汽車座椅導(dǎo)軌異響問題的仿真分析及優(yōu)化方法

余慧杰，張智源，張 晨

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

?

汽車座椅導(dǎo)軌異響問題的仿真分析及優(yōu)化方法

余慧杰，張智源，張 晨

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

汽車座椅導(dǎo)軌在不確定外載荷作用下，導(dǎo)軌內(nèi)的滾珠和導(dǎo)軌之間不斷發(fā)生壓緊和分離的交替運動，若對滾珠的預(yù)壓量不當(dāng)，則在汽車行駛的過程中會產(chǎn)生異響。為了確定合理的預(yù)壓量，基于Hyperworks仿真軟件，將內(nèi)外導(dǎo)軌和滾珠的接觸關(guān)系用彈簧-阻尼單元代替。對導(dǎo)軌施加一定激勵，可得到該單元節(jié)點處的相對位移，在此基礎(chǔ)上對位移的大小進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)研究，最終得出合理的導(dǎo)軌預(yù)壓量為0.21 。

汽車座椅導(dǎo)軌；彈簧-阻尼單元；相對位移；統(tǒng)計學(xué)；預(yù)壓量

隨著人們對于汽車乘坐舒適性要求的提高，汽車座椅導(dǎo)軌作為座椅與車身之間的連接部件，其異響問題受到各大汽車廠商的重視。座椅內(nèi)外軌之間存在4條溝槽，溝槽內(nèi)由保持架固定若干滾珠，內(nèi)外導(dǎo)軌同時承載著座椅與乘客的重量和車身傳給它的路面隨機(jī)激勵，因此導(dǎo)軌內(nèi)滾珠與內(nèi)外軌之間的結(jié)合部位將是振動噪聲產(chǎn)生的主要來源。

一直以來，人們對汽車座椅導(dǎo)軌異響問題進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[1]采用振動傳遞路徑分析方法對座椅導(dǎo)軌的振動問題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2]利用測試手段和動態(tài)仿真相結(jié)合的方法，對某汽車的懸置系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以減少座椅導(dǎo)軌的異響，文獻(xiàn)[3]提出了從舒適性角度對座椅的振動噪聲進(jìn)行評價的幾種方法，這些研究工作雖在一定程度上減少了噪聲的產(chǎn)生，但沒有從根本上解決導(dǎo)軌的異響問題。目前，諸多座椅廠均是采用對導(dǎo)軌進(jìn)行預(yù)壓的方法，來減少導(dǎo)軌的異響，但預(yù)壓量卻往往是依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，且由于滾珠位置處于導(dǎo)軌內(nèi)部，難以用實驗測量的方法精確獲取導(dǎo)軌結(jié)合部滾珠的變形量，異響問題仍未從根本上得到解決。

本文采用彈簧—阻尼單元來代替導(dǎo)軌內(nèi)滾珠與內(nèi)外軌的接觸關(guān)系，以該單元兩端點之間的相對位移來近似模擬導(dǎo)軌內(nèi)部滾珠的擠壓和分離狀態(tài)，并利用Hyperworks軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，獲取導(dǎo)軌內(nèi)的所有彈簧—阻尼單元的相對位移并進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，最后根據(jù)導(dǎo)軌與滾珠的間隙分布情況，確定合理的預(yù)壓值，進(jìn)而從根本上減少導(dǎo)軌異響問題。

1 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及計算機(jī)建模

1.1 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)由外軌、內(nèi)軌(滑塊)、滾珠、滾珠保持架、卡位裝置等組成，如圖1所示。內(nèi)軌通過導(dǎo)軌溝槽內(nèi)的滾珠安裝在外軌上；保持架用于固定各滾珠之間的相對位置，也用于保證內(nèi)軌滑動過程中滾珠有序滑動，同時也能防止?jié)L珠從溝槽內(nèi)滑出；內(nèi)外軌兩端都有凸起限位結(jié)構(gòu)，防止內(nèi)外軌錯位嚴(yán)重保持架滑出溝槽。

從宏觀上看，內(nèi)外導(dǎo)軌和滾珠的結(jié)合面是光滑的。但實際上，其表面卻是凹凸不平的，在正壓力下，表面上這些凹凸體中，峰頂較高的率先發(fā)生接觸，產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)壓力增大時，較低的峰點便開始相互接觸，原來已經(jīng)發(fā)生彈性變形的峰點隨著變形量的加大，會繼續(xù)發(fā)生塑性變形，這樣結(jié)合面始終表現(xiàn)為彈性變形和塑性變形混合交織的狀態(tài)[4]，從而使結(jié)合面表現(xiàn)出既有剛度又有阻尼[5]，這為本文采用彈簧—阻尼單元來替代滾珠與導(dǎo)軌的連接關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 汽車座椅導(dǎo)軌剖面圖

1.2 導(dǎo)軌有限元模型

汽車座椅導(dǎo)軌有限元模型利用計算機(jī)軟件Hyperworks[6]進(jìn)行創(chuàng)建，導(dǎo)軌整體采用CQUAD4單元進(jìn)行建模，導(dǎo)軌模型的相關(guān)材料和尺寸如表1所示。

表1 導(dǎo)軌模型尺寸和材料參數(shù)

根據(jù)滾珠在導(dǎo)軌中的位置，可將其分為4組，根據(jù)導(dǎo)軌中各組內(nèi)實際的滾珠數(shù)目，在創(chuàng)建模型的過程中，在導(dǎo)軌模型第1組和第4組的相應(yīng)位置分別嵌入6個彈簧-阻尼單元，第2組和第3組位置分別嵌入4個彈簧-阻尼單元，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)軌模型內(nèi)部滾珠位置示意圖

1.3 剛度和阻尼參數(shù)的獲取

導(dǎo)軌接觸部位的剛度和阻尼值對導(dǎo)軌整體剛度和變形有較大影響。采用文獻(xiàn)[7]的方法，對某型號汽車座椅導(dǎo)軌截面滾珠接觸部位的動力學(xué)參數(shù)剛度和阻尼進(jìn)行識別，結(jié)果如表2和表3所示。并將得到的剛度和阻尼參數(shù)賦給相應(yīng)位置的4組彈簧-阻尼單元。

表2 彈簧-阻尼單元的剛度識別結(jié)果 /N·m-1

表3 彈簧-阻尼單元阻尼識別結(jié)果 /N·m-1

1.4 接觸部位間隙的定義

在有限元軟件中，建立彈簧-阻尼單元時選擇兩個相互重合的節(jié)點作為該單元的兩個端點，這樣可更直觀的考察間隙值，將彈簧兩端點相對位移量在結(jié)合部公法線方向上的分量定義為間隙。若兩端點反向分離則定義為出現(xiàn)間隙；若兩端點相向重合則定義為壓緊，即不出現(xiàn)間隙,其間隙值的計算如式(1)所示，間隙示意圖如圖3所示。

(1)

圖3 間隙示意圖

2 有限元仿真分析及結(jié)果評價

2.1 有限元仿真流程

為簡便起見，將座椅自重和乘客的重量簡化為對導(dǎo)軌所施加的垂向載荷，由于相位差對振幅影響很小，所以在安裝點處采用相同的激勵信號，未考慮激勵信號相位差的影響，垂向載荷和激勵的施加位置如圖4所示。將采集得到的實際路譜信號作為瞬態(tài)激勵信號，如圖5所示。對導(dǎo)軌模型進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析。

圖4 垂向載荷和激勵施加位置示意圖

圖5 時間—加速度路譜

2.2 仿真結(jié)果評價

根據(jù)上述的定義，在圖5所示路譜的激勵下，導(dǎo)軌內(nèi)嵌入的20個彈簧-阻尼單元兩端點必然會產(chǎn)生相對位移，由此可得到20個彈簧-阻尼單元兩端點A、B之間的相對位移，根據(jù)分組，可以分別得到各組彈簧-阻尼單元的相對位移變化情況，如圖6～圖9所示；其中A點取連接內(nèi)軌的單元節(jié)點，B點取連接外軌的單元節(jié)點，兩節(jié)點在初始時刻相互重合。

圖6 第1組6個彈簧-阻尼單元的位移隨時間變化曲線

圖7 第2組4個彈簧-阻尼單元的位移隨時間變化曲線

圖8 第3組4個彈簧-阻尼單元的位移隨時間變化曲線

圖9 第4組6個彈簧-阻尼單元的位移隨時間變化曲線

由圖6～圖9可得，在跨度為50 s的時間歷程上間隙的最大值為0.23 mm。為進(jìn)一步確定座椅導(dǎo)軌間隙值的分布情況，對圖6～圖9中20個彈簧—阻尼單元兩端點之間的相對位移進(jìn)行了統(tǒng)計學(xué)分析：在每條曲線上均勻取出400個點，20條曲線的8 000個點構(gòu)成了統(tǒng)計的樣本空間，對8 000個點的縱坐標(biāo)值進(jìn)行了統(tǒng)計，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計計算得該組數(shù)據(jù)服從N(0.000 27,0.070 1)的正態(tài)分布。由于只考慮出現(xiàn)間隙的情況，取正態(tài)分布的右半部分，如圖10所示。

圖10 間隙區(qū)間分布柱狀圖

容易得出該部分均值為0.028 mm，即間隙均值為0.028 mm。由數(shù)理統(tǒng)計[8]可知，該部分的概率密度函數(shù)是正態(tài)分布概率密度函數(shù)的兩倍，且x的范圍為0～+∞。根據(jù)正態(tài)分布表，可得間隙置信度表如表4所示。

表4 間隙置信度

或者根據(jù)3σ準(zhǔn)則，將有99.74%的概率保證間隙值不超過0.21 mm。即在導(dǎo)軌裝配過程中，若在導(dǎo)軌與鋼珠之間預(yù)壓0.116 mm，則有90%的概率保證導(dǎo)軌與滾珠之間不出現(xiàn)異響；預(yù)壓0.137 mm,則有95%的概率保證導(dǎo)軌與滾珠之間不出現(xiàn)異響；預(yù)壓0.180 mm，則有99%的概率保證導(dǎo)軌與滾珠之間不出現(xiàn)異響；預(yù)壓0.21 mm，則有99.74%的概率保證導(dǎo)軌與滾珠之間不出現(xiàn)異響。

3 結(jié)束語

通過上述建模方法可得到各個彈簧-阻尼單元兩端點的相對位移量，也即導(dǎo)軌內(nèi)間隙值的大小，并對其進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析。根據(jù)分析結(jié)果，可得出不同的預(yù)壓量，異響發(fā)生的可能性也不同，為了最大限度的減少異響現(xiàn)象，建議預(yù)壓0.21 mm，在工程實際中，座椅制造商在解決導(dǎo)軌異響問題時對導(dǎo)軌的預(yù)壓量為0.2 mm，這說明本文的研究與工程實際相吻合，為解決實際問題提供了理論依據(jù)。

[1] 張輝.某輕型客車駕駛員座椅導(dǎo)軌異常振動傳遞路徑分析[J].上海汽車,2015(9):34-39.

[2] 呂兆平,楊曉,秦際宏.某微型車駕駛室座椅導(dǎo)軌怠速異常振動分析與改進(jìn)[J].汽車技術(shù),2012(12):47-51.

[3] 李強(qiáng),丁曉東.汽車與工程用車座椅的振動舒適性研究[C].長春:吉林省第五屆科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會,2008.

[4] 宋森熠.機(jī)械結(jié)合面微觀作用機(jī)理初探及應(yīng)用[D].昆明:昆明理工大學(xué),2009.

[5] 王松濤,王立華,張鵬.機(jī)械結(jié)合面阻尼的產(chǎn)生機(jī)理研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械,2007,34(12):1-4.

[6] 王鈺棟,金磊,洪清泉.Hyper Mesh& Hyper View應(yīng)用技巧與高級實例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[7] 張晨,余慧杰,丁曉紅.基于汽車座椅導(dǎo)軌試驗?zāi)B(tài)的結(jié)合部剛度優(yōu)化[J].機(jī)械工程與自動化,2015(3):56-58.

[8] 張卓奎,陳慧嬋.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

Car Seat Track Abnormal Noise Simulation Analysis and Optimization

YU Huijie，ZHANG Zhiyuan，ZHANG Chen

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Car seat track in an uncertain external load, alternating movement of the pressing and separation continue occuring between the balls and the guide tracks inside the car seat .If the preload value sets improperly, the noise will generate during the car driving . In order to determine the reasonable amount of preload, simulation software based Hyperworks，balls in rail junction are replaced by spring-damper units. Applying a certain incentive for rail, the relative displacement can be obtained at the nodes, finally,conclude a reasonable amount of preload 0.21 .

car seat track;spring-damping element;relative displacement;statistics;preload amount

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.022

2016- 02- 16

余慧杰(1979-)，男，博士，講師。研究方向：結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析及優(yōu)化等。

TP391.9 ;TH164

A

1007-7820(2016)12-078-04