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阻尼對汽車座椅減振特性的作用和影響

2019-06-17 23:40:13·  來源：座椅檢測知多少  
　
汽車座椅通常剛性地固定在車身上，因此不平路面和發(fā)動機(jī)的振動可以通過車身直接傳遞到座椅并作用于乘客身體上，從而影響乘客的乘坐舒適性。單從人-椅系統(tǒng)而言，
汽車座椅通常剛性地固定在車身上，因此不平路面和發(fā)動機(jī)的振動可以通過車身直接傳遞到座椅并作用于乘客身體上，從而影響乘客的乘坐舒適性。單從人-椅系統(tǒng)而言，由于從車身傳遞給座椅的激勵是不可控的，為了提高乘客乘坐舒適性必須提高座椅的減振性能。

01 阻尼的作用

為了提高座椅的乘坐舒適性，工程師們做出了很多努力，如控制泡棉的發(fā)泡厚度、密度、回彈系數(shù)、雙硬度或雙密度發(fā)泡、一些能改善座椅舒適性的類似硬發(fā)泡材料等。對座椅的動態(tài)舒適性而言，面套（皮革/織物/棉布）和泡棉都可以等效于座椅的阻尼（金屬骨架的阻尼很小，幾乎可以忽略不計(jì)）。

為了更直觀形象理解阻尼的作用，可以用一個(gè)單自由度振動系統(tǒng)來說明問題。


使用MATLAB軟件模擬系統(tǒng)在過阻尼、小阻尼和無阻尼情況下的自由振動。過阻尼系統(tǒng)的阻尼比＞1，小阻尼系統(tǒng)的阻尼比在0-1之間，無阻尼系統(tǒng)的阻尼比為0。假設(shè)單自由度振動系統(tǒng)的固有頻率Wn=1，初始條件y0=1，v0=5,系統(tǒng)的阻尼大小可調(diào)，振動圖像如下所示：


從圖上可以看出：無阻尼系統(tǒng)由于沒有外力的影響，其振動將一直持續(xù)下去；小阻尼系統(tǒng)由于受到阻尼力的影響，其振動將逐漸衰減直至停止不動；過阻尼系統(tǒng)由于受到較大阻尼力的影響，其振動迅速衰減至停止不動。

現(xiàn)實(shí)生活中大部分振動系統(tǒng)都屬于小阻尼系統(tǒng)，現(xiàn)在我們單獨(dú)研究小阻尼系統(tǒng)。將阻尼比分別設(shè)置為0.1、0.2、0.3分別查看振動衰減快慢。



從圖中可以看出隨著阻尼比增大，振動衰減速度加快。

為了提高座椅的減振特性，我們有必要了解一下座椅的振動傳遞機(jī)理。
 
02 座椅振動建模分析

座椅振動通常來自于車身地板，為了方便觀察和學(xué)習(xí)可以將座椅簡化成單自由度振動系統(tǒng)進(jìn)行分析。座椅受車身振動激勵產(chǎn)生振動，是一種典型的受迫振動，只考慮豎直方向載荷的情況下其動力學(xué)模型如下所示。圖中m為乘客及座椅質(zhì)量、k為座椅剛度、c為座椅阻尼。乘客和車身分別以x（t）和y（t）的振幅上下運(yùn)動著。


以m為研究對象，假設(shè)阻尼力與速度成正比，彈力與位移成正比，根據(jù)牛頓第二定律可以求出動力學(xué)方程：


上述公式可以簡化為：

（公式1）

由于座椅系統(tǒng)是一種典型的受迫振動，座椅振動頻率與車身的激勵頻率一致，設(shè)車身的激勵頻率為w。分別定義系統(tǒng)固有頻率為Wn、衰減系數(shù)為S、阻尼比為ξ，頻率比為λ則可得：

 （公式2）

將公式2參數(shù)代入公式1，可把方程簡化為

（公式3）

僅考慮車身的激勵為簡諧運(yùn)動，設(shè)


，代入到公式3可得：

（公式4）

公式4的解由瞬態(tài)解和穩(wěn)態(tài)解組成，瞬態(tài)解為阻尼解，隨時(shí)間增長而衰減，因此此處只需考慮穩(wěn)態(tài)解。由于座椅系統(tǒng)是一種典型的受迫振動，座椅振動頻率與車身的激勵頻率一致。設(shè)公式4的穩(wěn)態(tài)解為：

（公式5）

式中：c1、c2為待定系數(shù)。

將公式5代入公式4，經(jīng)整理可得：


由此可以得出關(guān)于c1、c2的線性方程組：


解方程組并化簡可得：


代入公式5中，可以求出受迫振動的幅值為：

（公式6）

定義振幅傳遞率為：

（公式7）

公式5可以改寫成

（公式8）

可以求出系統(tǒng)的相位差為：

（公式9）

03 阻尼對座椅振動傳遞特性的影響

阻尼對座椅振動傳遞特性的影響可以分別從幅頻特性曲線（公式7）和相頻特性曲線（公式9）上得到。以頻率比λ為橫坐標(biāo)軸，以公式7振幅傳遞率和公式9相位差為縱坐標(biāo)軸，以阻尼比ξ為參變量，使用MATLAB做出系統(tǒng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

根據(jù)幅頻特性曲線，座椅振動可以根據(jù)頻率范圍近似分為準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)（0≤λ＜0.7）、共振區(qū)（0.7≤λ≤1.3）和慣性區(qū)（λ＞1.3）。


在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)座椅的振動隨阻尼的增大而減小，振動振幅均大于激勵振幅；在共振區(qū)座椅振動也隨阻尼的增大而減小，但由于和車身激勵發(fā)生共振導(dǎo)致振幅明顯增大；在慣性區(qū)座椅的振動隨阻尼的增大而增大，但是總體振動振幅均小于激勵振幅。

從幅頻特性曲線上可以看出曲線在頻率比λ＞1處相交于一點(diǎn)，該交點(diǎn)與阻尼比ξ無關(guān)，故可以求出該點(diǎn)頻率比λ的值。在公式7中分別令ξ=0和1解方程組可得λ=根號2，這說明從此值開始振幅開始隨阻尼增大而增大。

為了改善汽車平順性，提高乘坐舒適性，首先要保證人體垂向敏感頻率范圍4-12Hz處于減振區(qū)。按照上述單自由度振動系統(tǒng)考量，座椅系統(tǒng)的固有頻率f0≤4Hz/根號2≈3Hz。在設(shè)計(jì)座椅系統(tǒng)固有頻率時(shí)，還要注意避免與車身固有頻率重合以防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。一般車身的固有頻率在1-2Hz之間，座椅系統(tǒng)的固有頻率可以選擇在3Hz附近。

實(shí)際人體是一個(gè)柔性系統(tǒng)，人乘坐在座椅上的減振效果要比剛性質(zhì)量好。若把人體的減振效果考慮進(jìn)去，座椅系統(tǒng)的衰減頻率范圍會向低頻擴(kuò)展，故座椅固有頻率可以設(shè)計(jì)的稍高一些。一些泡沫成型坐墊的固有頻率達(dá)到5-6Hz，配合適當(dāng)?shù)淖枘岜?xi;，仍可以保證4-12Hz處于減振區(qū)。

人-座椅系統(tǒng)的阻尼比ξ一般達(dá)到0.2以上才有較好的減振效果，一些高阻尼材料制成的泡沫坐墊，其阻尼比ξ可以達(dá)到0.3-0.4。


從相頻特性曲線圖上可以看出座椅振動相位滯后于車身激勵相位。在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)，座椅相位與激勵相位相同；在共振區(qū)座椅與激勵之間的相位差發(fā)生突變；在慣性區(qū)座椅與激勵之間的相位差隨阻尼比ξ的不同而變化，阻尼比較大時(shí)相位差比較大。

04 結(jié)論

本文使用單自由度振動系統(tǒng)尋找阻尼對座椅減振性能的影響，具體結(jié)論如下：

（1）人-座椅系統(tǒng)的固有頻率建議選擇在3Hz附近，以保證人體敏感的頻率范圍4-12Hz處于減振區(qū)。

（2）人-座椅系統(tǒng)的阻尼比ξ一般達(dá)到0.2以上才有較好的減振效果。適當(dāng)增大座椅的阻尼，可以提高座椅的減振性能。

（3）對于阻尼可調(diào)的工程機(jī)械等座椅，可以在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)（低頻段）使用高阻尼，在慣性區(qū)（高頻段）使用小阻尼，以提高座椅減振性能。
 
 
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