王毅,崔萍萍
(奇瑞汽車股份有限公司,安徽 蕪湖 241000)
座椅的動(dòng)態(tài)特性是指其對(duì)從汽車的車身、懸架、輪胎傳遞而來的外界振動(dòng)和沖擊的緩沖能力和減振特性。動(dòng)態(tài)特性的研究主要涉及座椅的剛度和阻尼。
座椅在真實(shí)路譜下的振動(dòng)較為復(fù)雜,我們將座椅系統(tǒng)簡化為一個(gè)有阻尼的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)。座椅系統(tǒng)的振動(dòng)是由于受到了車身經(jīng)由座椅支腳傳遞的激勵(lì),是受迫振動(dòng),有阻尼的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)方程如下:
其中m 為系統(tǒng)的質(zhì)量,c 為阻尼系數(shù),k是系統(tǒng)的剛度,c0為臨界阻尼系數(shù),系統(tǒng)的固有頻率為激振力的強(qiáng)度。在積極隔振中,系統(tǒng)外輸入的激振力P為振源 ,隔振后傳出的力為F,F(xiàn)/P即為力的傳遞率βf。在消極隔振中,系統(tǒng)隔振后的位移(速度或加速度)幅值與基礎(chǔ)位移(速度或加速度)幅值之比稱為運(yùn)動(dòng)傳遞率βd。βf與βd有完全相同的表達(dá)形式,統(tǒng)稱為振動(dòng)傳遞率β。有阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率公式如下:
其中是振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼比,是振動(dòng)系統(tǒng)的頻率比,當(dāng)即時(shí),系統(tǒng)發(fā)生共振??梢?,當(dāng)有阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí),系統(tǒng)的阻尼決定了傳遞率。
傳遞率β的值反映了系統(tǒng)的減振性能,β值越小,則座椅的減振效果越好。
由以上的計(jì)算可知,系統(tǒng)的傳遞率與阻尼比ψ和頻率比λ有關(guān),而最終都與系統(tǒng)的剛度k有關(guān)。
座椅剛度k的選擇,要從座椅的固有頻率與懸架、車輪的固有頻率相匹配來考慮,既要避免與懸架、車輪的固有頻率相重合,又要避開人體最敏感的 4~8 Hz的頻率范圍。一般車身在懸架上的固有頻率為 1.2~2 Hz,車輪(輪軸)的固有頻率為 9~11 Hz。當(dāng)主要考慮垂直振動(dòng)時(shí),座椅的剛度與車身剛度、輪軸的剛度相互作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 2.1所示。其中(a)表示車身加速度的放大因數(shù)與激振頻率的關(guān)系,(b)表示座椅傳遞率與激振頻率的關(guān)系,(c)表示座椅與車身共同作用的疊加(表現(xiàn)為幅頻特性的乘積)的結(jié)果,反映了某汽車座椅上人所承受傳遞率與激振頻率(路面不平度)之間的關(guān)系。
圖1 整車垂直振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果
由圖 1(a)可知,當(dāng)激振頻率分別達(dá)到1.42Hz和9.95Hz時(shí),車身幅頻特性將出現(xiàn)共振峰值。由圖 1(b)可知,當(dāng)激振頻率達(dá)到2.9Hz時(shí),傳遞率達(dá)到共振峰值。由圖 1(c)可知,當(dāng)它們共同作用時(shí),在輪軸固有頻率為9.95Hz,人所能承受的座椅加速度傳遞率的共振峰值減小,達(dá)到減振效果,但在車身固有頻率 1.5Hz及坐墊固有頻率3Hz附近,車身加速度卻被放大,沒能起減振作用。因此,在設(shè)計(jì)座椅彈性元件時(shí),一定要考慮它的影響。
為了避免與車身的固有頻率(1.2~2 Hz)相重合,如果設(shè)計(jì)低于1 Hz 的彈性元件,人坐上去雖然很柔軟,但撓度將超過 25mm,給布置上造成困難;另一方面,汽車在崎嶇不平的壞路面上行駛時(shí),使彈簧剛度超出極限值,其效果將適得其反,會(huì)造成很大沖擊。所以最好選擇在2 Hz以上。由此可見,座椅彈性元件的頻率,建議選擇在3 Hz上下。坐墊的剛度選擇,以使其固有頻率ω0在 2~ 3Hz為宜,剛度在78~118 N/cm之間較合適。
座椅的阻尼比ψ對(duì)振動(dòng)特性的影響如圖 2所示。圖中,ω為激振頻率,ω0為振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率,橫坐標(biāo)為頻率比λ,縱坐標(biāo)為傳遞率β。
圖2 座椅的阻尼比ψ對(duì)振動(dòng)特性的影響
由圖2可知,當(dāng)λ=1 時(shí),ω=ω0 ,將發(fā)生共振,共振區(qū)域范圍為 0.75≤λ≤ ,β>1,在此區(qū)域,阻尼比越大,則傳遞率越小,即抑制共振效果越好。
當(dāng)λ> 時(shí),屬于減振區(qū),此時(shí),振動(dòng)被衰減,在減振區(qū)域,阻尼比越大,則傳遞率越大,減振效果變差。
由上所述可知,座椅能使人最敏感的頻率處于減振區(qū),故該系統(tǒng)的自然頻率以ωn<3Hz 為最佳。振動(dòng)傳遞與系統(tǒng)阻尼有關(guān),大阻尼可減少共振峰,但在減振區(qū),大阻尼反而對(duì)減振不利。實(shí)踐證明系統(tǒng)的阻尼比ψ=0.25 比較合適,這樣,在共振區(qū)其幅值不會(huì)太大,高頻區(qū)又能保持良好的減振效果。
在研究座椅的動(dòng)態(tài)特性時(shí),我們可以將座椅系統(tǒng)簡化成單自由度系統(tǒng),而剛度和阻尼最重要的系統(tǒng)參數(shù),由分析得到兩個(gè)參數(shù)的推薦值,剛度k在78~118 N/cm之間較為合適,阻尼比ψ=0.25 比較合適。
參考文獻(xiàn)
[1] 高江華.乘員-坐墊系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)建模與分析[D].北京:清華大學(xué),2014.