車身結構剛度對汽車NVH性能的影響研究

摘 要：車身結構剛度主要指車身的彎曲剛度和扭轉剛度。車身結構剛度與汽車NVH性能即噪聲，振動和聲振粗糙度有直接聯系。良好的剛度能防止結構在載荷作用下產生大的變形，從而引起各部件間大的相對位移，或車身結構與車室內空腔發生聲固耦合的變化所引發的高噪聲。提高車身結構剛度，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定性。在研究優化車身結構剛度增強NVH性能時，可以從選擇優化車身結構設計，高性能材料，改進制造工藝和選擇降噪部件入手。

關鍵詞：車身結構 剛度 NVH性能

0 引言

車身結構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，升級結構設計和制造工藝及優化部件配置等措施可以顯著增強車身結構剛度以優化整車NVH性能。在此背景下，本文將深入探究車身結構剛度對于車輛NVH性能所產生的具體作用以及優化策略。

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、傳遞器和響應器組成的系統。激勵源主要包括發動機與傳動系統、車輪和輪胎、粗糙路面和風等。他們產生的振動、噪聲通過懸架系統、懸置系統、車身結構系統等傳遞器的作用傳入車身和車室空腔，形成振動和聲學響應。汽車NVH問題的響應最終表現為座椅、地板和轉向盤的振動，以及駕駛人和乘客的耳旁噪聲。在現代汽車設計領域，NVH（噪音，振動及聲振粗糙度）的表現是非常關鍵的，因為它會直接決定乘客的舒適度、車輛的整體質感和駕駛的整體體驗。噪音管理的目標是減少來自發動機、傳動系統、路面和其他外部因素的噪音，從而為乘客創造一個寧靜的駕駛環境。振動控制主要是通過對車輛的懸掛系統、動力總成的優化安裝以及車身的結構調整，來降低在行駛過程中不必要的振動和不穩定。聲振粗糙度專注于車輛內部的聲音環境，目標是在不犧牲性能的情況下，達到更加和諧、寧靜的車內音響效果。在消費者日益關注汽車整體質量的當下，提升汽車NVH性能不只提升舒適度與靜音性更是汽車設計與品質的衡量標準。

2 車身結構剛度對汽車NVH性能的具體影響

車身結構剛度對整車NVH性能的影響更多體現在汽車行駛在粗糙路面時，駕乘人員對汽車的主觀感受。具有較高車身結構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，如果車身結構剛度水平較低，將使駕乘者產生“松垮”“晃動”的不良感覺。

2.1 車身結構剛度對噪聲控制的影響

因為在行駛中車身變形會產生“吱吱嘎嘎”的噪聲，所以較高的結構剛度對減少相對變形提高舒適性起到了不可或缺的作用。在車身結構具有較高剛度的情況下，這些結構能更有效地抵抗來自路面的振動和風力產生的噪音，從而降低這些噪聲通過車身傳播到車內空間的可能性。這樣的設計有助于提升駕駛的舒適度和車廂內的寧靜感，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下，由于車身剛度對路面及風噪聲的影響較為顯著，出色的剛度能有效地隔絕上述擾動。另外通過對車身結構進行剛度優化，能夠降低汽車在某一特定車速或道路條件下運行時，車身等零件發生共振引起的車內噪聲加劇。

2.2 車身結構剛度對振動抑制的影響

車身的結構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。增加車身結構剛度可使車身振動頻率響應達到最優。振動頻率響應是指車身在受到外部激勵（比如粗糙路面，發動機運轉等等）時的振動響應特性。若車身剛度不夠，車身受激勵時易發生大變形，使振動頻率響應過大，繼而出現共振現象。通過增加車身結構剛度可有效地控制車身振動頻率響應，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生的額外力矩，使得車輛在高速行駛緊急轉向和制動時更易保持平穩，降低側傾與晃動，提升懸掛系統工作效率，保證整車具有較好的操縱穩定性能，增加行車安全性和乘坐舒適性。

2.3 車身結構剛度對聲振粗糙度的影響

車內聲振粗糙度就是指汽車在運行過程中，由于發動機，路面和風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。汽車內部聲音和振動過大會導致駕駛者長時間駕駛時感到疲勞，尤其在高速或嘈雜環境下。控制聲振粗糙度可減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鍵作用。減小車內聲振粗糙度，需從車身結構等方面認真優化，結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傳遞和聲振的傳播。

3 提升車身結構剛度以優化NVH性能的策略

3.1 結構設計優化：通過改進結構設計提升車身整體剛度

在設計階段，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剛度、接頭剛度、車身固有模態分別進行模擬分析。目的是識別應力集中的區域和提取共振頻率，進行有針對性的優化。車身結構設計也需考慮制造工藝是否可行。既要保證結構剛度又要方便制造與組裝。下面是具體的設計優化措施：

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，當轎車車身彎曲剛度為11000～13000N/mm，扭轉剛度為20000 N.m/（°）時，車輛性能良好，相對變形最小，產生的“吱嘎”聲也幾乎聽不到。要同時保證NVH性能和操縱穩定性，車身扭轉剛度值不得低于20000 N.m/（°），通過不斷改進結構設計，帶入有限元軟件反復迭代分析，直至車身剛度性能達到或超越目標值。在設計車身結構的梁和柱的截面時，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分析，提升車身模態頻率（剛度）

汽車NVH性能開發與控制的一項重要設計指導原則是保證良好的模態分離。即在車身結構的前期設計階段，避免車身振動模態頻率與其他子系統固有頻率發生重疊，則能夠避免絕大多數的振動問題。

對于承載式車身，一般要求一階模態頻率大于30～40Hz。車輪經懸架系統傳遞的振動頻率和發動機經懸置系統傳遞的振動頻率等與車身低階模態頻率相近。因此，車身結構開發要重點聚焦低階模態頻率的設計，通過修改車身結構形狀和尺寸，使車身和部件的低階模態頻率提高，避開激勵頻率防止共振。此外，通過模態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。共振導致的輻射聲和車室內腔體氣動壓力變動，是產生車內噪音的重要原因，有效的辦法是在車身關鍵部位增設加強筋，接縫及接口進行周密設計，采用封閉截面結構，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軟件來精細模擬車身結構的剛度表現，并針對性地進行了結構改進。通過在車身底部加裝一條強化梁，新車的扭轉剛度比前代提升了15%。此外，通過在支柱和車頂間增加結構支撐，縱向彎曲剛度提升了12%。采用鋼鋁混合材料結構，整車剛度提升10%同時減重5%。激光焊接取代傳統點焊，使得剛度進一步增強約8%。這些結構改良使得整車NVH性能顯著提升：車內噪音較之前降低2分貝，顯著改善了消費者的乘坐舒適感。數據顯示，這輛SUV的總體NVH表現顯著優于市場同類產品。這些數據和實例展示了結構設計優化在提高車身結構剛度和汽車NVH性能方面的重要性。如表1。

3.2 材料選擇與工藝改進：優化車身材料與制造工藝以提升剛度

汽車設計時材料選擇和制造工藝優化是增強車身結構剛度的關鍵，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。盡管傳統鋼材在成本方面具有優勢，但輕質材料如高強度鋼、鋁合金和復合材料（玻璃纖維增強材料GFRP、碳纖維增強材料CFRP）等在汽車制造領域也得到了廣泛應用。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可實現鋁結構或不同材料間的連接。利用激光焊接和點焊機器人這類現代焊接技術能夠改善焊接質量和一致性以增強車身結構剛度。另外，采用熱成形，冷鍛造等先進成型工藝可制造復雜外形的高強鋼零件，使得車身結構更緊湊，整車剛強度進一步提高。高強度鋼在車身上的應用如圖1。

3.3 部件優化與降噪：采用降噪部件與先進降噪技術以優化 NVH 性能

通過選擇和設計具有降噪功能的部件，可以有效減少汽車內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。車內采用隔音材料能有效降低路面，發動機及風噪音傳播。這類隔音材料一般為高密度泡沫或者復合材料，可以吸收并隔絕噪聲，減少車內噪音水平。此外，使用減震器、懸置等降噪部件對NVH性能優化具有重要意義。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。懸置系統有助于減少發動機和傳動系統產生的振動對車輛的影響，從而進一步降低車內的噪聲和振動。在對零件進行優化的同時，還在汽車制造過程中廣泛采用了若干先進降噪技術。比如主動降噪系統可通過車載傳感器對汽車內噪音狀況進行實時監控，再利用反相波原理產生與噪聲相反的聲波來抵消噪聲，使汽車內噪聲水平下降。

4 結語

綜上所述，車身結構剛度對車輛的NVH性能提升非常重要。通過完善結構設計，選用優質材料和制造工藝可有效增強車身結構剛度，再結合降噪部件和先進降噪技術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化等效果，繼而給駕駛者及乘客帶來更舒適安靜的駕乘環境。

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