基于NVH性能的汽車車身結構設計

李仲奎 吳開豐 袁亮 徐澤彬 龔侃

（東風汽車公司技術中心）

汽車NVH性能（噪聲、振動和聲振粗糙度）體現了現代汽車設計和制造質量的水平[1]。在競爭激烈的市場上，提高車輛抗噪水平已成為新的競爭焦點和技術發展方向[2]。與此同時，國際市場越來越嚴格的汽車噪聲標準對車輛的準入設定了更高的限制。在此背景下，車輛的NVH性能正在成為汽車研發過程中最為重要的性能指標，也是用戶所關注的整車性能指標之一。汽車車身承受著來自道路及裝載的各種載荷作用，其結構性能對整車性能有著重要影響。車身結構應有合理的動態特性以達到控制振動和噪聲的目的[3]。在設計開發階段就應該嚴格控制車身的振動噪聲，使其達到較好的效果[4]。基于此，文章從車身結構角度出發，探討提升車輛NVH性能的方法，為車身結構設計提供參考。

1 汽車NVH概述

1.1 NVH發生機理

整車NVH 問題的發生機理大致可以分為激勵源、傳遞系統、響應系統及主觀感受4 個步驟[5]，如圖1 所示。經歷傳遞之后，NVH 問題最終是通過車身、座椅、轉向盤等結構振動響應，以及空氣傳播噪聲對人造成的主觀感受。

圖1 NVH發生機理示意圖

1.2 與NVH相關的車身因素

由NVH 問題發生機理可知，整車的NVH 問題關系到車輛的多個系統，十分復雜，就單純從車身結構角度來分析，也很困難。影響NVH性能的車身結構因素大致可以分為7 個部分：

1）車身重要安裝點動剛度：主要包括前、后懸架與車身的連接點，動力總成在車身上的懸置點等，此外，還有散熱器安裝點和排氣管吊掛點等；

2）車身整體靜剛度：主要包括車身整體扭轉剛度、整體彎曲剛度；

3）車身整體模態：包含TB 模態和BIW 模態，主要關注低階模態，包括發動機艙橫擺、整體扭轉、整體彎曲等對應的模態；

4）車身局部模態：包括車身所有區域的局部模態，以及車身上安裝支架的局部模態；

5）車身局部剛度：包括車身所有區域的局部剛度，尤其是薄板面剛度和各種功能件的安裝點剛度；

6）車身聲腔模態：包括車身上所有腔體內區域的模態，尤其是側圍腔體、后圍腔體；

7）車身隔聲性能：指車身作為一個密閉殼體的密封性能。

車身結構設計、聲腔模態、密封性等得到改善之后，能大大提升車身振動傳遞函數（VTF）、噪聲傳遞函數（NTF）和車身的隔聲性能。

2 提升NVH性能的車身結構設計方法

2.1 加強車身重要安裝點的結構設計

承載式車身無車架，又稱籠式車身，但是并非車身所有部位的剛度都一樣，而是有高有低。從激勵傳遞的角度考慮，就需要著重加強車身與前后懸架及動力總成連接點處的動剛度設計。圖2 示出一般車型前、后懸架在車身上的安裝結構形式。

圖2 前、后懸架在車身上的安裝形式示意圖

前、后懸架安裝點通常位于車身前縱梁、后縱梁或輪罩加強板上，可通過局部加強的方式來提升重要安裝點的動剛度。重要安裝點加強板的設計，如圖3 所示。從圖3 可以看出，圖3b 優于圖3a，可以大大分散載荷。

圖3 汽車前后懸架重要安裝點加強板的結構對比示意圖

當單層加強板提升動剛度不能滿足要求時，可通過更改固定點結構形式，即采用2 道加強板構成立體結構進行加強。將普通螺母改為套管螺母，連接2 層加強板，形成的立體結構能達到大幅度提升安裝點動剛度的效果。

對車身前、后懸架安裝點處施加X，Y，Z 向單位激勵，在0～800 Hz 的頻率范圍內，要求計算結果大于等于10 000 N/mm。

2.2 提升車身整體靜剛度的結構設計

加強承載式車身扭轉剛度、彎曲剛度的策略，主要從車身架構形式、接頭剛度、梁系斷面等角度進行考慮。好的車身架構形式應該像碳60 那樣，由若干個正幾何圖形邊邊相連，形成一個堅固的殼體。但是受限于車身的功能需求，車身的架構雖不能規則如球狀，但是也要求能由邊邊相連的若干個環狀路徑構成，如圖4所示。車身下底板上可劃分成序號為1，2，3，4 的4 個環狀路徑，沿車身橫斷面可劃分成序號為5，6，7，8，9的5個環狀路徑，4 個車門可劃分為4 個環狀路徑10，11，12，13，車身頂部可劃分成序號為14，15，16，17的4 個環狀路徑，共計17 個主要環狀路徑。此外，還可以進一步劃分出局部區域的環狀路徑。

具體在車身架構設計上，不同的路徑結構會產生不同的性能。例如頂蓋中橫梁的布置，如圖5 所示。圖5b 明顯優于圖5a，因為圖5b 中頂蓋中橫梁與側圍B柱直接相連，可實現橫向成環，形成閉合結構，能很大程度上提升車身的扭轉剛度。

圖5 車身頂蓋中橫梁與B 柱的連接形式對比示意圖

車身后支柱設計，如圖6 所示。從圖6 可以看出，圖6b 的連接結構優于圖6a，因為圖6b 中的C，D 柱中間加強板與側圍前半部中間加強板是相連的，形成貫通的路徑；而圖6a 中的后支柱加強板與側圍中支柱的加強板是斷開的，路徑未能連續。因此，圖6b 中的側圍加強板架構形式能較好地提升車身扭轉剛度。

在車身接頭、斷面（Section，縮寫S）設計上，要求接頭完整，載荷傳遞路徑完整且連續，截面尺寸連續，避免忽大忽小，更要避免突然中斷。此外要求載荷傳遞路徑封閉成環，截面形狀封閉成環。車身的關鍵接頭和典型斷面分布，如圖7 所示。

圖7 車身關鍵接頭和典型斷面示意圖

接頭剛度的提升策略，如圖8 所示。

圖8 車身接頭剛度提升策略示意圖

斷面剛度的提升策略，如圖9 所示。

圖9 車身斷面剛度提升策略示意圖

此外，可運用三角架結構對車身整體扭轉剛度進行提升。在側圍、后圍、前圍及地板等總成的連接上，可考慮在內側增加三角形斜邊連接板，構成三角架結構，如圖10 所示。該方法能大幅度提升車身扭轉剛度。

圖10 車身扭轉剛度提升策略示意圖

國際上，一般轎車車身彎曲剛度的設計參考值是12 200 N/mm，扭轉剛度設計參考值是13 000 N·m/（°），較高要求的可達16 000 N·m/（°）[6]。若增加的成本處于可接受的范圍內，當然車身剛度越高越好。

2.3 提升車身整體模態的結構設計

由于車身整體模態更多地體現在發動機艙橫擺、整體扭轉、整體彎曲等模態上，因此，在車身結構設計上，需著重關注發動機艙的橫向剛度、車身整體扭轉剛度及彎曲剛度。由于發動機艙橫擺模態通常最低，因此，首要關注的就是發動機艙的橫向剛度，結合到車身整體架構的環狀路徑結構設計，如圖11 所示。合理設計車身前縱梁、前防撞梁、水箱上下橫梁結構及其連接結構，可以較好地提升車身的整體模態。為避開發動機怠速頻率，一般要求TB 模態頻率＞30 Hz。

圖11 車身整體架構形式示意圖

2.4 提升車身局部模態的結構設計

車身結構設計中除了關注整體模態，同樣需要關注局部模態，避免局部模態較差的狀況發生。對后排踏腳處的地板，不設計加強筋，保持原始平板進行模態分析時，該位置振動非常明顯，如圖12 所示。前格柵固定支架因離水箱上橫梁和前防撞梁較遠，也就是懸空位置偏遠，也出現模態不足的狀況，如圖13 所示。

圖12 汽車后排乘員踏腳處地板的振動位置示意圖

圖13 汽車前格柵固定支架的振動位置示意圖

提升車身局部模態，主要從兩方面開展工作，一是加強薄板件設計，能設計加強筋、特征結構的區域盡量設計加強筋、特征結構，使板材得到充分拉延，避免未得到拉延仍是原始平板的狀況出現；二是加強功能件固定點的結構設計，首先在布置上，盡量做到功能件依梁而居，這樣既可以簡化固定支架結構，又可以較容易地達到固定點高剛度的要求，如圖14 所示。離梁較遠的建議移到梁的附近，位于薄板件中央的也建議移到梁的附近，再加上合理的結構設計，就可以解決大多數車身局部模態不足的問題。

圖14 車身局部功能件固定點布置位置示意圖

2.5 提升車身局部剛度的結構設計

車身局部剛度的提升方法，同局部模態提升方法類似，一方面考慮將功能件布置盡量安排在梁的附近，減少固定支架的長度；另一方面考慮加強薄板的剛度提升設計，尤其是地板件，因受路面噪聲影響較大，需加強對地板面剛度提升的設計。圖15 示出為提升車身地板面剛度所作的加強筋設計。從圖15 可以看出，縱向加強筋前后貫通，能較好地提升地板薄板件的剛度。

圖15 汽車前地板加強筋結構設計示意圖

此外，從圖15 可以看出，盡管是電動汽車地板，Z向空間非常有限，但是也要設計加強筋。在地板加強筋的設計上，為考慮放腳的舒適性，一般采用平面筋，即扁幾字形斷面筋，禁止采用弧形斷面筋。當采用加強筋、特征結構提升面剛度難以達到目標要求時，可考慮增加阻尼片的方式來減緩地板、輪罩板的振動。

2.6 提升車身聲腔模態的設計

車身是由數量眾多的薄板件焊接而成的。考慮到立體結構能增加剛度，同時也要考慮電泳時電泳液的流通，車身上很多區域都是空腔結構。為阻止聲音在空腔內傳遞產生振動，從而達到提升車身聲腔模態的效果，較好的解決方式是在腔體的關鍵部位設置膨脹片，因膨脹片安裝時帶有孔洞和間隙，既可以實現電泳時電泳液的流通，又可以在后續烘烤工藝過程中進行膨脹片發泡，封堵住腔體的截面，從而隔斷腔體內部的連通。車身側圍是車身側部的承載件，通常由外板、內板、中間加強板3 層板構成，內部不可避免是空腔結構，也是車身上使用膨脹片較多的區域。圖16 示出某側圍腔體的膨脹片布置，共設置了5 處，將A 柱、B 柱、C 柱都進行了隔斷。

圖16 車身某側圍腔體膨脹片布置示意圖

2.7 提升車身隔聲性能的設計

好的車身結構在車門和行李箱蓋（或后背門）關閉之后能保證乘客艙是個密閉的大腔體。要求車身上所有的縫隙和孔洞都能得到有效封堵，即所有焊縫的地方需涂膠進行密封，所有工藝孔都能得到封堵，所有的線束、管路過孔都需要配有密封性的護套。此外，轉向柱過孔、換擋器過孔、油箱檢修口也要得到有效密封。未被完全封堵的孔邊和縫隙，在車輛行駛過程中極易像口哨那樣發出嘯叫聲。

試驗表明，熱熔型塑料堵蓋相比于普通的塑料堵蓋、橡膠堵蓋具有更高的密封性能。建議在密封要求高的地方，如車身地板區域，采用熱熔型塑料堵蓋；在密封要求相對不是很高的地方，如車身地板下方的梁、門檻梁腔體的外板，可結合成本考慮采用普通的橡膠堵蓋或塑料堵蓋。車身前圍上的一些功能孔，因配置定義不同，在部分款型上不用時，考慮到前圍板有隔聲墊，可采用橡膠堵蓋或塑料堵蓋封堵。

圖17 示出橡膠堵蓋、塑料堵蓋、熱熔型塑料堵蓋的結構。3 種堵蓋結構很相像，但是匹配孔的尺寸范圍不同，熱熔型塑料堵蓋匹配孔的尺寸范圍一般在直徑20 mm 以上，橡膠堵蓋可匹配尺寸較小的孔。此外，3 種堵蓋的安裝工藝也不同，熱熔型塑料堵蓋需在涂裝涂膠線上安裝，經烘烤之后粘接到車身地板上，橡膠堵蓋和普通塑料堵蓋需在總裝線上安裝，不過烘烤線。

圖17 車身結構堵蓋種類對比示意圖

3 某車身結構設計實例

3.1 某車身主體架構

在開發某車身時，主要加強車身主體架構、接頭形式、梁系斷面的設計，形成眾多的環狀路徑、高剛度接頭和完整的斷面，如圖18 所示。

圖18 某車身主體架構示意圖

在車身各總成連接結構上，能運用三角架加強結構的都運用了三角架加強結構，如在側圍與前圍的連接上連接加強結構，如圖19 所示。

圖19 某車身側圍與前圍連接加強結構示意圖

車身模態及靜剛度仿真分析結果，如表1 所示。該車身（帶前、后風擋玻璃）模態、靜剛度都達到較高的數值，高于同級別其它車型15%以上。

3.2 某車身上功能件固定點的布置

車身上所有固定點都盡量做到依梁而居，既可以保證固定點剛度，又可以保證車身的整體靜剛度。對于重要零部件，如前、后懸架固定點都布置在車身下底板骨架梁上和特殊結構的輪罩板上，動力總成懸置點布置在車身前縱梁上。此外，安全件如座椅、安全帶的固定點也同樣布置在梁上。

對于新能源汽車的開發，針對新增加的動力電池、控制器等，也采用固定點依梁而居的方式，可以達到較優的性能。圖20 示出基于某車型開發的PHEV 車身后地板結構。動力電池布置在行李箱底部，動力電池的固定點排布在兩側，位于后地板兩側的邊縱梁上，這樣通過對后地板骨架結構進行合理的優化設計，不僅有效地保證了動力電池系統固定點的剛度，也使車身整體的扭轉剛度提升了5%以上。

3.3 某車身動剛度提升方案

對車身上重要安裝點結構都進行著重加強，力爭做到動剛度都滿足目標定義。圖21 示出前懸架在車身前縱梁上的1 個固定點加強方案，固定點處采用雙層加強板加上套管螺母結構。

圖21 某車型前懸架固定點加強方案示意圖

圖22 示出某車型后懸架固定點加強方案。從圖22可以看出，由普通螺母改成套管螺母，再聯合中空加強板構成立體架構進行加強，達到了提升安裝點動剛度的效果。

圖22 某車型后懸架固定點加強方案示意圖

仿真結果表明，該車身重要安裝點動剛度X，Y，Z向的值也都在11 000 N/mm 以上，滿足10 000 N/mm 以上的目標要求。

4 結論

提升NVH性能的車身結構設計方法主要包括：加強車身重要安裝點的結構設計，提升車身整體扭轉剛度、彎曲剛度、車身整體模態、局部模態、局部剛度的結構設計，以及提升車身聲腔模態、隔聲性能的設計等。通過在車身設計開發過程中運用這些設計方法，可以提升車身NTF 性能、VTF 性能和車身隔聲性能，同時大大提升車身的品質。