一种汽车座椅模态测试布点方法的研究

李旭伟 田程 王纯

中国汽车技术研究中心 天津市 300300

汽车座椅是司机和乘客与汽车接触最多的部件，其性能的优劣直接影响人们对整车的评价。随着人们对汽车品质要求的不断提高，座椅的舒适性越来越受到汽车企业和广大消费者的关注。除了对座椅的面料选择和耐磨程度、自动化调节设计、加热形式等功能性的需求外，汽车座椅的动态性能也被提上研发日程，如座椅的振动衰减性能、振动异响和共振特性等，其中座椅的振动异响检测需要使用专门的静音振动试验台来实现，而振动衰减和共振特性既可以通过专用振动设备也可以使用一般的振动数据采集设备配合传感器来测试。

针对汽车座椅舒适性的设计开发，科研机构和相关企业都进行了大量的研究和分析。大连大学李玉光教授使用软件仿真的方法对座椅结构骨架进行了模态分析，计算出了模态频率并提取出模态振型，与部分人体器官频率相比较，指出发生共振和影响人体不适的原因[1]。长城汽车王海涛等人使用试验的方法测试出座椅模态频率，找出了汽车座椅产生抖动的原因，并使用软件仿真的方法对骨架结构进行优化，提出了改进方案，并经过实车测试彻底解决了座椅抖动的问题[2]。朱晓庆对城市客车座椅进行了仿真和试验分析，并且包含了自由和约束两种状态，验证了仿真和试验结果的准确性和一致性[3]。中国汽车技术研究中心在汽车座椅舒适性方面也投入了大量的人力物力，在座椅颠簸蠕动、刚度强度、功能耐久等试验项目积累了大量的经验，并针对目前国内座椅舒适性研究的薄弱环节，提出基于中国人体特征的汽车座椅舒适性研究及数据库开发项目，为广大企业产品的优化改进提供依据。

1 座椅的模态测试需求

对于汽车座椅的模态试验，一般都是为了研究避开共振频率，所以要求测试座椅模态频率的试验占大多数，少数试验会要求测试模态振型，可以用来与有限元仿真结果进行对标，因为试验可以将整个座椅的细节特征乃至非线性材料都考虑在内，但是计算仿真很难包含结构的细节，如标准件、电器元件、焊缝、电机等，而座椅面料以及海绵等具有明显非线性特征的材料参数更是难以获得。因此要验证仿真结果的准确性，试验是最好的方法，而模态仿真与试验对标的两个最基本的项目就是频率和振型，只有两个结果都相对应才能说明仿真结果的有效性。

一般研发部门在整车的开发阶段就对车身、仪表板、座椅、方向盘、动力系统和白车身等设定了模态频率的要求，目的就是将其固有频率与汽车存在的激励频率避开，并使之与外界激励、关联系统以及局部结构的模态进行解耦。座椅与人体接触面积最大，是影响汽车舒适性的关键部件，其动态特性尤为重要，本文以汽车座椅模态试验为例，对其模态频率和振型进行测试分析，研究模态测点的布置和获得座椅整体振型的试验方法。

2 模态测点的布置

汽车座椅模态频率测试传感器的布置可以选择头枕杆也可以在靠背骨架，头枕杆的优势在于不用破坏座椅整体结构，试验过程操作简单方便，缺点是头枕杆易滑动，其设计的限位固定结构可能无法满足传感器黏贴和激励点选择的需要。

靠背骨架是模态测试过程中传感器布置最多的部位，其优点是传感器位置可选择性强，结构牢固，可以多点布置，缺点是需要破坏座椅的整体面料，布置传感器的地方需要将表面材料以及海绵等软结构剖开露出结构骨架才行。此外，如果想得到座椅的模态振型，则不可避免的要在靠背骨架之上布置传感器才能显示出整体振型。

本文以司机座椅总成为测试对象，为了将座椅模态频率和模态振型同时得到，不仅在座椅靠背布置了传感器，在其导轨下方的支撑结构上也布置了传感器，如图1所示。为了能够更好的将座椅轮廓和关键结构呈现出来，整个座椅共包含了22个测点，其中靠背布置10个测点，坐垫骨架和支撑结构布置了12个测点，测点之间的间距在150mm左右。

图1 座椅骨架布点图

3 座椅模态频率和振型

本文使用锤击法进行模态测试，利用西门子LMS的数采设备和分析软件，使用业内比较著名的美国PCB公司生产的力锤和三向加速度传感器进行激励和响应采集。数据采集带宽为0到256Hz，频率分辨率1Hz，所有测点分两批测试完成，获取系统的频响函数，通过模态识别法确定结构的模态参数。

测试过程中将座椅固定到铁地板上实现实车约束的状态，座椅靠背和滑轨调节到常用设计位置。为避免激励点位于结构的节点而漏掉某个模态频率，共选择了4个靠背的测点和3个支撑结构的测点，分别在水平的两个方向进行激励，每个激励点敲击5次。本文截取了座椅100Hz以内的模态数据进行分析，如表1所示，共包含了6个模态阶次，其中前两阶模态是比较关心的整体模态，是舒适性设计重点关注的频率，后续需要与发动机等激励源进行避频设计。本文在对所有测点测试完成后，在头枕杆也布置了一个传感器进行了模态频率的测试，得到了频响函数曲线。又从10个靠背测点中，选择了靠背激励点的传感器数据进行了频响函数分析，发现头枕杆和单个测点的频响函数中显示的模态频率与表1中的模态频率一一对应，可以满足测试模态频率的需要。

通过对模态振型的分析发现，座椅总成支撑结构骨架的振型在分析带宽内均为整体振型，运动方向一致性好，说明此结构刚度大，没有局部模态被激励起来。而靠背在同样带宽内出现了一阶局部模态，相比之下此处结构偏弱。座椅整体的前两阶模态振型可以看成是类似悬臂梁第一阶振型，因为座椅靠背的设计和安装方式与其类似，因此靠背在左右和前后方向存在前两阶摆动振型，而支撑结构骨架在前两阶振型的幅值较小，后续模态振型中支撑骨架的振型才相对突显出来，但靠背在这些模态振型中仍然占据主导地位。

表1 座椅模态频率和振型

4 结语

本文通过对座椅总成进行模态试验，得到了关注的模态频率和振型，并总结了如下结论：

（1）只测试座椅模态频率，选取单个测点即可实现，若要得到座椅的整体模态振型，需要在靠背和所关心区域布置更多的测点才可以；

（2）此类座椅支撑结构刚度较大，振型一致性较好，可以相应减少布点个数，节省试验时间；

（3）由于座椅下部固定的约束方式和靠背结构的原因，座椅整体的前两阶模态振型基本都是靠背在前后和左右方向的摆动振型。

汽车座椅模态只是座椅舒适性研究的一个方面，还涉及振动异响、压力分布、减振弹簧以及发泡系统的设计等方方面面，是一个系统和综合性很强的研究领域，需要各种学科设计者的共同参与才能实现。

振动异响的研究是目前NVH领域的热点，也是提升汽车品质的重要环节，特别是随着座椅功能的增多，异响问题也会突显，而仿真软件很难实现对异响进行准确的计算分析，试验测试仍然是发现和解决异响问题的主要手段，后续将着重研究座椅异响问题，找出解决异响的现实方法。