乘用車座椅模態特性分析及改進方向概述

摘 要：本文主要對乘用車座椅模態特征進行測量和分析，為優化座椅模態頻率和進一步改進座椅舒適性提供一些方向。結合模態測試和座椅結構分析發現，座椅類似“L”型懸臂結構，其模態振型的前兩階基本是座椅靠背前后向和橫向的擺動，且結構阻尼影響很小，其模態頻率大小主要受到質量分布及結構剛度影響。依據座椅模態特性，通過錘擊測試方法，得出座椅骨架與整椅、座椅質量分布、座椅位置、頭枕重量、靠背剛度等設計變量對座椅固有頻率的影響，可以為改善座椅模態頻率以提高整車NVH性能和座椅舒適性給出設計建議。

關鍵詞：座椅結構 模態特性 錘擊法 固有頻率

1 緒論

隨著汽車領域新能源汽車的比例逐步增長，在去除噪聲源之一的發動機后，因失去發動機遮蔽效應，汽車駕駛室內的噪聲也愈發明顯，汽車座椅作為車內最大的部件，也是用戶接觸最多的部件，其NVH性能更是首當其沖受到用戶的關注[1]。NVH性能中座椅振動是用戶身體的第一感受，其可能與整車結構引起的共振問題，也是影響整車NVH性能的重要原因，因此座椅振動性能是座椅設計過程中不可忽視的重要環節。而當座椅模態頻率與路面激勵或者發動機激勵頻率一致或者相近時，座椅就會產生振動以及噪聲，座椅模態頻率與人體器官頻率相近時，人體便會產生不適、暈車等癥狀。因此提高座椅模態頻率來錯開激勵頻率和人體頻率，也是座椅NVH性能設計需要考慮的重要內容。

2 座椅結構及模態特性

2.1 座椅結構

座椅通常由座椅骨架、頭枕、坐墊、靠背、塑料件以及滑軌、高調等調節機構組成。如下圖1所示。

在結構設計以及模態分析時，大多數以骨架為主要對象，這是因為座椅基礎部件就是骨架，其他的部件則是安裝在骨架上，同時座椅質量的大部分也是骨架質量。因此在分析汽車座椅模態特性時，根據骨架的特征，底部固定在車身上且整體為“L”型，座椅結構類似“L”型懸臂結構，其根部是靠背與坐墊的接合處，如下圖2所示。

將座椅結構簡化為“L”型懸臂結構可以在模態分析中更好地得到座椅的模態特征。

2.2 座椅模態特性分析

機械系統模態參數一般通過計算模態分析或者試驗模態分析獲得，本文主要采用試驗模態分析，使用力錘激勵座椅，加速度傳感器采集信號，計算出激勵與響應的頻響函數，得到系統的模態參數[3]，具體流程如下圖3。

模態包括了固有頻率、阻尼比及振型這些動態特性，是用來描述一個結構的固有屬性。對于機械系統來說，其振動的動力學方程可以表達為[2]：

式中：為質量矩陣；

為阻尼矩陣；

為剛度矩陣；

則分別為系統的加速度、速度、位移；

為載荷矩陣。

模態是結構固有屬性，與外界的載荷無關，同時對于座椅結構而言，其阻尼對座椅的模態頻率，模態振型影響很小，因此得到=0，=0，代入方程后結構的自由振動方程可以表達為：

求解矩陣方程的特征值，最終可以得到自由振動固有頻率為：

座椅結構簡化為“L”型懸臂結構后，其模態振型也類似懸臂結構的振型，如圖4。

從圖4模態振型可以看出，座椅前兩階振型分別是座椅靠背在軸向與縱向擺動，并且振型值最大處是座椅頭枕位置，越向下靠近座椅坐墊位置，振型值就越小。

綜上所述，座椅的模態特性可以概括為模態頻率只受到結構剛度及質量影響，模態振型則類似“L”型懸臂結構振型。因此在優化提升座椅頻率時，需要注意座椅質量分布，座椅靠背剛度，進一步分析振型表現，座椅靠背包括頭枕是影響座椅模態頻率及振型的重要部件。基于此，可以得到下表1的座椅模態的主要影響因素并進行驗證研究。

3 座椅模態優化方向驗證

3.1 整椅和骨架對模態影響

對某MPV項目座椅分別進行整椅與骨架模態測試，在頭枕、靠背、坐墊上分別設置測點，如圖5所示。

通過測試得到X、Y向模態，見表2，圖6。

從測試結果可以看出，整椅和骨架的模態振型與之前分析一致，坐盆處幾乎不動，在軸向與縱向擺動，骨架模態頻率一般比整椅模態頻率高2-5Hz左右，這主要是由于座椅發泡、面套、塑料件這些覆蓋件使得整椅質量增加，但是對座椅剛度沒有改善，所以在優化座椅模態時，主要對象應是座椅骨架，并且應針對骨架靠背。

3.2 坐盆質量對模態影響

根據模態頻率公式：，

當系統質量增加時，模態頻率會減小，但在對某MPV項目座椅測模態試時發現，坐墊增加真人負載、增加腿托機構，質量增加后模態頻率有所提高，測試數據見表3。

分析真人負載時的載荷可以發現主要質量集中在坐盆，少部分作用在靠背處，如圖7所示。

座椅坐盆處在前兩階振型中幾乎不動，是節點位置，即使坐盆處質量增加，但由于是節點，對前兩階的模態影響都有限，但座盆是與車身約束的結構，質量增加在坐盆上會增加座椅的約束剛度，進而會提高座椅模態頻率。

在設計時注重座椅質量分布，坐盆質量占比大可以有效提高模態頻率，這也就是常說的座椅重心下降能提高模態頻率。

3.3 靠背和頭枕質量對模態影響

從座椅前兩階振型可以看出，靠背及頭枕位置的振型值最大，是反節點位置，在該位置進行改動，對座椅的前兩階模態影響最大。對某乘用車項目座椅骨架搭配不同質量頭枕及靠背進行模態測試，如圖8所示。

通過測試得到表4數據。

由表4可見，頭枕及靠背質量減小可以明顯提高座椅前兩階模態頻率，兩者成線性關系，并且頭枕減重的效果優于靠背減重效果。

3.4 座椅位置對模態影響

一般乘用車座椅會帶有滑軌、高調、靠背等調節機構，其中滑軌前后、高調上下是最常用的。通過對某乘用車項目座椅前后上下不同位置進行模態試驗，發現不同位置對模態也有一定的影響，試驗數據見表5。

對比滑軌不同位置結果可以發現，座椅X向模態頻率變化不大，Y向模態頻率隨著滑軌向前移動增大。滑軌位置見圖9，可以看出，滑軌最后位置時，內軌伸出外導軌，坐墊與靠背連接處也會失去外導軌的Y向約束，剛度降低，而X向約束變化不大。

對比高調不同位置結果發現座椅模態頻率變化不大，這是因為高調位置的改變對座椅質量和剛度影響不大。綜上所述，在優化座椅模態時需要確定滑軌位置，通常會按照座椅設計位置或者中間位置來進行模態試驗。

3.5 靠背剛度對模態影響

提高座椅靠背剛度可以有效提高座椅模態頻率，對如圖10靠背骨架進行模態試驗，得到結果見表6。

從數據可以看出，增加靠背支撐支架后，Y向頻率有一定的提高，X向頻率無明顯變化。增加支架后雖然靠背剛度有加強，但同時機構的質量也在增加，使得Y向頻率提升不明顯。在優化時應考慮提高的質量大還是增加的剛度大，避免出現加強剛度后模態減小的情況。

4 結語

通過對座椅結構分析，得到座椅模態頻率只受到結構剛度及質量影響，模態振型則類似“L”型懸臂結構振型，前兩階振型分別是座椅靠背在軸向與縱向擺動，同時使用試驗模態驗證，提出了優化座椅模態的方向，結論如下。

座椅基礎部件是骨架，模態優化主要對象應為座椅骨架，座椅發泡、面套等覆蓋件為次要對象。通過整椅和骨架試驗對比發現骨架模態頻率一般比整椅模態頻率高2-5Hz左右。

座椅坐盆負載時模態頻率會因約束剛度的加強而增加，在設計時應把握座椅質量分布以及整體重心。

座椅頭枕是振型反節點位置，可以充分減少頭枕質量來提升模態頻率，且頭枕減重的效果優于靠背減重效果。

座椅滑軌不同位置會影響Y向約束剛度進而影響模態，需要確定座椅的位置來進行模態優化。

剛度優化的部位要充分評估，避免出現增加的質量貢獻量大過剛度貢獻量，使得模態頻率不增反降。

綜上所述，模態優化從座椅質量出發更加有效經濟，其中減少頭枕及靠背質量效果明顯；剛度優化的同時需要考慮質量的影響。

參考文獻：

[1]賈旭，任延靜，畢凱，等.動車組客室座椅模態特性及其優化策略[J].機械設計與制造工程，2021，50（05）：79-82.

[2]王克飛，彭閃閃，李龍.基于有限元方法的汽車座椅模態分析與優化[J].荊楚理工學院學報，2022，37（03）：1-6+41.

[3]胡俊.六向汽車座椅的模態分析與優化設計[D].溫州：溫州大學，2021.