基于多自由度振动试验台的汽车座椅舒适性研究

宋超博，郑国龙，岳春爽，宋敬昆

(中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司 天津300300)

0 引 言

随着汽车的普及以及人们对汽车认识的不断加深，汽车已不仅仅是一个代步工具，乘客对其舒适性也提出了更高的要求。对于汽车制造商来说，如何提高汽车的舒适性也成为了一项重要的课题。这是因为汽车座椅的舒适性直接关系着整车的舒适性[1-2]，所以研究座椅特性对整车舒适性的提高来说有着十分重要的意义。

座椅的振动是由于车辆的振动引起的[3]，该振动激励通过座椅底座的机械结构传递到坐垫，最后传递到坐垫上方，振动通过这一传递过程被乘客或者驾驶员所感知，因此座椅坐垫的传递率可作为座椅特性的一项指标[4]。本文通过 MAST试验台对座椅提供振动激励，测试同一座椅在不同激励以及相同激励不同载荷下的传递率，为座椅舒适性的开发提供思路以及数据支持。

1 座椅传递率测试试验

1.1 试验前准备

国内外对于座椅振动传递性的测试已有经验，如利用液压伺服试验台、电磁试验台等进行测试，得到了十分有价值的实验数据。

本文利用 MTS公司 MAST试验台对某品牌汽车的副驾驶座椅进行传递率测试试验。该试验台台面大小为 2m×2m，振动频率范围为 0～150Hz，最大加速度为±15gn，台架自由度为X、Y、Z，绕X绕Y绕 Z 6个自由度，完全满足座椅传递率试验的要求，试验中为了减小输入误差，座椅与试验台面采用一体式工装连接(图 1—图 3)，最大限度地保证了输入精度。

图1 试验工装Fig.1 Experimental tooling

图2 坐垫传感器位置Fig.2 Position of cushion sensor

图3 滑轨传感器位置Fig.3 Location of slide rail sensor

1.2 激励输入

本文的输入激励建立在相对较平缓的路面上，遇到较大的颠簸，平顺性再好的汽车，舒适性再好的座椅也无济于事[5-6]。

输入激励为振动频率 50Hz内加速度 RMS(均方根)分别为 0.03、0.05、0.1gn的随机路谱(图 4)。

图4 0.1g均方根加速度输入Fig.4 0.1g RMS acceleration input

2 试验结果分析

为了验证输入激励的精确性，本文在座椅滑轨上设置了传感器，通过对比台面信号与座椅滑轨信号的响应，来验证激励输入的精确性(图5)。

图5 输入一致性对比Fig.5 Comparison of input consistency

由图可以看出，试验台台面信号与座椅滑轨信号基本一致。

2.1 相同载荷不同加速度对比

试验过程中将坐垫处采集到的时域信号通过傅里叶变换转变为频域信号，用于振动传递率的计算，傅里叶公式为：

式中：F(ω)为 f(t)的像函数，f(t)为F(ω)的像原函数。

座椅振动传递率的计算公式如下：

式中：Vs为座椅传递率，fc为座椅坐垫频域信号，fb为座椅靠背频域信号，ft为台面振动频域信号。

X向振动时，在 0.03gn加速度下，5.5Hz时传递率最大，最大传递率为 1.2。加速度为 0.05gn时，5.5Hz时传递率最大，最大传递率为 1.15。加速度为0.1gn时，4.5Hz时传递率最大，最大传递率为0.8(图6—图 8)。

图6 坐垫X向传递率Fig.6 X-direction transmissibility of seat cushion

图7 坐垫Y向传递率Fig.7 Y-direction transmissibility of seat cushion

图8 坐垫Z向传递率Fig.8 Z-direction transmissibility of seat cushion

表1 坐垫在不同加速度下的传递率Tab.1 Transmissibility of cushion under different accelerations

可以看出随着加速度的升高其座椅的共振频率逐渐降低，X方向和 Z方向的传递率也逐渐降低，而Y方向的传递率随着加速度的增加有略微的升高，这是由于座椅的结构导致，座椅的支撑结构以及固定方式导致在做 Y向振动时座椅的振动方向以及受力垂直于固定轴线(表1)。

2.2 相同加速度不同载荷对比

为了更真实地模拟实车载荷，我们找到体重为55kg、95kg的志愿者为座椅配载(图9—图11)。

以X向为例，X向振动时，55kg载荷在振动频率为 5.5Hz时传递率最大，最大传递率为 1.2(图 9)。95kg载荷在 3.25Hz时传递率最大，最大传递率为1.26。

图9 坐垫X向传递率Fig.9 X-direction transmissibility of seat cushion

图10 坐垫Y向传递率Fig.10 Y-direction transmissibility of seat cushio

图11 坐垫Z向传递率Fig.11 Z-direction transmissibility of seat cushion

95kg载荷的共振频率低于55kg载荷(表2)。这是由于载荷升高后，座椅系统的频率升高，而座椅的物理结构没有变化，所以随着载荷的升高共振频率有所降低，而传递率呈现相反的趋势由于座椅坐垫是“海绵”结构，外加载荷的增大导致坐垫压缩，其密度亦增大，坐垫的海绵结构更加紧实，给予激励后台架的振动在坐垫上的映射更加真实。

表2 坐垫在不同载荷下的传递率Tab.2 Transmissibility of cushion under different loads

3 结 语

本次试验针对相同载荷不同加速度和相同加速度不同载荷工况下的座椅传递率进行了试验以及分析，试验表明随着加速度增大坐垫上的共振频率逐渐降低，X和 Z方向的传递率会降低，Y方向由于座椅与底座连接部分机械结构的特点，传递率会逐渐增加。随着载荷的增大，坐垫上的共振频率会逐渐降低，传递率由于其坐垫的材料特性会逐渐增大。

汽车座椅的共振频率会随着输入激励的加速度以及载荷质量发生偏移，而要完全避开输入激励的共振频率是难以实现的。因此，为了满足乘坐舒适性，在汽车座椅系统的设计中更需结合车型的常用路况对座椅进行优化，使其固有频率尽量避开常用路况的激励频率。