《汽车座椅噪声探析及降噪改进措施》8900字（论文）

汽车座椅噪声分析及降噪改进措施摘要：随着汽车信息技术的日益发展和进步，人们对于生活的物质品位要求也在日益提升。对于汽车而言，汽车座椅作为汽车上直接接触到使用者的零部件，舒适美观的特性要求便成为了人们判定汽车好坏的标准之一。然而在汽车座椅的使用和调节过程中产生的振动噪声会对使用者的舒适性能产生较大影响，因此在汽车开发前对汽车座椅的振动噪声的分析研究便显得格外重要。本文首先对汽车座椅绘制了三维模型，然后建立了汽车座椅结构的有限元模型，然后对该模型进行模态分析。在保持汽车座椅原有使用性能的基础上，降低其在使用过程中由于振动而产生的噪音。关键词：汽车座椅；三维模型；有限元；振动噪音；噪声分析目录TOC\o"1-3"\h\u39251绪论 1182551.1研究背景及意义 1228981.2汽车振动噪声检测技术国内外研究现状 1161781.3汽车座椅国内外研究现状 24411.4本课题主要研究内容 3157422汽车座椅结构及分类 4304132.1汽车座椅的组成和性能要求 4119402.2汽车座椅的分类及设计参数要求 5278503汽车座椅噪声分析 6246483.1汽车座椅噪声产生机理分析 679853.1.1摩擦噪声 6278373.1.2共振噪声 686913.1.3敲击声 6129793.2噪声分析方法 644753.2.1有限元法 670373.2.2边界元法 7158983.2.3传递路径分析法 7146623.3汽车座椅噪声被动控制方法 7286513.3.1隔振降噪 781793.3.2阻断振动传播路径降噪 7283253.3.3优化座椅结构降噪 756614汽车座椅结构模态分析 854344.1模态分析概述 8263084.2模态分析方法和补助 886154.3汽车座椅骨架结构建模 820564.4汽车座椅结构模态分析 9208454.5汽车座椅降噪改进措施 10114785总结 1125473参考文献 121绪论1.1研究背景及意义通过对目前汽车市场调查研究可以发现，当前大部分的消费者在购买汽车时，首先会考虑汽车的性价比，安全性和舒适性等要素。其次才是汽车的外观以及内饰等其他方面的因素。而汽车座椅作为汽车众多零部件中的一个重要部分，它在被使用过程中所带给乘客的感受将直接影响消费者的最终购车与否。汽车座椅在被使用和调节过程中，会产生各种振动噪音，这会极大的影响乘客的乘坐舒适性[1]，从而影响消费者的心理产生负面影响。因此，汽车制造商会在汽车出厂之前会对振动噪声，舒适性和安全性进行检测，达到相关标准才可以出厂，这可以极大程度的为消费者带来较好的消费体验。振动和噪声的联系是十分密切的，座椅振动的噪音不仅会对人的神经和身体机能产生一定的影响，而且振动还会对发动机产生不利因素，从而损耗汽车的其它相关零部件。因此，振动噪声的强弱也可以判断出一个汽车座椅它的质量好还是差[2]。振动噪声的大小会使乘客对舒适度的评判标准有所改变。汽车电动座椅的舒适度评判有以下两个基本内容：座椅静态时舒适度和座椅动态时舒适度，静态时的舒适度与座椅的各种运动几何结构特征、调整角度特征、物理振动特征等客观因素密切相关，动态舒适度主要认为是座椅振动的物理特征因素造成的[3]。多项相关研究结果表明，改变某些汽车座椅的整体动态性能参数，并不会对汽车其他相关使用性能造成影响，因此改善某些汽车座椅的整体动态性能参数，能够在一定程度降低噪声，从而提高乘客的安全感和乘坐舒适度[4]。目前国内对于汽车座椅舒适性的研究这块的成果与国外同类产品还存在着较大差距，因此迫切需要开展这块相关内容的研究。本文通过检测汽车座椅在使用和调节过程中产生的振动噪声，调整汽车座椅的相关物理参数，最终使得传入人耳的噪声水平达到符合规定的标准。本文的研究将对汽车座椅的舒适性的改善提供理论依据。1.2汽车振动噪声检测技术国内外研究现状随着现代汽车技术研究水平的提高，汽车工程这一行业得到了飞速发展，与之密切相关的技术领域：振动与噪声质量检测这一技术也在获得不断的发展和逐步完善。在20世纪初，国外一些发达的现代工业技术国家已经针对以机械振动和噪声检测系统为主要技术特点的故障检测和振动噪声评估技术开始了深入研究，并且已经取得了初步的应用发展，这为后续更加安全自动化和规范化的故障检测评估技术奠定了坚实基础。20世纪60年代末，汽车机械振动与噪声检测技术更是取得了飞跃式的发展，并且它的应用领域也变得越来越广泛，在机电传动一体化、光机电、电子及信息检测技术等许多方面都有所涉及。在1970-1980期间，伴随着现代计算机信息技术的快速发展，汽车振动与噪声检测技术、数据的分析采集处理技术、测试数据结果存储技术等都逐渐开始趋于自动化发展的进程，因此，有国家便将这种自动化的检测技术投入到生产线中，来提高汽车产品的生产管理效率以及质量[5]。后来，现代检测技术这项技术开始被某些制造业强国应用到与汽车相关的领域之中，从而使自动化生产的进程加快，与汽车相关产品的制造效率大幅度提高，降低了生产所需成本，带来了显著的经济效益。国外对这项技术的研究有：丹麦的必凯科技公司最新推出的多功能、多用途的PULSE噪声分析仪测试平台，可以广泛应用于汽车振动系统噪声定量测试、发动机故障振动噪声检测等众多测试项目中[6]。美国DataTranslation公司推出了许多关于振动与噪声采集的软件产品可以与该公司的各种数据采集硬件进行无缝连接[7]。国内对振动噪声测试系统的研究明显存在着不足和差距，在测量精度和稳定性能上还需要下很大的功夫去改进，但随着信息技术的发展和科学研究水平的进步，这种差距很快被拉进了。北京东方研究所全球首家推出的型号为DASP振动噪声检测仪器，在该领域中已处在世界前列。北京波谱有限公司推出的WS-AV声振质量测试高速数据分析处理软件系统，在建造、航空、车辆等领域中已得到了广泛应用[8]。此外，国内某些机构和大学将一些软件平台与虚拟仪器结合起来，为振动与噪声测试提供了新的研究方向，目前已经出现了许多各具特色的振动与噪声检测系统。如上海711研究所针对发动机进排口的振动与噪声，开发出了基于虚拟测试仪器的数据分析系统[9]；江苏大学研发出了基于虚拟仪器的振动噪声分析系统，并且利用该测试分析系统验证设计的发动机缸盖是否合理[10]；天津大学针对内燃机的振动噪声，研发出了基于虚拟仪器的振动噪声分析系统，解决了内燃机工程上的许多故障[11]。1.3汽车座椅国内外研究现状国外对汽车座椅模态分析的研究主要有：2003年，Baik对汽车座椅进行了进行三维建模和模态分析，研究处于不同位置的滑轨对座椅骨架模态会产生什么影响[12]。2012年，Yao[13]对推土机座椅进行了模态分析，通过分析结果对其结构进行了优化改进，提高了它的局部运动刚度，并对改进后的座椅进行了模态验证。最后，对未修改的座椅与修改后的座椅进行了对比分析。2013年，Siddha[14]建立了某个汽车座椅的有限元模型，并对汽车座椅进行了模态分析，研究了座椅部件材料属性的改变对共振频率影响，最后在座椅扶手上出现了共振，因此更换了扶手材料使得座椅的的固有频率提高。2015年，ZouT根据客车座椅在实际运行条件下的振动，将座椅简化为悬臂梁的物理模型，利用模态理论对简化后的座椅进行了分析和验证，提出了座椅模态的工程设计指导[15]。汽车座椅模态分析在国内的研究有：李雪城[16]对某汽车座椅模态进行了仿真分析与试验研究，通过灵敏度实验筛选出对模态频率、强度和质量最为敏感的5个座椅零部件，改变座椅模态频率，然后对汽车座椅部分零件尺寸参数进行调整，使座椅的模态频率完全避开了与车身的共振频率。金开利[17]对某款座椅进行了试验模态数据分析，计算模态分析，分析了头枕、抬髙器、调角器和滑轨对的座椅模态的影响。王淑芬[18]通过建立某汽车座椅三维模型，利用AnsysWorkbench软件进行了模态分析，在模拟振动路面上进行振动试验模态分析，获得座椅骨架中低阶段部分的模态参数，最后发现该座椅骨架的模态频率与人体不同器官的共振频率不重合，这为后续的汽车座椅结构优化设计提供一定的参考依据。岳强[19]研究了SUV车型后座座椅振动问题，通过灵敏度试验测量分析，筛选出关键零部件，利用增加板厚的方式来提升座椅的刚度、模态频率以及座椅的NVH性能。胡俊提出的基于多种代理模型的轻量化设计方法，使得汽车座椅在满足各项安全指标下，质量减少了百分之十五，并且一阶模态提高了百分之七[20]。1.4本课题主要研究内容本文主要针对汽车座椅骨架进行建模仿真分析，通过模态分析确定座椅骨架各阶模态频率，然后改变座椅的模态频率使之不与汽车其它部件的固有频率重合，避免频率相同时发生共振，从而降低座椅噪声。利用CATIA建立汽车座椅骨架三维几何模型，首先对底座、连接板及螺钉、靠背分别建模，然后根据相关约束条件对他们再进行装配。通过ANSYS动态仿真分析软件对汽车座椅骨架进行模态分析，然后获得它的的各阶模态频率。然后找出座椅的一阶模态频率值，并将其提高，以此避免共振的产生，降低振动噪声。（3）提出相对应的改进措施，来改变汽车座椅的某些物理性能，由此来达到对汽车座椅降噪的目的。

2汽车座椅结构及分类汽车座椅作为整个汽车最重要的安全部件，它对乘客的保护作用显而易见。它不仅能使乘客在发生事故时，处在安全的生存环境内，阻挡其他车载体进入到这个空间；而且会使乘客在事故发生过程中能够保持一定的安全姿势使得意外伤害的程度降至最低。2.1汽车座椅的组成和性能要求座椅由骨架、座垫、座椅靠背、坐姿调整传动机构、座椅连接件、调角器、滑轨和头枕等部件组成（如图2.1所示）。图2-1汽车座椅的组成结构座椅骨架是起支撑性作用的部件，同样还是重要的安全部件，应满足一定的刚度和强度要求。座垫及靠背需要有一定的弹性形变范围。传动调整机构能够让座位朝各个垂直面方向移动，又能调整座垫与靠背之间的倾斜度。有些汽车座椅还配备了可手动调整的弹性式悬架和减振器，这样才能使得即便在不同身材和体重的驾驶员的作用下，仍能确保座垫距离座架底板的高度。调角器主要对座椅靠背与坐垫之间的角度进行调整，滑轨也是汽车座椅的安全部件之一，它主要对座椅的水平位置进行调整，因此它需要保证足够的强度和刚度用来连接座椅与地板，来增加安全性。头枕则使乘客的肩部和头部始终处在安全的状况内。汽车座椅的组成部件大都可以进行调节，比如对座椅位置可以水平改变，还可以改变头枕的倾斜程度来放松脖颈。对汽车座椅的整体要求有：座椅应该放置在车厢的最佳位置处；座椅的设计首先要考虑到舒适度和安全性，其次才是外形的美化；座椅尽量要朝着轻量化，结构紧凑的方向设计，此外要保证足够的强度和耐久性；安装有可靠的锁止装置或者装配安全气囊，将意外发生时的伤害降到最低。此外还可以对座椅加装通风装置，起到良好的通风散热效果。2.2汽车座椅的分类及设计参数要求按乘坐方式可分为：分体式座椅、半分体式座椅、整体式座椅、固定式座椅、靠背倾角调节式座椅和六向调节式座椅等。按使用方式可分为：手动座椅和电动座椅，其中电动座椅按是否具备记忆功能又可分为记忆电动座椅和普通电动座椅。按表面材料可分为：人造革材料、织物材料、绒布面料和真皮面料等。其中织物面料又可分为经编针织布（有相互绕结关系的纱线形成的织物）和平织布（有相互垂直关系排列形成的织物）。前者优点是具有延展性好，手感相对柔和，缺点是耐抓抽性稍差；后者优点是耐磨及耐抓抽性好，缺点是延展性较差，手感相对较硬。真皮面料与绒布面料相比前者的优点是散热性能较好，清洁方便，缺点是表面太滑且容易损坏；而后者的优点是防滑性能好，人坐上去不易打滑，透气性极好且不易受损坏，缺点则是不容易清洁，容易藏污纳垢，散热性也比较差。汽车座椅设计参数需要满足（表2.1）的要求。表2-1座椅设计参数要求操作性能行程方向行程范围调角器调节角度（从设计位置）前≥40度后≥45度滑轨前后滑动前后调节前170mm/后30mm3汽车座椅噪声分析3.1汽车座椅噪声产生机理分析汽车座椅噪声的产生机理主要有以下三种类型：摩擦原理(嘎叽声）、共振原理和敲击声原理。3.1.1摩擦噪声由于两个或几个以上机械部件之间会发生一定程度的相对位移而在各个接触面上产生摩擦噪声。经常会出现噪声的情况主要包括:前排副仪表板与汽车座椅之间的相互摩擦、坐盆支撑骨架与坐盆悬簧钢丝因受到乘坐者的挤压而相互摩擦所造成的噪声、骨架与塑料橡胶发泡之间的相互摩擦、面料与塑料橡胶护板之间的相互摩擦、塑料橡胶护板与汽车调节器上调节手柄的摩擦、材料之间的摩擦、面料与安全带锁扣的相互摩擦等。3.1.2共振噪声这种共振噪声主要是由于制造者在进行汽车零部件设计过程中座椅上的固有频率与发动机或汽车其它零部件的固有频率不一致所导致的。如果在座椅使用过程中出现共振现象，那么就会产生许多不必要的损失。所以提前考虑到共振问题就显得十分必要。3.1.3敲击声敲击声是由于两个物体发生撞击而发出的声响。敲击噪声主要产生于：车身锁钩与靠背锁接合时、骨架与线束在运动过程中、头枕导套与头枕导杆之间以及靠背板与靠背拉链之间等。3.2噪声分析方法3.2.1有限元法基本思想：将连续的求解域离散为若干有限子域，然后用分片的假设近似函数来表示整个求解域的未知变量，最后建立微分方程采用数值方法求解未知变量。它的特点是：适用性广泛、可以解决复杂的结构适应性问题、高效性。有限元法的解题步骤：1.简化结构力学模型2.选择位移模式3.获取单元性质4.建立结构的运动方程5.求解运动方程3.2.2边界元法边界元法可以解决由于声空间体积变大导致运算量增大，计算成本增加的问题。边界元法在已知结构表面的某一点复声场电压或复振动速度的前提下，便可由边界条件求出结构表面某一点处的未知量。利用结构表面任一点的复声压和复振动速度，然后通过赫姆霍兹数值积分，那么声场中的任意一点的复声压便可以很容易获得。除此之外，边界元法还能够对耦合问题和非耦合问题进行分析。3.2.3传递路径分析法传递路径分析方法TPA（Transfer

Path

Analysis）的目的主要是：确定主要的能量传递路径确定激励源是否存在。通常的试验步骤如下：对每个传递路径的源头加入激励，然后对各处的响应进行测量，最后通过频域法或时域法建立相对应的矩阵；测量稳态响应；分析传递路径。在本文的研究中，对汽车座椅结构的噪声特性进行分析时，可以通过有限元方法对汽车座椅骨架结构进行模态分析求解。3.3汽车座椅噪声被动控制方法3.3.1隔振降噪针对振动而引起的噪声，我们可以通过隔绝振动源或者抵消振动来降低噪声。首先，可以通过振动检测装置或者传感器找出振动幅度较大的位置，然后在这些位置增设隔音装置来隔绝振动源。还可以在这些振动幅度较大的位置增加质量块来降低振动幅度，以此来达到阻抵消振动、降低噪声的目的。3.3.2阻断振动传播路径降噪我们通常会将汽车座椅和与汽车座椅相联结部件处的联结装置更换为具有弹性的连接件。以此来使得振动传递过程中的能量逐步散失，最终达到阻断振动传播路径的目的，大大地降低了噪声。3.3.3优化座椅结构降噪通过调整某些结构参数使得座椅有更好的物理特性，比如使用摩擦系数更小座椅结构材料，来减小座椅内各个部件之间的相互摩擦。通过在座椅表面增加吸声材料或安装消音装置来降低噪声等。

4汽车座椅结构模态分析4.1模态分析概述模态是指结构系统的自然振动特性，每一模态都具有特定的阻尼比、固有频率以及模态振型，这些模态参数可以通过计算或试验分析获得，这样的试验分析或计算的过程称为模态分析。结构模态分析法，可以得出机械结构在某一特定频率范围内各阶模态的振动特性，以及在特定频率范围内不同的内外振动源对机械结构的振动响应，因此，可以通过模态分析方法获得结构的模态参数并结合相关试验，利用这些数据可以对某一结构进行重新优化设计。通过计算座椅的模态频率及振型可以对其设置固有频率来避开发动机经常工作的频率范围。分析座椅骨架模型的共振频率，能够了解汽车座椅结构的动态性能。通过对模态振型的分析，对局部形变较大的部分加以调整，这样就可以使振动噪声的传递方式发生改变，从而达到降低噪声的目的。4.2模态分析方法和步骤模态分析方法：1.试验模态分析；2.工作模态分析；3.工作变形分析。模态分析步骤：建立几何模型；划分网格；加载和求解；扩展模态；查看结果与后处理。4.3汽车座椅骨架结构建模汽车座椅结构有限元模型的准确程度将会直接影响后续数据分析的可靠度，因此建立可靠又准确的结构有限元模型就显得特别重要。但是对座椅结构有限元做的过于精细，那么在进行模态分析时便会产生相当大的计算量，因为一些细小的结构对座椅结构和力学特性产生的影响很小，为此本节主要对汽车座椅的有限元模型进行了简化。建模之前首先通过相关资料可以大致确定座椅各部分的设计参数，然后根据某款汽车座椅的设计参数，建模大致步骤如下：1.底座的初始建模2.连接板及螺钉的创建3.靠背的初始建模4.对相关零部件进行约束装配。装配后的汽车座椅模型（如图4.1）。图4-1汽车座椅骨架三维几何模型

4.4汽车座椅结构模态分析在进行模态分析之前，我们首先需要知道模态分析中“阶”是什么意思。“阶”也被称为自由度，用来表示空间运动中某一结构所需要的最少的，并且相互独立的坐标个数。某一质点在三维空间中的运动有三个自由度，刚体的运动则有六个自由度，在实际情况中，一个连续体模型会有无穷多个自由度，在进行有限元分析的过程中，我们通常会将连续的无穷多个自由度的问题，离散成为有限多个自由度的问题。这样一来，我们再去分析改结构模型时就会比较容易。求解步骤：首先设定模态分析提取阶数为20阶，然后对座椅骨架模型进行模态分析得到（表4.1）中汽车座椅的各阶模态频率。表4-1汽车座椅骨架各阶模态频率阶数模态频率/Hz阶数模态频率/Hz116.6031193.18223.46412101.88334.21613103.02436.95614118.25551.64615126.43654.85616129.38764.15717136.79871.0518152.87973.62519161.121080.06520164.6通过相关资料可知，汽车在行驶中各个部件都会产生不同程度的振动，某处的振动效果会随着能量传递过程而减弱，所以最后传递到座椅的振动频率会下降。相关资料显示，某车型以某一车速行驶在颠簸路面上，汽车座椅出现严重晃动并产生巨大噪声。根据相关检测发现座椅振动能量主要集中在0.5-25Hz。座椅一阶模态频率与整车行驶中部分模态重合，产生共振现象。从模态分析得出的结果来看，该座椅骨架的一阶模态频率处在车辆在行驶过程中产生的振动频率范围内，这样座椅就会和发动机共振，产生振动噪声，降低乘客的乘坐体验感。因此需要通过提高座椅的固有频率来降低共振噪声。4.5汽车座椅降噪改进措施针对上述分析结果提出以下改进措施：可以提高座椅模态频率，错开与汽车其他相关部件模态频率的百分之十到百分之二十以内，提高座椅的模态频率的手段有：提高座椅刚度或者优化靠背质量分布。借鉴相关研究结论，我们可以用一种汽车座椅刚度自适应调节系统及方法可以改变座椅的刚度，利用传感器对路面信息和汽车座椅的刚度进行采集，并从预设的调整策略中获取与所述路面信息对应的目标刚度值，通过将该目标刚度值与采集获得的座椅刚度值进行比较，根据结果，对汽车座椅的刚度进行合理的调整，使得汽车座椅的刚度值等于所述目标刚度值，从而实现了不同路面条件下汽车座椅刚度的自动调整。还可以减小汽车座椅振动幅度，比如在座椅靠背上布置质量块、动力吸振器等。其中动力吸振器可以通过吸收靠背的振动能量，减小靠背振动的激励力，从而降低振动噪声。5总结本论文的主要目标是降低汽车座椅的振动噪声，从而提高乘客的乘坐舒适性和驾驶体验感，然后基于噪声特性提出改进措施。论文主要分以下几部分进行论述。第1章首先对本课题的课题背景进行了梳理，接着说明了汽车振动与噪声检测技术在国内外的发展历程,然后针对汽车座椅进行了国内外现状分析，最后确定了本文的主要研究内容。第2章主要认识了汽车座椅的结构，包括汽车座椅的组成、各主要组成部件的使用要求以及汽车座椅在不同分类要求的产生的座椅类型和座椅部分零部件设计的参数需求。第3章首先介绍了汽车座椅噪声的三种产生机理，然后阐述了噪声分析的三种方法，最后列举了控制汽车座椅噪声的三种方法，包括隔绝振动源降噪、阻断振动传播路径降噪以及优化座椅结构降噪。第4章主要对汽车座椅的结构进行了模态分析，首先对汽车座椅骨架结构进行三维建模，然后将建立好的模型导入有限元分析软件中进行模态分析计算并求解出座椅骨架的模态频率，最后针对模态分析结果提出相应的汽车座椅降噪改进措施。这次论文的写作花费了我近几个月的时间，从开始的查阅文献，确定研究方向，构思论文结构，确定大纲，到初稿完成，这整个写作过程让我的学习能力得到了提高，并且我对于自己的能力，也有了一定的了解。本论文的研究大多在理论层面上进行了分析概述，具体实践过程由于某些因素不能进行，我自知能力有限，所以整篇论文的内容和结构难免会存在没有顾及到的地方，还请各位老师加以批评和改正，之后，我会利用更多的资源对未能做好的内容再加以研究。参考文献[1]武海强.汽车座椅噪声在线检测的研究与实现[D].燕山大学,2017.[2]喻肇斌.汽车座椅振动噪声信号检测系统的研究与实现[D].燕山大学,2015.[3]黄斌,蒋祖华,严隽琪.汽车座椅系统动态舒适性的研究综述[J].汽车科技,2001,(6):13-16.[4]欧阳丹.基于动态舒适性的汽车座椅系统的研究[D].湘潭大学,2012.[5]RobertCoulson.MethodforMeasuringVehicleNoiseSourceHeightsandSubsourceSpectra[J].TransportationResearchRecord,1996,1559(1).[6]陈洪娟,洪连进,李智慧.PULSE系统在水声换能器自动化校准系统中的应用[J].计量与测试学术交流会,2007:357-359.[7]MichaelDanos.FractalsandChaosinGeologyandGeophysics,SecondEdition[J].JohnWiley&Sons,Ltd,1998,79(29).[8]蒋济同,唐世振.基于MATLAB的振动信号采集与分析系统的研究[A].中国力学学会、中国振动工程学会、中国航空学会、中国机械工程学会、中国宇航学会.第九届全国振动理论及应用学术会议论文摘要集[C].中国力学学会、中国振动工程学会、中国航空学会、中国机械工程学会、中国宇航学会:中国力学学会,2007:1.[9]任自中.虚拟技术在内燃机试验研究中的应用[J].内燃机学报,2001(01):76-79.[10]严桃平.发动机缸盖振动测试系统的开发研究[D].江苏:江苏大学硕士学位论文,2007:32-40.[11]郭