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座椅為什么要做模態(tài)試驗？

 瞬的知識世界 2022-01-22
答案很簡單嘛，主機廠要求唄！
那究竟為什么要做模態(tài)試驗呢？！！
呃呃……
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座椅是安裝在汽車車身上與人體直接接觸的零部件之一。我們在乘車時坐在座椅上，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，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抖動……
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，小小一個座椅
將影響到我們對一輛車的直觀評價！
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任何一個振動系統(tǒng)都可以用“輸入-系統(tǒng)特性-輸出”模型來表示：輸入是這個振動系統(tǒng)受到的激勵；系統(tǒng)特性是這個振動系統(tǒng)本身的結(jié)構特性；輸出是這個振動系統(tǒng)在受到激勵后的表現(xiàn)，如振動、異響等等。如果我們知道輸入信號（激勵信號）和系統(tǒng)的結(jié)構特性（傳遞函數(shù)），就可以預測振動系統(tǒng)在受到激勵以后的會表現(xiàn)出來的NVH特性。
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如果輸入信號（激勵信號）的能量主要集中在10Hz，振動系統(tǒng)的結(jié)構特性（傳遞函數(shù)）在10Hz附近有個峰值，那么這個結(jié)構將會在10Hz處發(fā)生共振，有可能引起嚴重的振動異響問題。
座椅系統(tǒng)的振動輸入信號主要來源于發(fā)動機和不平整的路面，這些信號通過試驗的手段通常很容易獲得！這時候如果我們知道了座椅系統(tǒng)的結(jié)構特性，就可以預測座椅系統(tǒng)在受到激勵后的響應信號，就可以在座椅設計之初考慮到之后可能會發(fā)生的共振等問題！
模態(tài)試驗就是通過試驗的手段獲得振動系統(tǒng)的結(jié)構特性（共振頻率、阻尼比、模態(tài)振型），這就是模態(tài)試驗的意義！
設計不好的座椅為什么會產(chǎn)生異響、振動或者抖動呢？原因就在于座椅結(jié)構的模態(tài)頻率偏低，導致其縱向模態(tài)或者橫向模態(tài)容易被發(fā)動機或者坑坑洼洼的路面激勵起來，傳遞到靠背或者作用于人體，進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)階段設計并控制座椅的模態(tài)頻率！
實際上整車車身在設計開發(fā)初期就要制定模態(tài)頻率表來指導車身及相關系統(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)動機的怠速頻率、相連系統(tǒng)的模態(tài)頻率關系、車身模態(tài)頻率和怠速模態(tài)頻率的關系等。座椅是車身上安裝的一個附件，在車身設計開發(fā)初期也已經(jīng)被定義！
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座椅系統(tǒng)的輸入信號通常不可以修改（壞路是不規(guī)則的嘛，大家都懂！發(fā)動機通常也不會修改的），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)構特性來實現(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)動機或者坑洼路面的激勵頻率錯開，從而避免共振的發(fā)生！
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模態(tài)試驗是一種試驗手段，主要用于確定座椅系統(tǒng)的結(jié)構特性，包括固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)試驗的最終目標是通過試驗的手段獲得振動系統(tǒng)的結(jié)構特性，從而為系統(tǒng)的振動特性分析、故障診斷和預報以及結(jié)構動力特性的優(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？”這個問題了，原因如下：
1.評價座椅結(jié)構的動態(tài)特性能否滿足設計要求
通常主機廠會在產(chǎn)品設計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在17-21Hz范圍內(nèi)。座椅模態(tài)試驗又分為骨架模態(tài)試驗和整椅模態(tài)試驗，一般骨架模態(tài)試驗結(jié)果比整椅試驗結(jié)果高2-5Hz。
2.識別座椅骨架設計薄弱位置
座椅骨架剛度較低的位置通常振動幅度比較劇烈，甚至可能出現(xiàn)明顯的局部模態(tài)。因此，模態(tài)試驗有助于識別這些結(jié)構設計薄弱的部分。
3.修改結(jié)構的動力學特性
若座椅結(jié)構特性不能滿足設計要求，可以在不更改座椅骨架的情況下進行動力學修改（更改座椅質(zhì)量分布、增加動力吸振器等），模態(tài)試驗結(jié)果可以為座椅結(jié)構的動力學修改提供參考和支持。
4.校準有限元模型
有限元模型為了減小計算量通常會做很多簡化處理，如不同零件的接觸和裝配方式等等。模態(tài)試驗的結(jié)果可以驗證有限元模型模態(tài)分析結(jié)果的準確性，為有限元模型的修改和優(yōu)化提供參考。
小到一輛車，大到一個品牌，NVH的影響遠遠超過我們的想象，這也是目前各大主機廠開始花大價錢研究汽車NVH，提高汽車“品質(zhì)感”的原因！
參考文獻
[1]https://wenku.baidu.com/view/eda3ba3032687e21af45b307e87101f69f31fb32.html?from=search
[2]龐劍. 汽車車身噪聲與振動控制[M]. 機械工業(yè)出版社, 2015.

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