车身结构刚度对汽车NVH性能的影响研究

摘 要：车身结构刚度主要指车身的弯曲刚度和扭转刚度。车身结构刚度与汽车NVH性能即噪声，振动和声振粗糙度有直接联系。良好的刚度能防止结构在载荷作用下产生大的变形，从而引起各部件间大的相对位移，或车身结构与车室内空腔发生声固耦合的变化所引发的高噪声。提高车身结构刚度，可以有效地抑制车身振动、减少振动传递、增强乘坐舒适性及操纵稳定性。在研究优化车身结构刚度增强NVH性能时，可以从选择优化车身结构设计，高性能材料，改进制造工艺和选择降噪部件入手。

关键词：车身结构 刚度 NVH性能

0 引言

车身结构刚度直接决定了汽车NVH性能，对于增强驾驶者与乘客舒适度，降低驾驶疲劳度以及提高汽车整体性能评价等都有着重要影响。研究表明：采用改进车身材料，升级结构设计和制造工艺及优化部件配置等措施可以显著增强车身结构刚度以优化整车NVH性能。在此背景下，本文将深入探究车身结构刚度对于车辆NVH性能所产生的具体作用以及优化策略。

1 NVH性能在汽车中的重要性

从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源、传递器和响应器组成的系统。激励源主要包括发动机与传动系统、车轮和轮胎、粗糙路面和风等。他们产生的振动、噪声通过悬架系统、悬置系统、车身结构系统等传递器的作用传入车身和车室空腔，形成振动和声学响应。汽车NVH问题的响应最终表现为座椅、地板和转向盘的振动，以及驾驶人和乘客的耳旁噪声。在现代汽车设计领域，NVH（噪音，振动及声振粗糙度）的表现是非常关键的，因为它会直接决定乘客的舒适度、车辆的整体质感和驾驶的整体体验。噪音管理的目标是减少来自发动机、传动系统、路面和其他外部因素的噪音，从而为乘客创造一个宁静的驾驶环境。振动控制主要是通过对车辆的悬挂系统、动力总成的优化安装以及车身的结构调整，来降低在行驶过程中不必要的振动和不稳定。声振粗糙度专注于车辆内部的声音环境，目标是在不牺牲性能的情况下，达到更加和谐、宁静的车内音响效果。在消费者日益关注汽车整体质量的当下，提升汽车NVH性能不只提升舒适度与静音性更是汽车设计与品质的衡量标准。

2 车身结构刚度对汽车NVH性能的具体影响

车身结构刚度对整车NVH性能的影响更多体现在汽车行驶在粗糙路面时，驾乘人员对汽车的主观感受。具有较高车身结构刚度的汽车将为驾乘者带来“敦实”“装配良好”的主观感受，使驾乘人员有安全和自信的感觉；反之，如果车身结构刚度水平较低，将使驾乘者产生“松垮”“晃动”的不良感觉。

2.1 车身结构刚度对噪声控制的影响

因为在行驶中车身变形会产生“吱吱嘎嘎”的噪声，所以较高的结构刚度对减少相对变形提高舒适性起到了不可或缺的作用。在车身结构具有较高刚度的情况下，这些结构能更有效地抵抗来自路面的振动和风力产生的噪音，从而降低这些噪声通过车身传播到车内空间的可能性。这样的设计有助于提升驾驶的舒适度和车厢内的宁静感，进而减少驾乘人员感受到的噪音干扰。尤其在高速行驶状态下，由于车身刚度对路面及风噪声的影响较为显著，出色的刚度能有效地隔绝上述扰动。另外通过对车身结构进行刚度优化，能够降低汽车在某一特定车速或道路条件下运行时，车身等零件发生共振引起的车内噪声加剧。

2.2 车身结构刚度对振动抑制的影响

车身的结构刚度决定了其抵抗变形的能力，这一特性对汽车在行驶过程中减少振动有着直接的影响。增加车身结构刚度可使车身振动频率响应达到最优。振动频率响应是指车身在受到外部激励（比如粗糙路面，发动机运转等等）时的振动响应特性。若车身刚度不够，车身受激励时易发生大变形，使振动频率响应过大，继而出现共振现象。通过增加车身结构刚度可有效地控制车身振动频率响应，避免共振从而降低振动传递。

出色的车身刚度不仅有助于降低噪音传播和振动，而且能减少因车身扭曲而产生的额外力矩，使得车辆在高速行驶紧急转向和制动时更易保持平稳，降低侧倾与晃动，提升悬挂系统工作效率，保证整车具有较好的操纵稳定性能，增加行车安全性和乘坐舒适性。

2.3 车身结构刚度对声振粗糙度的影响

车内声振粗糙度就是指汽车在运行过程中，由于发动机，路面和风力引起的振动及噪音而引起的不舒适程度。声振粗糙度不仅会影响乘坐品质而且会直接影响驾驶者视听疲劳度及车辆整体评估。汽车内部声音和振动过大会导致驾驶者长时间驾驶时感到疲劳，尤其在高速或嘈杂环境下。控制声振粗糙度可减少驾驶者视听疲劳度并增强驾驶舒适性。安静舒适的驾驶环境下驾驶者更加专注，降低了疲劳驾驶危险，增加了行车安全性。车身刚度在声振粗糙度控制中起关键作用。减小车内声振粗糙度，需从车身结构等方面认真优化，结合高强度材料的使用，可提高车身整体刚度并降低振动向车内传递和声振的传播。

3 提升车身结构刚度以优化NVH性能的策略

3.1 结构设计优化：通过改进结构设计提升车身整体刚度

在设计阶段，工程师将利用有限元分析软件（FEA）等工具来建立车身的有限元分析模型，对车身的弯曲和扭转刚度、接头刚度、车身固有模态分别进行模拟分析。目的是识别应力集中的区域和提取共振频率，进行有针对性的优化。车身结构设计也需考虑制造工艺是否可行。既要保证结构刚度又要方便制造与组装。下面是具体的设计优化措施：

3.1.1 通过模拟分析提升车身弯扭刚度及接头刚度

通过对市场几款车型的模拟分析，当轿车车身弯曲刚度为11000～13000N/mm，扭转刚度为20000 N.m/（°）时，车辆性能良好，相对变形最小，产生的“吱嘎”声也几乎听不到。要同时保证NVH性能和操纵稳定性，车身扭转刚度值不得低于20000 N.m/（°），通过不断改进结构设计，带入有限元软件反复迭代分析，直至车身刚度性能达到或超越目标值。在设计车身结构的梁和柱的截面时，尽可能在不增加截面积的条件下提高截面特性，这样有助于提升车身整体刚度。

3.1.2 通过车身整体振动模态分析，提升车身模态频率（刚度）

汽车NVH性能开发与控制的一项重要设计指导原则是保证良好的模态分离。即在车身结构的前期设计阶段，避免车身振动模态频率与其他子系统固有频率发生重叠，则能够避免绝大多数的振动问题。

对于承载式车身，一般要求一阶模态频率大于30～40Hz。车轮经悬架系统传递的振动频率和发动机经悬置系统传递的振动频率等与车身低阶模态频率相近。因此，车身结构开发要重点聚焦低阶模态频率的设计，通过修改车身结构形状和尺寸，使车身和部件的低阶模态频率提高，避开激励频率防止共振。此外，通过模态振型可以看出车身振动变形较小的部位。将动力总成等的悬置点放在这些位置，对隔振是有利的。

大型薄板零件比如前后地板和顶盖等由于刚度较差，在振源激励作用下，极易引起共振。共振导致的辐射声和车室内腔体气动压力变动，是产生车内噪音的重要原因，有效的办法是在车身关键部位增设加强筋，接缝及接口进行周密设计，采用封闭截面结构，能有效地改善局部刚度避开激振频率并降低振动与噪声。

例如：在某个顶级汽车品牌最新的中高端SUV项目中，工程师运用CAE软件来精细模拟车身结构的刚度表现，并针对性地进行了结构改进。通过在车身底部加装一条强化梁，新车的扭转刚度比前代提升了15%。此外，通过在支柱和车顶间增加结构支撑，纵向弯曲刚度提升了12%。采用钢铝混合材料结构，整车刚度提升10%同时减重5%。激光焊接取代传统点焊，使得刚度进一步增强约8%。这些结构改良使得整车NVH性能显著提升：车内噪音较之前降低2分贝，显著改善了消费者的乘坐舒适感。数据显示，这辆SUV的总体NVH表现显著优于市场同类产品。这些数据和实例展示了结构设计优化在提高车身结构刚度和汽车NVH性能方面的重要性。如表1。

3.2 材料选择与工艺改进：优化车身材料与制造工艺以提升刚度

汽车设计时材料选择和制造工艺优化是增强车身结构刚度的关键，继而对汽车NVH性能有积极作用。材料选择对车身整体刚度有直接的影响。尽管传统钢材在成本方面具有优势，但轻质材料如高强度钢、铝合金和复合材料（玻璃纤维增强材料GFRP、碳纤维增强材料CFRP）等在汽车制造领域也得到了广泛应用。这类材料不但比强度高、密度小，并且增强车身刚度的同时有效降低整车重量。除选材外，提高制造工艺对提高车身刚度也有很大影响。比如利用铆接或者胶接等先进连接技术可实现铝结构或不同材料间的连接。利用激光焊接和点焊机器人这类现代焊接技术能够改善焊接质量和一致性以增强车身结构刚度。另外，采用热成形，冷锻造等先进成型工艺可制造复杂外形的高强钢零件，使得车身结构更紧凑，整车刚强度进一步提高。高强度钢在车身上的应用如图1。

3.3 部件优化与降噪：采用降噪部件与先进降噪技术以优化 NVH 性能

通过选择和设计具有降噪功能的部件，可以有效减少汽车内部和外部噪音的传播，提高乘坐舒适度和驾驶体验。常用降噪部件为隔音材料。车内采用隔音材料能有效降低路面，发动机及风噪音传播。这类隔音材料一般为高密度泡沫或者复合材料，可以吸收并隔绝噪声，减少车内噪音水平。此外，使用减震器、悬置等降噪部件对NVH性能优化具有重要意义。减震器能够减小汽车行驶中颠簸路面引起车身振动以降低噪音。悬置系统有助于减少发动机和传动系统产生的振动对车辆的影响，从而进一步降低车内的噪声和振动。在对零件进行优化的同时，还在汽车制造过程中广泛采用了若干先进降噪技术。比如主动降噪系统可通过车载传感器对汽车内噪音状况进行实时监控，再利用反相波原理产生与噪声相反的声波来抵消噪声，使汽车内噪声水平下降。

4 结语

综上所述，车身结构刚度对车辆的NVH性能提升非常重要。通过完善结构设计，选用优质材料和制造工艺可有效增强车身结构刚度，再结合降噪部件和先进降噪技术等举措有利于达到较好的噪声控制，振动抑制及声振粗糙度优化等效果，继而给驾驶者及乘客带来更舒适安静的驾乘环境。

参考文献：

[1]潘威，马峰，王新文，李珊，徐传燕.高里程汽车NVH性能衰减评价方法[J].汽车工程师，2021（07）：34-38.

[2]赖胜生.水性丙烯酸阻尼涂料在汽车NVH性能控制中的应用[J].电镀与涂饰，2020，39（14）：970-974.

[3]田佩，华睿.基于白车身结构刚度化的结构灵敏度分析[J].汽车实用技术，2019（14）：128-130.

[4]徐劲力，罗士君，贾冰，陈端滢.万向节附加弯矩对汽车NVH性能影响研究[J].机械传动，2019，43（04）：37-43.

[5]李鹏宇.某电动汽车NVH性能分析[J].内燃机与配件，2019（02）：30-32.