車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)汽車NVH性能的影響研究

摘 要：車身結(jié)構(gòu)剛度主要指車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。車身結(jié)構(gòu)剛度與汽車NVH性能即噪聲，振動(dòng)和聲振粗糙度有直接聯(lián)系。良好的剛度能防止結(jié)構(gòu)在載荷作用下產(chǎn)生大的變形，從而引起各部件間大的相對(duì)位移，或車身結(jié)構(gòu)與車室內(nèi)空腔發(fā)生聲固耦合的變化所引發(fā)的高噪聲。提高車身結(jié)構(gòu)剛度，可以有效地抑制車身振動(dòng)、減少振動(dòng)傳遞、增強(qiáng)乘坐舒適性及操縱穩(wěn)定性。在研究?jī)?yōu)化車身結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)NVH性能時(shí)，可以從選擇優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高性能材料，改進(jìn)制造工藝和選擇降噪部件入手。

關(guān)鍵詞：車身結(jié)構(gòu) 剛度 NVH性能

0 引言

車身結(jié)構(gòu)剛度直接決定了汽車NVH性能，對(duì)于增強(qiáng)駕駛者與乘客舒適度，降低駕駛疲勞度以及提高汽車整體性能評(píng)價(jià)等都有著重要影響。研究表明：采用改進(jìn)車身材料，升級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝及優(yōu)化部件配置等措施可以顯著增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)剛度以優(yōu)化整車NVH性能。在此背景下，本文將深入探究車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)于車輛NVH性能所產(chǎn)生的具體作用以及優(yōu)化策略。

1 NVH性能在汽車中的重要性

從NVH的觀點(diǎn)來(lái)看，汽車是一個(gè)由激勵(lì)源、傳遞器和響應(yīng)器組成的系統(tǒng)。激勵(lì)源主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)、車輪和輪胎、粗糙路面和風(fēng)等。他們產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲通過(guò)懸架系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等傳遞器的作用傳入車身和車室空腔，形成振動(dòng)和聲學(xué)響應(yīng)。汽車NVH問(wèn)題的響應(yīng)最終表現(xiàn)為座椅、地板和轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)，以及駕駛?cè)撕统丝偷亩栽肼暋Ｔ诂F(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，NVH（噪音，振動(dòng)及聲振粗糙度）的表現(xiàn)是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗鼤?huì)直接決定乘客的舒適度、車輛的整體質(zhì)感和駕駛的整體體驗(yàn)。噪音管理的目標(biāo)是減少來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、路面和其他外部因素的噪音，從而為乘客創(chuàng)造一個(gè)寧?kù)o的駕駛環(huán)境。振動(dòng)控制主要是通過(guò)對(duì)車輛的懸掛系統(tǒng)、動(dòng)力總成的優(yōu)化安裝以及車身的結(jié)構(gòu)調(diào)整，來(lái)降低在行駛過(guò)程中不必要的振動(dòng)和不穩(wěn)定。聲振粗糙度專注于車輛內(nèi)部的聲音環(huán)境，目標(biāo)是在不犧牲性能的情況下，達(dá)到更加和諧、寧?kù)o的車內(nèi)音響效果。在消費(fèi)者日益關(guān)注汽車整體質(zhì)量的當(dāng)下，提升汽車NVH性能不只提升舒適度與靜音性更是汽車設(shè)計(jì)與品質(zhì)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2 車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)汽車NVH性能的具體影響

車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)整車NVH性能的影響更多體現(xiàn)在汽車行駛在粗糙路面時(shí)，駕乘人員對(duì)汽車的主觀感受。具有較高車身結(jié)構(gòu)剛度的汽車將為駕乘者帶來(lái)“敦實(shí)”“裝配良好”的主觀感受，使駕乘人員有安全和自信的感覺(jué)；反之，如果車身結(jié)構(gòu)剛度水平較低，將使駕乘者產(chǎn)生“松垮”“晃動(dòng)”的不良感覺(jué)。

2.1 車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)噪聲控制的影響

因?yàn)樵谛旭傊熊嚿碜冃螘?huì)產(chǎn)生“吱吱嘎嘎”的噪聲，所以較高的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)減少相對(duì)變形提高舒適性起到了不可或缺的作用。在車身結(jié)構(gòu)具有較高剛度的情況下，這些結(jié)構(gòu)能更有效地抵抗來(lái)自路面的振動(dòng)和風(fēng)力產(chǎn)生的噪音，從而降低這些噪聲通過(guò)車身傳播到車內(nèi)空間的可能性。這樣的設(shè)計(jì)有助于提升駕駛的舒適度和車廂內(nèi)的寧?kù)o感，進(jìn)而減少駕乘人員感受到的噪音干擾。尤其在高速行駛狀態(tài)下，由于車身剛度對(duì)路面及風(fēng)噪聲的影響較為顯著，出色的剛度能有效地隔絕上述擾動(dòng)。另外通過(guò)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度優(yōu)化，能夠降低汽車在某一特定車速或道路條件下運(yùn)行時(shí)，車身等零件發(fā)生共振引起的車內(nèi)噪聲加劇。

2.2 車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)振動(dòng)抑制的影響

車身的結(jié)構(gòu)剛度決定了其抵抗變形的能力，這一特性對(duì)汽車在行駛過(guò)程中減少振動(dòng)有著直接的影響。增加車身結(jié)構(gòu)剛度可使車身振動(dòng)頻率響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)。振動(dòng)頻率響應(yīng)是指車身在受到外部激勵(lì)（比如粗糙路面，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等等）時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)特性。若車身剛度不夠，車身受激勵(lì)時(shí)易發(fā)生大變形，使振動(dòng)頻率響應(yīng)過(guò)大，繼而出現(xiàn)共振現(xiàn)象。通過(guò)增加車身結(jié)構(gòu)剛度可有效地控制車身振動(dòng)頻率響應(yīng)，避免共振從而降低振動(dòng)傳遞。

出色的車身剛度不僅有助于降低噪音傳播和振動(dòng)，而且能減少因車身扭曲而產(chǎn)生的額外力矩，使得車輛在高速行駛緊急轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)更易保持平穩(wěn)，降低側(cè)傾與晃動(dòng)，提升懸掛系統(tǒng)工作效率，保證整車具有較好的操縱穩(wěn)定性能，增加行車安全性和乘坐舒適性。

2.3 車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)聲振粗糙度的影響

車內(nèi)聲振粗糙度就是指汽車在運(yùn)行過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)，路面和風(fēng)力引起的振動(dòng)及噪音而引起的不舒適程度。聲振粗糙度不僅會(huì)影響乘坐品質(zhì)而且會(huì)直接影響駕駛者視聽(tīng)疲勞度及車輛整體評(píng)估。汽車內(nèi)部聲音和振動(dòng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致駕駛者長(zhǎng)時(shí)間駕駛時(shí)感到疲勞，尤其在高速或嘈雜環(huán)境下?？刂坡曊翊植诙瓤蓽p少駕駛者視聽(tīng)疲勞度并增強(qiáng)駕駛舒適性。安靜舒適的駕駛環(huán)境下駕駛者更加專注，降低了疲勞駕駛危險(xiǎn)，增加了行車安全性。車身剛度在聲振粗糙度控制中起關(guān)鍵作用。減小車內(nèi)聲振粗糙度，需從車身結(jié)構(gòu)等方面認(rèn)真優(yōu)化，結(jié)合高強(qiáng)度材料的使用，可提高車身整體剛度并降低振動(dòng)向車內(nèi)傳遞和聲振的傳播。

3 提升車身結(jié)構(gòu)剛度以優(yōu)化NVH性能的策略

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化：通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升車身整體剛度

在設(shè)計(jì)階段，工程師將利用有限元分析軟件（FEA）等工具來(lái)建立車身的有限元分析模型，對(duì)車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、接頭剛度、車身固有模態(tài)分別進(jìn)行模擬分析。目的是識(shí)別應(yīng)力集中的區(qū)域和提取共振頻率，進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需考慮制造工藝是否可行。既要保證結(jié)構(gòu)剛度又要方便制造與組裝。下面是具體的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施：

3.1.1 通過(guò)模擬分析提升車身彎扭剛度及接頭剛度

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)幾款車型的模擬分析，當(dāng)轎車車身彎曲剛度為11000～13000N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度為20000 N.m/（°）時(shí)，車輛性能良好，相對(duì)變形最小，產(chǎn)生的“吱嘎”聲也幾乎聽(tīng)不到。要同時(shí)保證NVH性能和操縱穩(wěn)定性，車身扭轉(zhuǎn)剛度值不得低于20000 N.m/（°），通過(guò)不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，帶入有限元軟件反復(fù)迭代分析，直至車身剛度性能達(dá)到或超越目標(biāo)值。在設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)的梁和柱的截面時(shí)，盡可能在不增加截面積的條件下提高截面特性，這樣有助于提升車身整體剛度。

3.1.2 通過(guò)車身整體振動(dòng)模態(tài)分析，提升車身模態(tài)頻率（剛度）

汽車NVH性能開發(fā)與控制的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則是保證良好的模態(tài)分離。即在車身結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)階段，避免車身振動(dòng)模態(tài)頻率與其他子系統(tǒng)固有頻率發(fā)生重疊，則能夠避免絕大多數(shù)的振動(dòng)問(wèn)題。

對(duì)于承載式車身，一般要求一階模態(tài)頻率大于30～40Hz。車輪經(jīng)懸架系統(tǒng)傳遞的振動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)懸置系統(tǒng)傳遞的振動(dòng)頻率等與車身低階模態(tài)頻率相近。因此，車身結(jié)構(gòu)開發(fā)要重點(diǎn)聚焦低階模態(tài)頻率的設(shè)計(jì)，通過(guò)修改車身結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，使車身和部件的低階模態(tài)頻率提高，避開激勵(lì)頻率防止共振。此外，通過(guò)模態(tài)振型可以看出車身振動(dòng)變形較小的部位。將動(dòng)力總成等的懸置點(diǎn)放在這些位置，對(duì)隔振是有利的。

大型薄板零件比如前后地板和頂蓋等由于剛度較差，在振源激勵(lì)作用下，極易引起共振。共振導(dǎo)致的輻射聲和車室內(nèi)腔體氣動(dòng)壓力變動(dòng)，是產(chǎn)生車內(nèi)噪音的重要原因，有效的辦法是在車身關(guān)鍵部位增設(shè)加強(qiáng)筋，接縫及接口進(jìn)行周密設(shè)計(jì)，采用封閉截面結(jié)構(gòu)，能有效地改善局部剛度避開激振頻率并降低振動(dòng)與噪聲。

例如：在某個(gè)頂級(jí)汽車品牌最新的中高端SUV項(xiàng)目中，工程師運(yùn)用CAE軟件來(lái)精細(xì)模擬車身結(jié)構(gòu)的剛度表現(xiàn)，并針對(duì)性地進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過(guò)在車身底部加裝一條強(qiáng)化梁，新車的扭轉(zhuǎn)剛度比前代提升了15%。此外，通過(guò)在支柱和車頂間增加結(jié)構(gòu)支撐，縱向彎曲剛度提升了12%。采用鋼鋁混合材料結(jié)構(gòu)，整車剛度提升10%同時(shí)減重5%。激光焊接取代傳統(tǒng)點(diǎn)焊，使得剛度進(jìn)一步增強(qiáng)約8%。這些結(jié)構(gòu)改良使得整車NVH性能顯著提升：車內(nèi)噪音較之前降低2分貝，顯著改善了消費(fèi)者的乘坐舒適感。數(shù)據(jù)顯示，這輛SUV的總體NVH表現(xiàn)顯著優(yōu)于市場(chǎng)同類產(chǎn)品。這些數(shù)據(jù)和實(shí)例展示了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在提高車身結(jié)構(gòu)剛度和汽車NVH性能方面的重要性。如表1。

3.2 材料選擇與工藝改進(jìn)：優(yōu)化車身材料與制造工藝以提升剛度

汽車設(shè)計(jì)時(shí)材料選擇和制造工藝優(yōu)化是增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)鍵，繼而對(duì)汽車NVH性能有積極作用。材料選擇對(duì)車身整體剛度有直接的影響。盡管傳統(tǒng)鋼材在成本方面具有優(yōu)勢(shì)，但輕質(zhì)材料如高強(qiáng)度鋼、鋁合金和復(fù)合材料（玻璃纖維增強(qiáng)材料GFRP、碳纖維增強(qiáng)材料CFRP）等在汽車制造領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。這類材料不但比強(qiáng)度高、密度小，并且增強(qiáng)車身剛度的同時(shí)有效降低整車重量。除選材外，提高制造工藝對(duì)提高車身剛度也有很大影響。比如利用鉚接或者膠接等先進(jìn)連接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋁結(jié)構(gòu)或不同材料間的連接。利用激光焊接和點(diǎn)焊機(jī)器人這類現(xiàn)代焊接技術(shù)能夠改善焊接質(zhì)量和一致性以增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)剛度。另外，采用熱成形，冷鍛造等先進(jìn)成型工藝可制造復(fù)雜外形的高強(qiáng)鋼零件，使得車身結(jié)構(gòu)更緊湊，整車剛強(qiáng)度進(jìn)一步提高。高強(qiáng)度鋼在車身上的應(yīng)用如圖1。

3.3 部件優(yōu)化與降噪：采用降噪部件與先進(jìn)降噪技術(shù)以優(yōu)化 NVH 性能

通過(guò)選擇和設(shè)計(jì)具有降噪功能的部件，可以有效減少汽車內(nèi)部和外部噪音的傳播，提高乘坐舒適度和駕駛體驗(yàn)。常用降噪部件為隔音材料。車內(nèi)采用隔音材料能有效降低路面，發(fā)動(dòng)機(jī)及風(fēng)噪音傳播。這類隔音材料一般為高密度泡沫或者復(fù)合材料，可以吸收并隔絕噪聲，減少車內(nèi)噪音水平。此外，使用減震器、懸置等降噪部件對(duì)NVH性能優(yōu)化具有重要意義。減震器能夠減小汽車行駛中顛簸路面引起車身振動(dòng)以降低噪音。懸置系統(tǒng)有助于減少發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)車輛的影響，從而進(jìn)一步降低車內(nèi)的噪聲和振動(dòng)。在對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，還在汽車制造過(guò)程中廣泛采用了若干先進(jìn)降噪技術(shù)。比如主動(dòng)降噪系統(tǒng)可通過(guò)車載傳感器對(duì)汽車內(nèi)噪音狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，再利用反相波原理產(chǎn)生與噪聲相反的聲波來(lái)抵消噪聲，使汽車內(nèi)噪聲水平下降。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，車身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)車輛的NVH性能提升非常重要。通過(guò)完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用優(yōu)質(zhì)材料和制造工藝可有效增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)剛度，再結(jié)合降噪部件和先進(jìn)降噪技術(shù)等舉措有利于達(dá)到較好的噪聲控制，振動(dòng)抑制及聲振粗糙度優(yōu)化等效果，繼而給駕駛者及乘客帶來(lái)更舒適安靜的駕乘環(huán)境。

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