座椅為什么要做模態(tài)試驗(yàn)？

瞬的知識(shí)世界 2022-01-22

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答案很簡(jiǎn)單嘛，主機(jī)廠要求唄！

那究竟為什么要做模態(tài)試驗(yàn)?zāi)兀浚。?/span>

呃呃……

座椅是安裝在汽車車身上與人體直接接觸的零部件之一。我們?cè)诔塑嚂r(shí)坐在座椅上，倚靠在靠背上，我們的屁股可以直接感覺到座椅傳遞過來的振動(dòng)，我們的耳朵可以直接聽到座椅產(chǎn)生的異響，我們的眼睛可以直接看到座椅椅背的晃動(dòng)抖動(dòng)……

這輛車是安全的嗎？

這輛車是可靠的嗎？

這輛車質(zhì)量真差??！

瞧，小小一個(gè)座椅

將影響到我們對(duì)一輛車的直觀評(píng)價(jià)！

任何一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)都可以用“輸入-系統(tǒng)特性-輸出”模型來表示：輸入是這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)受到的激勵(lì)；系統(tǒng)特性是這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特性；輸出是這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)在受到激勵(lì)后的表現(xiàn)，如振動(dòng)、異響等等。如果我們知道輸入信號(hào)（激勵(lì)信號(hào)）和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性（傳遞函數(shù)），就可以預(yù)測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)在受到激勵(lì)以后的會(huì)表現(xiàn)出來的NVH特性。

如果輸入信號(hào)（激勵(lì)信號(hào)）的能量主要集中在10Hz，振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性（傳遞函數(shù)）在10Hz附近有個(gè)峰值，那么這個(gè)結(jié)構(gòu)將會(huì)在10Hz處發(fā)生共振，有可能引起嚴(yán)重的振動(dòng)異響問題。

座椅系統(tǒng)的振動(dòng)輸入信號(hào)主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)和不平整的路面，這些信號(hào)通過試驗(yàn)的手段通常很容易獲得！這時(shí)候如果我們知道了座椅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，就可以預(yù)測(cè)座椅系統(tǒng)在受到激勵(lì)后的響應(yīng)信號(hào)，就可以在座椅設(shè)計(jì)之初考慮到之后可能會(huì)發(fā)生的共振等問題！

模態(tài)試驗(yàn)就是通過試驗(yàn)的手段獲得振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性（共振頻率、阻尼比、模態(tài)振型），這就是模態(tài)試驗(yàn)的意義！

設(shè)計(jì)不好的座椅為什么會(huì)產(chǎn)生異響、振動(dòng)或者抖動(dòng)呢？原因就在于座椅結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率偏低，導(dǎo)致其縱向模態(tài)或者橫向模態(tài)容易被發(fā)動(dòng)機(jī)或者坑坑洼洼的路面激勵(lì)起來，傳遞到靠背或者作用于人體，進(jìn)而影響乘客的主觀感受和乘坐舒適性。

因此為了避免之后一系列的問題，我們要在研發(fā)階段設(shè)計(jì)并控制座椅的模態(tài)頻率！

實(shí)際上整車車身在設(shè)計(jì)開發(fā)初期就要制定模態(tài)頻率表來指導(dǎo)車身及相關(guān)系統(tǒng)、附件的開發(fā)了。如下圖所示可以清晰看到車身和主要系統(tǒng)的模態(tài)頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率、相連系統(tǒng)的模態(tài)頻率關(guān)系、車身模態(tài)頻率和怠速模態(tài)頻率的關(guān)系等。座椅是車身上安裝的一個(gè)附件，在車身設(shè)計(jì)開發(fā)初期也已經(jīng)被定義！

座椅系統(tǒng)的輸入信號(hào)通常不可以修改（壞路是不規(guī)則的嘛，大家都懂！發(fā)動(dòng)機(jī)通常也不會(huì)修改的），如果要改變座椅系統(tǒng)的輸出只能通過改變座椅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性來實(shí)現(xiàn)。座椅主要有骨架、泡棉和皮革組成，骨架主要起支撐作用，泡棉和皮革主要起阻尼緩沖作用。骨架必須要有足夠的剛度才能保證座椅有足夠大的模態(tài)頻率，這樣才能使模態(tài)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)或者坑洼路面的激勵(lì)頻率錯(cuò)開，從而避免共振的發(fā)生！

模態(tài)試驗(yàn)是一種試驗(yàn)手段，主要用于確定座椅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，包括固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)試驗(yàn)的最終目標(biāo)是通過試驗(yàn)的手段獲得振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，從而為系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化提供參考和依據(jù)。

現(xiàn)在可以回答“座椅為什么要做模態(tài)試驗(yàn)？”這個(gè)問題了，原因如下：

1.評(píng)價(jià)座椅結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性能否滿足設(shè)計(jì)要求

通常主機(jī)廠會(huì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初輸入座椅的模態(tài)頻率要求，一般前排座椅的一階共振頻率應(yīng)在17-21Hz范圍內(nèi)。座椅模態(tài)試驗(yàn)又分為骨架模態(tài)試驗(yàn)和整椅模態(tài)試驗(yàn)，一般骨架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果比整椅試驗(yàn)結(jié)果高2-5Hz。

2.識(shí)別座椅骨架設(shè)計(jì)薄弱位置

座椅骨架剛度較低的位置通常振動(dòng)幅度比較劇烈，甚至可能出現(xiàn)明顯的局部模態(tài)。因此，模態(tài)試驗(yàn)有助于識(shí)別這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱的部分。

3.修改結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性

若座椅結(jié)構(gòu)特性不能滿足設(shè)計(jì)要求，可以在不更改座椅骨架的情況下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)修改（更改座椅質(zhì)量分布、增加動(dòng)力吸振器等），模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以為座椅結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)修改提供參考和支持。

4.校準(zhǔn)有限元模型

有限元模型為了減小計(jì)算量通常會(huì)做很多簡(jiǎn)化處理，如不同零件的接觸和裝配方式等等。模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果可以驗(yàn)證有限元模型模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為有限元模型的修改和優(yōu)化提供參考。

小到一輛車，大到一個(gè)品牌，NVH的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的想象，這也是目前各大主機(jī)廠開始花大價(jià)錢研究汽車NVH，提高汽車“品質(zhì)感”的原因！

參考文獻(xiàn)

[1]https://wenku.baidu.com/view/eda3ba3032687e21af45b307e87101f69f31fb32.html?from=search

[2]龐劍. 汽車車身噪聲與振動(dòng)控制[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

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