图4,对两种不同调角器座椅单件进行模态测试发现调角器减少一个后，模态频率从19.8Hz降低为16.4Hz,响应峰值从0.019g/N增加到0.068g/N，增 大到原来的3.5倍，可见单调角器座椅对座椅总成刚度减弱很多。总上所述，底盘悬架传递至车身的力过大，座椅本身的模态避频有问题以及 座椅本身结构强度不够，造成了该车座椅抖动的问题。2.3对策制定验证首先对底盘件进行优化。将副车架衬套刚度由68HS下降为60HS,VTF峰值 频率从0.012g/N下降为0.004g/N。副车架衬套硬度降低，底盘传递至座椅的振动降低了3倍，说明效果很好。然后对调角器进行优化，单调角器变为双调角器，且单调角器中扭簧回复力 由3.0Nm增大到3.3-3.4Nm，增加X向刚度并减少摆动幅度。同时在仿真分析中利用应变云图所对应的薄弱位置，对座椅骨架进行加强, 提升座椅模态以及提升刚度，如图5。图5座椅骨架应力图及加强方案加强方案支架厚度由3mm增厚至5.0mm增加底座与靠背连接位置长度滑轨内侧厚度从 3mm 增加到 6mm靠背下端加强梁厚度从4mm 增加到 6mm表 1 座椅骨架加强方案图 6 座椅优化前后对比如表 1 和图 6 所示，在进行了相关提升之后，无论是底盘安装位置到头枕的振动响应还是座椅支架到头枕的振动响应都有很大的降低，说明效果很好。对优化过后的座椅进行悬架到头枕的振动传递函数试验，同时与对标车辆进 行对比，如图 7。图 7 各座椅传递函数对比其中红色为优化前座椅，蓝色为对标座椅，绿色为优化后座椅。可以看出优 化后的座椅比对标座椅振动响应灵敏度更小。把优化后的座椅安装在车辆上进行 测试，发现60km/h头枕最大峰值从0.05g降低至0.02g,主观评价从60km/h到 120km/h座椅振动均可以接受。3结语座椅行驶抖动是一个底盘激励、车身传递、座椅靠背及头枕响应的系统问题 需要按照传递路径分析方法进行研究，对座椅安装点强度、座椅模态避频、本身 结构强度等进行优化，最后达到目标。其中仿真的手段也尤为重要，可以节省很 多的验证时间。参考文献：1 庞剑，谌刚，何华汽车噪声与振动理论与应用M.北京北京理工 大学出版社,2006；2 庞剑 汽车车身噪声与振动控制M.北京机械工业出版社,2017；3 张胜兰等.基于HyperWorks的结构优化设计技术M.北京.机械工业 出版社, 2007；作者简介：王一帆（1989-03），男，汉族，籍贯：安徽合肥，当前职务：NVH主管工程师，当前职称：工程师，学历：研究生，研究方向：声学包及风噪 控制