CN104268311B - 汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法,本发明所述评价方法是基于有限元动力学仿真来实现的。在本发明中,汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙的评价方法前提是建立座椅导轨的有限元模型。在该有限元模型中,用弹簧阻尼单元来表征钢珠与内外轨之间的接触关系。这样一来,在随机路面激励作用下钢珠与导轨内壁之间呈现的时而压紧时而分离的特性将由弹簧阻尼单元两端点间相对位移来表示。通过对弹簧阻尼单元两端点之间的相对位移进行统计学分析,给出合适的间隙预估值,那么在导轨装配过程中预压此预估值可以很大程度上减少间隙的产生,即有效地解决了座椅导轨振动噪声问题。
Description
技术领域
本发明涉及汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法,尤指一种基于有限元分析的汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法。
背景技术
汽车座椅导轨是汽车座椅与车身之间的连接件,在车辆行驶或者座椅滑动过程中导轨若产生明显的噪声将使乘客对整车质量留下不好的印象。乘客体验已经越来越受制造商重视,因此解决汽车座椅导轨异响问题具有实际意义。汽车座椅导轨主要由内轨、外轨、钢珠、保持架、卡舌等组成,导轨内部钢珠与内外轨之间结合部的动态特性是振动噪声的主要来源之一。当前解决这些振动噪声的方法主要是凭工人的经验,遇到问题,再临时寻找解决的方法,难以彻底有效地解决座椅异响问题。
在对座椅各主要连接部件分析的基础上,可以确定结合部的动态特性与内外轨和钢珠之间的装配间隙关系密切,因此合理的装配间隙对减震降噪具有重要意义。在实际装配中,内外轨和钢珠之间的装配关系为过盈配合,即内外轨和钢珠之间的间隙为负值,但在外部动态激励下,内外轨和钢珠之间的间隙会发生变化。如果该间隙为负值,则内外轨和钢珠紧密配合,不会产生噪声;如果间隙为正值,则导轨会在内外轨之间运动,产生异响。因此合理确定内外轨和钢珠之间的预压量,即“间隙”,对提高导轨的装配精度、降低噪声具有重要意义。由于导轨工作时,其激励为路面的随机激励,内外轨和钢珠之间的间隙也是随机值,难以准确及直观的来探究间隙的变化情况,亦不能给出合理装配预压指导值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,提供一种汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法,解决由于路面随机激励导致的内外轨和钢珠之间的间隙为随机值,探究间隙变化情况的难度大,不能给出合理装配预压指导值,以及无法解决汽车座椅导轨异响等问题。
实现上述目的的技术方案是:
本发明提供了一种汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法,包括:
建立汽车座椅导轨有限元模型,以弹簧阻尼单元表征所述汽车座椅导轨内部直线滚子结合部动态特性;
采集汽车行驶过程中所述汽车座椅导轨与车身安装位置的随机响应信号;
以所述随机响应信号为激励信号,对所述汽车座椅导轨有限元模型进行动力学分析,输出所有弹簧阻尼单元两端点之间相对位移随激励时间的变化曲线;
对所述变化曲线上的数据点进行数学统计,分析所述弹簧阻尼单元两端点之间相对位移的分布类型及特征参数;
根据统计学数据,得出所述汽车座椅导轨装配预压指导值。
采用有限元模型仿真模拟汽车座椅导轨,以弹簧阻尼单元来表征汽车座椅导轨内钢珠与内外轨之间的接触关系,通过随机路面激励作用下弹簧阻尼单元两端点间相对位移表示内外轨和钢珠之间的间隙变化,通过统计学分析弹簧阻尼单元两端点之间的相对位移,可以给出合适间隙的预估值,在汽车座椅导轨装配中预压此预估值,可以很大程度减少间隙的产生,有效解决了汽车座椅导轨振动噪声的问题。
本发明汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法的进一步改进在于,建立汽车座椅导轨有限元模型包括如下步骤:
对汽车座椅导轨的样件进行模态试验,获取模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型;
建立所述汽车座椅导轨的有限元模型,在所述有限元模型中于所述汽车座椅导轨中的钢珠与内外轨的结合部嵌入弹簧阻尼单元用以等效所述钢珠;
通过优化算法以模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型为目标值,以所述弹簧阻尼单元的刚度为设计变量,进行所述弹簧阻尼单元的刚度优化,从而获得优化后的等效刚度;
在给定激励条件下对汽车座椅导轨的样件进行扫频试验,获取响应点的样件响应曲线;
以相同的激励对所述汽车座椅导轨的有限元模型进行动力学分析,输出对应所述汽车座椅导轨的有限元模型的响应点的有限元模型响应曲线;
通过优化软件对所述样件响应曲线和所述有限元模型响应曲线进行拟合,在拟合过程中所述弹簧阻尼单元的阻尼作为设计变量,进行所述弹簧阻尼单元的阻尼优化,从而获得优化后的等效阻尼;
以优化所得等效刚度及阻尼重新建立汽车座椅导轨的有限元模型。
附图说明
图1为对汽车座椅导轨样件力锤激励模态试验稳定图;
图2为对汽车座椅导轨样件力锤激励的第一阶振型;
图3为对汽车座椅导轨样件力锤激励的第二阶振型;
图4为汽车座椅导轨的有限元模型结构示意图;
图5为汽车座椅导轨有限元模型内设置弹簧阻尼单元的结构示意图;
图6为优化后第一阶的模态振型和试验模态振型的对比图;
图7为优化后第二阶的模态振型和试验模态振型的对比图;
图8为对汽车座椅导轨样件给定激励的激励、响应信号图;
图9为优化前的响应信号图;
图10为优化后的响应信号图;
图11为本发明汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法中的汽车座椅导轨有限元模型;
图12为汽车在60Km/h路况下时间-加速度路谱;
图13为60Km/h路谱激励下弹簧阻尼单元两端点相对位移;
图14为弹簧阻尼单元两端点相对位移分布柱状图;以及
图15为汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙区间分布柱状图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述评价方法是基于有限元动力学仿真来实现的。在本发明中,汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙的评价方法前提是建立汽车座椅导轨的有限元模型。在该有限元模型中,用弹簧阻尼单元来表征钢珠与内外轨之间的接触关系。这样一来,在随机路面激励作用下钢珠与导轨内壁之间呈现的时而压紧时而分离的特性将由弹簧阻尼单元两端点间相对位移来表示。通过对弹簧阻尼单元两端点之间的相对位移进行统计学分析,给出合适的间隙预估值,那么在导轨装配过程中预压此预估值可以很大程度上减少间隙的产生,即有效地解决了座椅导轨振动噪声问题。本发明中汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙是指汽车座椅导轨内外轨之间的距离与钢珠直径的差值。当差值为正值,表示结合部有间隙;当差值为负值,表示结合部的钢珠被压紧。
为了使得弹簧阻尼单元较准确的模拟钢珠与内外轨之间的接触关系,通过试验与有限元优化相结合的方法,对弹簧阻尼单元的刚度和阻尼进行优化,提高弹簧阻尼单元的高仿真效果,使得弹簧阻尼单元两端点相对位移,更接近实际工况中钢珠与内外轨的间隙,有效保证仿真结果的准确性。通过分析该弹簧阻尼单元两端点相对位移得出的汽车座椅导轨装配预压指导值具有实际指导意义。下面结合附图对本发明汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法进行说明。
本发明汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法包括如下:
在有限元前处理软件中建立汽车座椅导轨有限元模型,其内部直线滚子结合部需要嵌入弹簧阻尼单元(RBE2-CBUSH-RBE2)进行的建模。用弹簧阻尼单元表征汽车座椅导轨内部直线滚子结合部动态特性,在建立汽车座椅导轨有限元模型之前,为提高有限元模型的仿真效果,需要对弹簧阻尼单元的刚度和阻尼进行优化,提高弹簧阻尼单元的仿真结果的准确性。对弹簧阻尼单元的刚度和阻尼参数优化,通过试验和有限元优化相结合的方法进行,具体包括如下步骤:
步骤1:根据刚度显著影响系统固有频率及其振型的特点,对汽车座椅导轨样件进行模态试验,以获取试验模态中汽车座椅导轨样件的固有频率及其振型。
通过模态试验获得了汽车座椅导轨样件的模态参数,如图1所示,模态试验为对汽车座椅导轨样件进行力锤激励,图1显示了力锤激励模态试验稳定图。汽车座椅导轨样件对路面激励敏感频率为40Hz以下的低频段,在此频段内我们找到前两阶固有频率及振型,为后续刚度优化提供实验数据,即如表1所示的第一阶频率和第二阶频率,图2和图3所示的第一阶振型和第二阶振型。
阶次 | 频率(Hz) | 阻尼比(%) |
第一阶 | 7.22 | 3.74 |
第二阶 | 12.65 | 2.57 |
表1汽车座椅导轨样件模态试验中第一阶和第二阶固有频率
步骤2:在有限元优化软件中将模态试验所得固有频率作为目标值,通过优化算法使有限元计算模态固有频率与目标值趋于一致,在此过程中结合部位嵌入的弹簧阻尼单元的刚度将作为设计变量,从而获得弹簧阻尼单元的刚度。
如图4和图5所示,基于前处理软件HyperMesh建立汽车座椅导轨的有限元模型10,在钢珠与内外轨的结合部嵌入弹簧阻尼单元101(Cbush),以弹簧阻尼单元101仿真模拟钢珠,该汽车座椅导轨内共有20个钢珠,根据钢珠的位置将刚在分为四组,也就是对弹簧阻尼单元101分为四组,即第一组A,第二组B,第三组C,第四组D。
每一组弹簧阻尼单元101都有X、Y、Z三个方向的刚度,为每组弹簧阻尼单元101赋予不同的刚度参数,在优化软件OptiStruct中以试验模态第一阶和第二阶模态固有频率为目标,弹簧阻尼单元的刚度系数为设计变量,运用最小二乘法进行等效刚度优化。其中最小二乘目标函数为:
F(f1,f2)=(F1-f1)2+(F2-f2)2
其中:F1,F2为试验模态的第一阶固有频率值,第二阶固有频率值;f1,f2为计算模态的第一阶固有频率值,第二阶固有频率值。
优化后得到各组弹簧阻尼单元101的等效刚度如表2所示:
组号 | X向 | Y向 | Z向 |
第一组A | 205.5 | 155.2 | 158.3 |
第二组B | 223.3 | 151.9 | 154.7 |
第三组C | 201.3 | 152.1 | 152.9 |
第四组D | 205.0 | 155.7 | 155.9 |
表2优化后汽车座椅导轨接触部位刚度参数(N/m)
优化后汽车座椅导轨模态固有频率如表3所示,优化前后汽车座椅导轨的第一阶和第二阶的模态振型对比如图6和图7所示,图6显示了第一阶模态振型优化前后的对比效果,图7显示了第二阶模态振型优化前后的对比效果。
阶数 | 试验值(Hz) | 优化值(Hz) | 振型 |
第一阶 | 7.22 | 7.220026 | 绕轴扭转 |
第二阶 | 12.65 | 12.65000 | 切向转动 |
表3优化后的汽车座椅导轨模态固有频率值(Hz)
步骤3:根据阻尼显著影响系统振幅的特点,在给定激励条件下对汽车座椅导轨样件进行扫频试验以获取响应点的样件响应曲线。如图8所示,显示了给定激励条件下的响应信号。为简单说明问题,对实测激励与响应信号进行一定稀疏处理,图8中振幅较大的为激励点的激励信号,振幅较小的为响应点的响应信号。
步骤4:在有限元软件中以相同的激励对有限元模型10进行动力学分析,输出对应响应点的有限元模型响应曲线,然后将两条曲线即有限元模型响应曲线和试验样件响应曲线输入优化软件中进行曲线拟合,在此过程中结合部位嵌入的弹簧阻尼单元的阻尼将作为设计变量,从而获得弹簧阻尼单元的阻尼。
首先以图8所示激励信号输入OptiStruct进行瞬态分析(这里以经验值指定阻尼初始值),输出了与试验对应响应点的响应信号,如图9所示,显示了优化前有限元模型响应信号30和试验实测样件响应信号20。
然后通过优化软件HyperStudy对这两条曲线(优化前有限元模型响应信号30和试验实测样件响应信号20)进行了拟合,拟合结果如图10所示,显示了优化后有限元模型响应信号31,在此过程中结合部位嵌入的弹簧阻尼单101的阻尼将作为设计变量。拟合过程实则在两条曲线上取一系列点作最小二乘偏差,其目标函数定义为:
其中:yi为有限元计算响应曲线上各对应点的纵坐标,ηi为试验输出曲线各点对应纵坐标,n为每条曲线上所取点的个数。
优化完成以后,计算输出响应信号与实测响应信号拟合情况良好,优化后等效阻尼如下表4所示:
组号 | X向 | Y向 | Z向 |
第一组A | 14.2 | 3.4 | 4.7 |
第二组B | 17.3 | 13.7 | 1.8 |
第三组C | 2.7 | 9.5 | 1.3 |
第四组D | 6.1 | 19.1 | 5.3 |
表4优化后汽车座椅导轨接触部位阻尼参数(Ns/m)
通过上述试验和有限元优化结合的方法得到了弹簧阻尼单元的刚度和阻尼的优化值,以优化后所得的等效刚度及阻尼参数建立汽车座椅导轨的有限元模型,提高汽车座椅导轨有限元模型的准确性。通过优化后的弹簧阻尼单元表征汽车座椅导轨内部直线滚子结合部的动态特性。
为了更接近实际工况,将汽车座椅质量转化为相应载荷施加在汽车座椅与导轨安装位置处,如图11所示,对汽车座椅导轨有限元模型施加图中箭头所示方向的力,来模拟汽车座椅质量产生的载荷。
采集车辆行驶过程中汽车座椅导轨与车身安装位置的随机响应信号,以此作为汽车座椅导轨系统的激励信号。如图12所示为工程实际中60Km/h下的路谱激励,即车辆以60Km/h行驶过程中汽车座椅导轨与车身安装位置的路面随机激励。
以上步中的激励信号在有限元分析软件中对汽车座椅导轨系统进行动力学分析,输出所有弹簧阻尼单元两端点之间相对位移随激励时间的变化曲线。
在有限元分析软件OptiStruct中以图12中的激励信号进行瞬态响应分析,即在有限元分析软件中以采集到的响应信号作为激励信号,对汽车座椅导轨有限元模型激励,并进行动力学分析,输出汽车座椅导轨有限元模型中20个弹簧阻尼单元两端点之间相对位移随激励时间的变化情况,如图13所示。
对上步中输出的所有相对位移-时间(即间隙-时间)曲线上的数据点进行数学统计,分析其分布类型及特征参数。该相对位移-时间曲线即为弹簧阻尼单元两端点之间相对位移随激励时间的变化情况,也就相当于实际的汽车座椅导轨内部钢珠与内外轨之间的间隙随激励时间的变化情况。
根据动力学瞬态分析中时间步长的设置,图13中每条曲线上输出了400个数据点,20条曲线总共获得8000个数据点。以下将对这些数据进行数理统计分析。
弹簧阻尼单元两端点相对位移分布如图14所示。其中横坐标为弹簧阻尼单元两端点之间相对位移值(以弹簧阻尼单元两端点反向分离为正,正向压紧为负),纵坐标为落在该区间内数据点的个数。考虑到间隙出现为相对位移正值情况,如图15所示,显示了间隙区间分布柱状图。
根据统计学数据,给出导轨装配预压指导值。
为了减少间隙出现的概率,可在汽车座椅导轨进行装配过程中,对导轨与钢珠进行预压紧处理。根据数理统计图15中钢珠与导轨之间出现的间隙符合半正态分布。以下为根据正态分布表给出参考预压值:
预压0.1155mm,那么将有90%的概率将不出现间隙;
预压0.1372mm,那么将有95%的概率将不出现间隙;
预压0.1803mm,那么将有99%的概率将不出现间隙;
或者根据3σ原则:
预压0.21mm,那么将有99.74%的概率将不出现间隙。
在工程实际中,技术人员在针对间隙问题中摸索出的预压值为0.15-0.20mm,由此可见,采用本发明方法较为准确的预测了导轨系统动力学响应中的间隙值。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明,本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而,实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定,本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法,其特征在于,包括:
建立汽车座椅导轨有限元模型,以弹簧阻尼单元表征所述汽车座椅导轨内部直线滚子结合部动态特性;
采集汽车行驶过程中所述汽车座椅导轨与车身安装位置的随机响应信号;
以所述随机响应信号为激励信号,对所述汽车座椅导轨有限元模型进行动力学分析,输出所有弹簧阻尼单元两端点之间相对位移随激励时间的变化曲线;
对所述变化曲线上的数据点进行数学统计,分析所述弹簧阻尼单元两端点之间相对位移的分布类型及特征参数;
根据统计学数据,得出所述汽车座椅导轨装配预压指导值。
2.如权利要求1所述的汽车座椅导轨直线滚子结合部间隙评价方法,其特征在于,建立汽车座椅导轨有限元模型包括如下步骤:
对汽车座椅导轨的样件进行模态试验,获取模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型;
建立所述汽车座椅导轨的有限元模型,在所述有限元模型中于所述汽车座椅导轨中的钢珠与内外轨的结合部嵌入弹簧阻尼单元用以等效所述钢珠;
通过优化算法以模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型为目标值,以所述弹簧阻尼单元的刚度为设计变量,进行所述弹簧阻尼单元的刚度优化,从而获得优化后的等效刚度;
在给定激励条件下对汽车座椅导轨的样件进行扫频试验,获取响应点的样件响应曲线;
以相同的激励对所述汽车座椅导轨的有限元模型进行动力学分析,输出对应所述汽车座椅导轨的有限元模型的响应点的有限元模型响应曲线;
通过优化软件对所述样件响应曲线和所述有限元模型响应曲线进行拟合,在拟合过程中所述弹簧阻尼单元的阻尼作为设计变量,进行所述弹簧阻尼单元的阻尼优化,从而获得优化后的等效阻尼;
以优化所得等效刚度及等效阻尼重新建立汽车座椅导轨的有限元模型。
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