車身結(jié)構(gòu)剛度對汽車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、減少振動傳遞、增強乘坐舒適性及操縱穩(wěn)定性。在研究優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)剛度增強NVH性能時，可以從選擇優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，高性能材料，改進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，對于增強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價等都有著重要影響。研究表明：采用改進車身材料，升級結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝及優(yōu)化部件配置等措施可以顯著增強車身結(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的觀點來看，汽車是一個由激勵源、傳遞器和響應(yīng)器組成的系統(tǒng)。激勵源主要包括發(fā)動機與傳動系統(tǒng)、車輪和輪胎、粗糙路面和風(fēng)等。他們產(chǎn)生的振動、噪聲通過懸架系統(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，形成振動和聲學(xué)響應(yīng)。汽車NVH問題的響應(yīng)最終表現(xiàn)為座椅、地板和轉(zhuǎn)向盤的振動，以及駕駛?cè)撕统丝偷亩栽肼?。在現(xiàn)代汽車設(shè)計領(lǐng)域，NVH（噪音，振動及聲振粗糙度）的表現(xiàn)是非常關(guān)鍵的，因為它會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。噪音管理的目標(biāo)是減少來自發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、路面和其他外部因素的噪音，從而為乘客創(chuàng)造一個寧靜的駕駛環(huán)境。振動控制主要是通過對車輛的懸掛系統(tǒng)、動力總成的優(yōu)化安裝以及車身的結(jié)構(gòu)調(diào)整，來降低在行駛過程中不必要的振動和不穩(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，達到更加和諧、寧靜的車內(nèi)音響效果。在消費者日益關(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)計與品質(zhì)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2 車身結(jié)構(gòu)剛度對汽車NVH性能的具體影響

車身結(jié)構(gòu)剛度對整車NVH性能的影響更多體現(xiàn)在汽車行駛在粗糙路面時，駕乘人員對汽車的主觀感受。具有較高車身結(jié)構(gòu)剛度的汽車將為駕乘者帶來“敦實”“裝配良好”的主觀感受，使駕乘人員有安全和自信的感覺；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”的不良感覺。

2.1 車身結(jié)構(gòu)剛度對噪聲控制的影響

因為在行駛中車身變形會產(chǎn)生“吱吱嘎嘎”的噪聲，所以較高的結(jié)構(gòu)剛度對減少相對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)能更有效地抵抗來自路面的振動和風(fēng)力產(chǎn)生的噪音，從而降低這些噪聲通過車身傳播到車內(nèi)空間的可能性。這樣的設(shè)計有助于提升駕駛的舒適度和車廂內(nèi)的寧靜感，進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。另外通過對車身結(jié)構(gòu)進行剛度優(yōu)化，能夠降低汽車在某一特定車速或道路條件下運行時，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)剛度對振動抑制的影響

車身的結(jié)構(gòu)剛度決定了其抵抗變形的能力，這一特性對汽車在行駛過程中減少振動有著直接的影響。增加車身結(jié)構(gòu)剛度可使車身振動頻率響應(yīng)達到最優(yōu)。振動頻率響應(yīng)是指車身在受到外部激勵（比如粗糙路面，發(fā)動機運轉(zhuǎn)等等）時的振動響應(yīng)特性。若車身剛度不夠，車身受激勵時易發(fā)生大變形，使振動頻率響應(yīng)過大，繼而出現(xiàn)共振現(xiàn)象。通過增加車身結(jié)構(gòu)剛度可有效地控制車身振動頻率響應(yīng)，避免共振從而降低振動傳遞。

出色的車身剛度不僅有助于降低噪音傳播和振動，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)向和制動時更易保持平穩(wěn)，降低側(cè)傾與晃動，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)剛度對聲振粗糙度的影響

車內(nèi)聲振粗糙度就是指汽車在運行過程中，由于發(fā)動機，路面和風(fēng)力引起的振動及噪音而引起的不舒適程度。聲振粗糙度不僅會影響乘坐品質(zhì)而且會直接影響駕駛者視聽疲勞度及車輛整體評估。汽車內(nèi)部聲音和振動過大會導(dǎo)致駕駛者長時間駕駛時感到疲勞，尤其在高速或嘈雜環(huán)境下?？刂坡曊翊植诙瓤蓽p少駕駛者視聽疲勞度并增強駕駛舒適性。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，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)合高強度材料的使用，可提高車身整體剛度并降低振動向車內(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)計優(yōu)化：通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計提升車身整體剛度

在設(shè)計階段，工程師將利用有限元分析軟件（FEA）等工具來建立車身的有限元分析模型，對車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、接頭剛度、車身固有模態(tài)分別進行模擬分析。目的是識別應(yīng)力集中的區(qū)域和提取共振頻率，進行有針對性的優(yōu)化。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計優(yōu)化措施：

3.1.1 通過模擬分析提升車身彎扭剛度及接頭剛度

通過對市場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，車輛性能良好，相對變形最小，產(chǎn)生的“吱嘎”聲也幾乎聽不到。要同時保證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/（°），通過不斷改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，帶入有限元軟件反復(fù)迭代分析，直至車身剛度性能達到或超越目標(biāo)值。在設(shè)計車身結(jié)構(gòu)的梁和柱的截面時，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 通過車身整體振動模態(tài)分析，提升車身模態(tài)頻率（剛度）

汽車NVH性能開發(fā)與控制的一項重要設(shè)計指導(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)計階段，避免車身振動模態(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)的振動問題。

對于承載式車身，一般要求一階模態(tài)頻率大于30～40Hz。車輪經(jīng)懸架系統(tǒng)傳遞的振動頻率和發(fā)動機經(jīng)懸置系統(tǒng)傳遞的振動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)要重點聚焦低階模態(tài)頻率的設(shè)計，通過修改車身結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，使車身和部件的低階模態(tài)頻率提高，避開激勵頻率防止共振。此外，通過模態(tài)振型可以看出車身振動變形較小的部位。將動力總成等的懸置點放在這些位置，對隔振是有利的。

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)腔體氣動壓力變動，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)加強筋，接縫及接口進行周密設(shè)計，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與噪聲。

例如：在某個頂級汽車品牌最新的中高端SUV項目中，工程師運用CAE軟件來精細(xì)模擬車身結(jié)構(gòu)的剛度表現(xiàn)，并針對性地進行了結(jié)構(gòu)改進。通過在車身底部加裝一條強化梁，新車的扭轉(zhuǎn)剛度比前代提升了15%。此外，通過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%同時減重5%。激光焊接取代傳統(tǒng)點焊，使得剛度進一步增強約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)于市場同類產(chǎn)品。這些數(shù)據(jù)和實例展示了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(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：優(yōu)化車身材料與制造工藝以提升剛度

汽車設(shè)計時材料選擇和制造工藝優(yōu)化是增強車身結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)鍵，繼而對汽車NVH性能有積極作用。材料選擇對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，但輕質(zhì)材料如高強度鋼、鋁合金和復(fù)合材料（玻璃纖維增強材料GFRP、碳纖維增強材料CFRP）等在汽車制造領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。這類材料不但比強度高、密度小，并且增強車身剛度的同時有效降低整車重量。除選材外，提高制造工藝對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連接技術(shù)可實現(xiàn)鋁結(jié)構(gòu)或不同材料間的連接。利用激光焊接和點焊機器人這類現(xiàn)代焊接技術(shù)能夠改善焊接質(zhì)量和一致性以增強車身結(jié)構(gòu)剛度。另外，采用熱成形，冷鍛造等先進成型工藝可制造復(fù)雜外形的高強鋼零件，使得車身結(jié)構(gòu)更緊湊，整車剛強度進一步提高。高強度鋼在車身上的應(yīng)用如圖1。

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

通過選擇和設(shè)計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。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)動機及風(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以降低噪音。懸置系統(tǒng)有助于減少發(fā)動機和傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的振動對車輛的影響，從而進一步降低車內(nèi)的噪聲和振動。在對零件進行優(yōu)化的同時，還在汽車制造過程中廣泛采用了若干先進降噪技術(shù)。比如主動降噪系統(tǒng)可通過車載傳感器對汽車內(nèi)噪音狀況進行實時監(jiān)控，再利用反相波原理產(chǎn)生與噪聲相反的聲波來抵消噪聲，使汽車內(nèi)噪聲水平下降。

4 結(jié)語

綜上所述，車身結(jié)構(gòu)剛度對車輛的NVH性能提升非常重要。通過完善結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用優(yōu)質(zhì)材料和制造工藝可有效增強車身結(jié)構(gòu)剛度，再結(jié)合降噪部件和先進降噪技術(shù)等舉措有利于達到較好的噪聲控制，振動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更舒適安靜的駕乘環(huán)境。

參考文獻：

[1]潘威，馬峰，王新文，李珊，徐傳燕.高里程汽車NVH性能衰減評價方法[J].汽車工程師，2021（07）：34-38.

[2]賴勝生.水性丙烯酸阻尼涂料在汽車NVH性能控制中的應(yīng)用[J].電鍍與涂飾，2020，39（14）：970-974.

[3]田佩，華睿.基于白車身結(jié)構(gòu)剛度化的結(jié)構(gòu)靈敏度分析[J].汽車實用技術(shù)，2019（14）：128-130.

[4]徐勁力，羅士君，賈冰，陳端瀅.萬向節(jié)附加彎矩對汽車NVH性能影響研究[J].機械傳動，2019，43（04）：37-43.

[5]李鵬宇.某電動汽車NVH性能分析[J].內(nèi)燃機與配件，2019（02）：30-32.