汽车座椅减振研究

互推小编 2024-03-23

出品 | 焉知

车辆行驶时，乘员会受到发动机、连接装置、作用在底盘上的道路激励和气流引起的大量规则和不规则的振动。我们将大约30 Hz至15000 Hz范围内的较高频率振动视为噪声。将低于听觉极限的低频振动不再视为噪声，而是会影响我们的身体的振动干扰。因此，在开发车辆座椅时考虑到其结构设计需要满足从车辆传递到乘客的振动频率应位于影响到乘员健康的区域之外，这对于乘客的健康和舒适性非常重要。下面对车辆和人的固有频率进行简单论述，以及特定频率范围对舒适度的影响。

下图的座椅共振曲线表明，在振动调谐过程中，必须注意确保座椅接收的固有频率务必在乘员的风险固有频率之外。因此，希望保持座椅共振曲线上的振幅增加到最大时对应的频率尽可能地小。具体的说，下图f0在任何情况下都不应超过3 Hz的值。此外，必须注意确保振幅从高到低衰减(即减振过程)到初始值时的频率也尽可能低，期望值约为5 Hz。下面我们看到理想座椅共振曲线的简化图示。

理想座椅共振曲线

由于人们对作用于其身上的激励频率的感知和评价具有很大的差异性，因此创建了一个特征值来评估振动的合理性和耐受性。该特征值称为K值。在VDI-2057“机械振动对人体的影响”中对此有详细阐述。这里将K值描述为依赖于振动加速度和频率的相同感知强度的线。由于K值代表振动舒适度的绝对测量值，因此可以将不同作用点和方向的K值进行比较。与坐姿相关的作用方向是垂直方向，即Z方向，对应的K值被称为KZ。对于每个加速度振幅（a），现在可以用数学方法确定评估曲线，确定公式与人体感知一致。因此，在主要身体部位和器官的固有频率范围内的振动比其他频率范围的振动更为强烈，低于4 Hz的频率比高于8 Hz的频率更为重要。

基本上，可感知性与振幅的高度有关。当KZ值小于等于0.8时，振动是处在不会被感知和刚要被感知的临界点，如果KZ值大于0.8并且长时间作用（超过24小时）就会影响健康，使人产生不适感。随着KZ值的不断增加，振动被感知得也越来越明显，研究表明如果KZ值达到 110，振动只需要作用一分钟，就会对乘员的健康产生危害。对舒适和健康的影响的评估基于ISO 2631。振动测试主要关注座椅的舒适性系数（KF），该系数由地板或座椅螺栓固定的K值除以座椅表面的K值得出。此外，还计算了所谓的谱功率谱密度（PSD）和传递函数（TF）的特征值，该传递函数表示输出和激励振动的振幅之比。

座椅上的减震应用

泡沫减振

有不同的方法可以有效地抑制座椅上发生的振动。最常见的方法是使用PU软泡沫进行振动衰减。为了单独使用这种材料就能够获得足够的阻尼，有两点很重要：足够的材料厚度以及尽可能低的刚度跳变，这意味着厚度需要在特定的位置尽量保持恒定。例如，如果坐盆骨架上安装有非常坚固的凸起结构，这可能会导致明显的压力尖点，从而使舒适感和缓冲感恶化。基本上，所需的材料厚度也取决于负载的大小。在臀部，你需要比大腿下方或背部更厚的泡沫。根据经验可以说，臀部需要至少100mm的厚度以获得良好的缓冲。还有一点需要特别注意，泡沫的阻尼作用贡献不会受到较大的蒙皮张紧力的影响。

弹簧芯减振

在汽车制造业的早期存在过另一种减振方法，即所谓的弹簧芯结构。

当时，还没有现代座椅泡沫的替代品，为了获得更好的阻尼特性来对抗来自路面的强烈振动，人们把单个的弹簧芯与钢丝相连接形成一个平面，并在表面上提供一层马鬃，以便在更大的面积上分配弹簧帘承受的压力；或者设计为口袋式弹簧芯，即将弹簧嵌入织物袋中，从而形成一个干净且最安静的结构单元。今天，我们在车辆中越来越少看到弹簧芯的应用了。因为把弹簧芯和泡沫结合在一起的的成本相当高，并且这种解决方案需要比较大的安装空间。

坐垫悬挂减振

当今非常常见的系统是，坐垫由厚度较薄（30–50 mm）的PU软泡沫组成，并放置在如蛇形弹簧或橡胶带垫子这样的下悬挂上。这种解决方案的特点是成本低，安装空间要求低，阻尼特性好。蛇形簧的开放式结构和低厚度的坐垫对座椅的空调功能实现也是极为有利的。不同的汽车制造商对于坐垫减振悬挂有不同的设计理念。在这种情况下，有如下两个术语是经常被提到的，No-sag弹簧和Pirelli倍耐力垫。No-sag和Pirelli都是各自领域的头部企业，他们以性能优异的产品成就了自己公司的业界名声。

蛇形弹簧

橡胶垫

弹簧制造

靠背悬挂减振

悬挂减振系统也通常应用于靠背的减振。对于低成本座椅，会使用简单的钢丝帘方案，该垫通过几个拉伸弹簧连接到靠背骨架的侧板上。为了防止噪音，钢丝帘的外侧纵向钢丝采用包胶处理。中间纵向放置一个的小塑料管，所有的横向钢丝都按照设计间距穿过它，以防产生接触噪音。对于带有腰部支撑的座椅，就使用腰部支撑实现悬挂减振。在个别情况下，减振也可以借助橡胶垫实现，例如下面展示的儿童座椅。

半减振座椅

减振的另一种可能性是在泡沫结构之外使用弹簧系统。即在座椅衬板的下方布置，在其下方前部通过铰接接头连接到座椅骨架上，在其下方后部，由于负载分布的原因，需要更大的缓冲，衬板需要通过板簧或螺旋弹簧做悬挂支撑。这种系统被称为半减振座椅。这些系统通常具有渐进式弹簧特性，通常用于跑车中，因为可提供的布置空间极其有限，无法单独使用座椅泡沫实现所需的阻尼。这个解决方案总体上相当复杂，由于涉及相对运动，需要特殊的座椅护板设计。

全减振座椅

人们针对重型商用车的座椅发明了一种特别有效的减振方法。即所谓的完全减振座椅。由于较大的安装空间需求，此类系统不能应用在轿车上。这通常是一个剪式悬架机构，由气弹簧作为减振阻尼。阻尼强度可根据乘员的体重进行调整。商用车座椅的直立坐姿允许很长的弹簧行程，这反过来使得即使是受到极端的冲击也能够进行良好的调谐和阻尼。在商用车中，这一点甚至比乘用车更为重要，因为商用车驾驶员在其职业生涯中必须在座椅上累计保持60000小时或更长的乘坐时间。在这里，座椅减振和空调的性能不仅是生产力因素，也是对健康损害的一种预防。