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

王一帆

安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽省合肥市 230601

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+1mm、1+1.5mm、0.7+1mm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一下，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，

图2 灵敏度测试对比图

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。

图3 频率/阵型图

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

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