汽車座椅的動態(tài)特性優(yōu)化設計

王毅，崔萍萍

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

前言

座椅的動態(tài)特性是指其對從汽車的車身、懸架、輪胎傳遞而來的外界振動和沖擊的緩沖能力和減振特性。動態(tài)特性的研究主要涉及座椅的剛度和阻尼。

1 座椅系統(tǒng)的簡化

座椅在真實路譜下的振動較為復雜，我們將座椅系統(tǒng)簡化為一個有阻尼的單自由度振動系統(tǒng)。座椅系統(tǒng)的振動是由于受到了車身經由座椅支腳傳遞的激勵，是受迫振動，有阻尼的單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動方程如下：

其中m 為系統(tǒng)的質量，c 為阻尼系數(shù)，k是系統(tǒng)的剛度，c0為臨界阻尼系數(shù)，系統(tǒng)的固有頻率為激振力的強度。在積極隔振中，系統(tǒng)外輸入的激振力P為振源 ，隔振后傳出的力為F，F(xiàn)/P即為力的傳遞率βf。在消極隔振中，系統(tǒng)隔振后的位移（速度或加速度）幅值與基礎位移（速度或加速度）幅值之比稱為運動傳遞率βd。βf與βd有完全相同的表達形式，統(tǒng)稱為振動傳遞率β。有阻尼系統(tǒng)的振動傳遞率公式如下：

其中是振動系統(tǒng)的阻尼比，是振動系統(tǒng)的頻率比，當即時，系統(tǒng)發(fā)生共振。可見，當有阻尼的振動系統(tǒng)發(fā)生共振時，系統(tǒng)的阻尼決定了傳遞率。

傳遞率β的值反映了系統(tǒng)的減振性能，β值越小，則座椅的減振效果越好。

2 座椅的振動參數(shù)的選取

由以上的計算可知，系統(tǒng)的傳遞率與阻尼比ψ和頻率比λ有關，而最終都與系統(tǒng)的剛度k有關。

2.1 座椅剛度k的選擇

座椅剛度k的選擇，要從座椅的固有頻率與懸架、車輪的固有頻率相匹配來考慮，既要避免與懸架、車輪的固有頻率相重合，又要避開人體最敏感的 4～8 Hz的頻率范圍。一般車身在懸架上的固有頻率為 1.2～2 Hz，車輪（輪軸）的固有頻率為 9～11 Hz。當主要考慮垂直振動時，座椅的剛度與車身剛度、輪軸的剛度相互作用的實驗結果如圖 2.1所示。其中(a)表示車身加速度的放大因數(shù)與激振頻率的關系，(b)表示座椅傳遞率與激振頻率的關系，(c)表示座椅與車身共同作用的疊加（表現(xiàn)為幅頻特性的乘積）的結果，反映了某汽車座椅上人所承受傳遞率與激振頻率（路面不平度）之間的關系。

圖1 整車垂直振動試驗結果

由圖 1（a）可知，當激振頻率分別達到1.42Hz和9.95Hz時，車身幅頻特性將出現(xiàn)共振峰值。由圖 1（b）可知，當激振頻率達到2.9Hz時，傳遞率達到共振峰值。由圖 1（c）可知，當它們共同作用時，在輪軸固有頻率為9.95Hz，人所能承受的座椅加速度傳遞率的共振峰值減小，達到減振效果，但在車身固有頻率 1.5Hz及坐墊固有頻率3Hz附近，車身加速度卻被放大，沒能起減振作用。因此，在設計座椅彈性元件時，一定要考慮它的影響。

為了避免與車身的固有頻率（1.2～2 Hz）相重合，如果設計低于1 Hz 的彈性元件，人坐上去雖然很柔軟，但撓度將超過 25mm，給布置上造成困難；另一方面，汽車在崎嶇不平的壞路面上行駛時，使彈簧剛度超出極限值，其效果將適得其反，會造成很大沖擊。所以最好選擇在2 Hz以上。由此可見，座椅彈性元件的頻率，建議選擇在3 Hz上下。坐墊的剛度選擇，以使其固有頻率ω0在 2～ 3Hz為宜，剛度在78～118 N/cm之間較合適。

2.2 座椅阻尼比ψ的選擇

座椅的阻尼比ψ對振動特性的影響如圖 2所示。圖中，ω為激振頻率，ω0為振動系統(tǒng)的固有頻率，橫坐標為頻率比λ，縱坐標為傳遞率β。

圖2 座椅的阻尼比ψ對振動特性的影響

由圖2可知，當λ=1 時，ω=ω0 ，將發(fā)生共振，共振區(qū)域范圍為 0.75≤λ≤ ，β＞1，在此區(qū)域，阻尼比越大，則傳遞率越小，即抑制共振效果越好。

當λ＞ 時，屬于減振區(qū)，此時，振動被衰減，在減振區(qū)域，阻尼比越大，則傳遞率越大，減振效果變差。

由上所述可知，座椅能使人最敏感的頻率處于減振區(qū)，故該系統(tǒng)的自然頻率以ωn＜3Hz 為最佳。振動傳遞與系統(tǒng)阻尼有關，大阻尼可減少共振峰，但在減振區(qū)，大阻尼反而對減振不利。實踐證明系統(tǒng)的阻尼比ψ=0.25 比較合適，這樣，在共振區(qū)其幅值不會太大，高頻區(qū)又能保持良好的減振效果。

3 結論

在研究座椅的動態(tài)特性時，我們可以將座椅系統(tǒng)簡化成單自由度系統(tǒng)，而剛度和阻尼最重要的系統(tǒng)參數(shù)，由分析得到兩個參數(shù)的推薦值，剛度k在78～118 N/cm之間較為合適，阻尼比ψ=0.25 比較合適。

參考文獻

[1] 高江華.乘員-坐墊系統(tǒng)垂向動力學建模與分析[D].北京：清華大學,2014.