基于NVH性能的汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李仲奎 吳開(kāi)豐 袁亮 徐澤彬 龔侃

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

汽車NVH性能（噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）體現(xiàn)了現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的水平[1]。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)上，提高車輛抗噪水平已成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向[2]。與此同時(shí)，國(guó)際市場(chǎng)越來(lái)越嚴(yán)格的汽車噪聲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛的準(zhǔn)入設(shè)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(fā)過(guò)程中最為重要的性能指標(biāo)，也是用戶所關(guān)注的整車性能指標(biāo)之一。汽車車身承受著來(lái)自道路及裝載的各種載荷作用，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)整車性能有著重要影響。車身結(jié)構(gòu)應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性以達(dá)到控制振動(dòng)和噪聲的目的[3]。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段就應(yīng)該嚴(yán)格控制車身的振動(dòng)噪聲，使其達(dá)到較好的效果[4]?；诖耍恼聫能嚿斫Y(jié)構(gòu)角度出發(fā)，探討提升車輛NVH性能的方法，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 汽車NVH概述

1.1 NVH發(fā)生機(jī)理

整車NVH 問(wèn)題的發(fā)生機(jī)理大致可以分為激勵(lì)源、傳遞系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)及主觀感受4 個(gè)步驟[5]，如圖1 所示。經(jīng)歷傳遞之后，NVH 問(wèn)題最終是通過(guò)車身、座椅、轉(zhuǎn)向盤等結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，以及空氣傳播噪聲對(duì)人造成的主觀感受。

圖1 NVH發(fā)生機(jī)理示意圖

1.2 與NVH相關(guān)的車身因素

由NVH 問(wèn)題發(fā)生機(jī)理可知，整車的NVH 問(wèn)題關(guān)系到車輛的多個(gè)系統(tǒng)，十分復(fù)雜，就單純從車身結(jié)構(gòu)角度來(lái)分析，也很困難。影響NVH性能的車身結(jié)構(gòu)因素大致可以分為7 個(gè)部分：

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

2）車身整體靜剛度：主要包括車身整體扭轉(zhuǎn)剛度、整體彎曲剛度；

3）車身整體模態(tài)：包含TB 模態(tài)和BIW 模態(tài)，主要關(guān)注低階模態(tài)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙橫擺、整體扭轉(zhuǎn)、整體彎曲等對(duì)應(yīng)的模態(tài)；

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

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

6）車身聲腔模態(tài)：包括車身上所有腔體內(nèi)區(qū)域的模態(tài)，尤其是側(cè)圍腔體、后圍腔體；

7）車身隔聲性能：指車身作為一個(gè)密閉殼體的密封性能。

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、聲腔模態(tài)、密封性等得到改善之后，能大大提升車身振動(dòng)傳遞函數(shù)（VTF）、噪聲傳遞函數(shù)（NTF）和車身的隔聲性能。

2 提升NVH性能的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 加強(qiáng)車身重要安裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

承載式車身無(wú)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(lì)傳遞的角度考慮，就需要著重加強(qiáng)車身與前后懸架及動(dòng)力總成連接點(diǎn)處的動(dòng)剛度設(shè)計(jì)。圖2 示出一般車型前、后懸架在車身上的安裝結(jié)構(gòu)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(diǎn)通常位于車身前縱梁、后縱梁或輪罩加強(qiáng)板上，可通過(guò)局部加強(qiáng)的方式來(lái)提升重要安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度。重要安裝點(diǎn)加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)，如圖3 所示。從圖3 可以看出，圖3b 優(yōu)于圖3a，可以大大分散載荷。

圖3 汽車前后懸架重要安裝點(diǎn)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

當(dāng)單層加強(qiáng)板提升動(dòng)剛度不能滿足要求時(shí)，可通過(guò)更改固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，即采用2 道加強(qiáng)板構(gòu)成立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。將普通螺母改為套管螺母，連接2 層加強(qiáng)板，形成的立體結(jié)構(gòu)能達(dá)到大幅度提升安裝點(diǎn)動(dòng)剛度的效果。

對(duì)車身前、后懸架安裝點(diǎn)處施加X(jué)，Y，Z 向單位激勵(lì)，在0～800 Hz 的頻率范圍內(nèi)，要求計(jì)算結(jié)果大于等于10 000 N/mm。

2.2 提升車身整體靜剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加強(qiáng)承載式車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度的策略，主要從車身架構(gòu)形式、接頭剛度、梁系斷面等角度進(jìn)行考慮。好的車身架構(gòu)形式應(yīng)該像碳60 那樣，由若干個(gè)正幾何圖形邊邊相連，形成一個(gè)堅(jiān)固的殼體。但是受限于車身的功能需求，車身的架構(gòu)雖不能規(guī)則如球狀，但是也要求能由邊邊相連的若干個(gè)環(huán)狀路徑構(gòu)成，如圖4所示。車身下底板上可劃分成序號(hào)為1，2，3，4 的4 個(gè)環(huán)狀路徑，沿車身橫斷面可劃分成序號(hào)為5，6，7，8，9的5個(gè)環(huán)狀路徑，4 個(gè)車門可劃分為4 個(gè)環(huán)狀路徑10，11，12，13，車身頂部可劃分成序號(hào)為14，15，16，17的4 個(gè)環(huán)狀路徑，共計(jì)17 個(gè)主要環(huán)狀路徑。此外，還可以進(jìn)一步劃分出局部區(qū)域的環(huán)狀路徑。

具體在車身架構(gòu)設(shè)計(jì)上，不同的路徑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)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(yōu)于圖5a，因?yàn)閳D5b 中頂蓋中橫梁與側(cè)圍B柱直接相連，可實(shí)現(xiàn)橫向成環(huán)，形成閉合結(jié)構(gòu)，能很大程度上提升車身的扭轉(zhuǎn)剛度。

圖5 車身頂蓋中橫梁與B 柱的連接形式對(duì)比示意圖

車身后支柱設(shè)計(jì)，如圖6 所示。從圖6 可以看出，圖6b 的連接結(jié)構(gòu)優(yōu)于圖6a，因?yàn)閳D6b 中的C，D 柱中間加強(qiáng)板與側(cè)圍前半部中間加強(qiáng)板是相連的，形成貫通的路徑；而圖6a 中的后支柱加強(qiáng)板與側(cè)圍中支柱的加強(qiáng)板是斷開(kāi)的，路徑未能連續(xù)。因此，圖6b 中的側(cè)圍加強(qiáng)板架構(gòu)形式能較好地提升車身扭轉(zhuǎn)剛度。

在車身接頭、斷面（Section，縮寫(xiě)S）設(shè)計(jì)上，要求接頭完整，載荷傳遞路徑完整且連續(xù)，截面尺寸連續(xù)，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(huán)，截面形狀封閉成環(huán)。車身的關(guān)鍵接頭和典型斷面分布，如圖7 所示。

圖7 車身關(guān)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(yùn)用三角架結(jié)構(gòu)對(duì)車身整體扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行提升。在側(cè)圍、后圍、前圍及地板等總成的連接上，可考慮在內(nèi)側(cè)增加三角形斜邊連接板，構(gòu)成三角架結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。該方法能大幅度提升車身扭轉(zhuǎn)剛度。

圖10 車身扭轉(zhuǎn)剛度提升策略示意圖

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

2.3 提升車身整體模態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于車身整體模態(tài)更多地體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙橫擺、整體扭轉(zhuǎn)、整體彎曲等模態(tài)上，因此，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需著重關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)艙的橫向剛度、車身整體扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙橫擺模態(tài)通常最低，因此，首要關(guān)注的就是發(fā)動(dòng)機(jī)艙的橫向剛度，結(jié)合到車身整體架構(gòu)的環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖11 所示。合理設(shè)計(jì)車身前縱梁、前防撞梁、水箱上下橫梁結(jié)構(gòu)及其連接結(jié)構(gòu)，可以較好地提升車身的整體模態(tài)。為避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，一般要求TB 模態(tài)頻率＞30 Hz。

圖11 車身整體架構(gòu)形式示意圖

2.4 提升車身局部模態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了關(guān)注整體模態(tài)，同樣需要關(guān)注局部模態(tài)，避免局部模態(tài)較差的狀況發(fā)生。對(duì)后排踏腳處的地板，不設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，保持原始平板進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，該位置振動(dòng)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(yuǎn)，也就是懸空位置偏遠(yuǎn)，也出現(xiàn)模態(tài)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(dòng)位置示意圖

圖13 汽車前格柵固定支架的振動(dòng)位置示意圖

提升車身局部模態(tài)，主要從兩方面開(kāi)展工作，一是加強(qiáng)薄板件設(shè)計(jì)，能設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋、特征結(jié)構(gòu)的區(qū)域盡量設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋、特征結(jié)構(gòu)，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(xiàn)；二是加強(qiáng)功能件固定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先在布置上，盡量做到功能件依梁而居，這樣既可以簡(jiǎn)化固定支架結(jié)構(gòu)，又可以較容易地達(dá)到固定點(diǎn)高剛度的要求，如圖14 所示。離梁較遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就可以解決大多數(shù)車身局部模態(tài)不足的問(wèn)題。

圖14 車身局部功能件固定點(diǎn)布置位置示意圖

2.5 提升車身局部剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身局部剛度的提升方法，同局部模態(tài)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(zhǎng)度；另一方面考慮加強(qiáng)薄板的剛度提升設(shè)計(jì)，尤其是地板件，因受路面噪聲影響較大，需加強(qiáng)對(duì)地板面剛度提升的設(shè)計(jì)。圖15 示出為提升車身地板面剛度所作的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。從圖15 可以看出，縱向加強(qiáng)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(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

此外，從圖15 可以看出，盡管是電動(dòng)汽車地板，Z向空間非常有限，但是也要設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。在地板加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)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(dāng)采用加強(qiáng)筋、特征結(jié)構(gòu)提升面剛度難以達(dá)到目標(biāo)要求時(shí)，可考慮增加阻尼片的方式來(lái)減緩地板、輪罩板的振動(dòng)。

2.6 提升車身聲腔模態(tài)的設(shè)計(jì)

車身是由數(shù)量眾多的薄板件焊接而成的?？紤]到立體結(jié)構(gòu)能增加剛度，同時(shí)也要考慮電泳時(shí)電泳液的流通，車身上很多區(qū)域都是空腔結(jié)構(gòu)。為阻止聲音在空腔內(nèi)傳遞產(chǎn)生振動(dòng)，從而達(dá)到提升車身聲腔模態(tài)的效果，較好的解決方式是在腔體的關(guān)鍵部位設(shè)置膨脹片，因膨脹片安裝時(shí)帶有孔洞和間隙，既可以實(shí)現(xiàn)電泳時(shí)電泳液的流通，又可以在后續(xù)烘烤工藝過(guò)程中進(jìn)行膨脹片發(fā)泡，封堵住腔體的截面，從而隔斷腔體內(nèi)部的連通。車身側(cè)圍是車身側(cè)部的承載件，通常由外板、內(nèi)板、中間加強(qiáng)板3 層板構(gòu)成，內(nèi)部不可避免是空腔結(jié)構(gòu)，也是車身上使用膨脹片較多的區(qū)域。圖16 示出某側(cè)圍腔體的膨脹片布置，共設(shè)置了5 處，將A 柱、B 柱、C 柱都進(jìn)行了隔斷。

圖16 車身某側(cè)圍腔體膨脹片布置示意圖

2.7 提升車身隔聲性能的設(shè)計(jì)

好的車身結(jié)構(gòu)在車門和行李箱蓋（或后背門）關(guān)閉之后能保證乘客艙是個(gè)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(jìn)行密封，所有工藝孔都能得到封堵，所有的線束、管路過(guò)孔都需要配有密封性的護(hù)套。此外，轉(zhuǎn)向柱過(guò)孔、換擋器過(guò)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(guò)程中極易像口哨那樣發(fā)出嘯叫聲。

試驗(yàn)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(qū)域，采用熱熔型塑料堵蓋；在密封要求相對(duì)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(jié)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(shí)，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(jié)構(gòu)。3 種堵蓋結(jié)構(gòu)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(jīng)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(guò)烘烤線。

圖17 車身結(jié)構(gòu)堵蓋種類對(duì)比示意圖

3 某車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 某車身主體架構(gòu)

在開(kāi)發(fā)某車身時(shí)，主要加強(qiáng)車身主體架構(gòu)、接頭形式、梁系斷面的設(shè)計(jì)，形成眾多的環(huán)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(gòu)示意圖

在車身各總成連接結(jié)構(gòu)上，能運(yùn)用三角架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的都運(yùn)用了三角架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如在側(cè)圍與前圍的連接上連接加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖19 所示。

圖19 某車身側(cè)圍與前圍連接加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖

車身模態(tài)及靜剛度仿真分析結(jié)果，如表1 所示。該車身（帶前、后風(fēng)擋玻璃）模態(tài)、靜剛度都達(dá)到較高的數(shù)值，高于同級(jí)別其它車型15%以上。

3.2 某車身上功能件固定點(diǎn)的布置

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

對(duì)于新能源汽車的開(kāi)發(fā)，針對(duì)新增加的動(dòng)力電池、控制器等，也采用固定點(diǎn)依梁而居的方式，可以達(dá)到較優(yōu)的性能。圖20 示出基于某車型開(kāi)發(fā)的PHEV 車身后地板結(jié)構(gòu)。動(dòng)力電池布置在行李箱底部，動(dòng)力電池的固定點(diǎn)排布在兩側(cè)，位于后地板兩側(cè)的邊縱梁上，這樣通過(guò)對(duì)后地板骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅有效地保證了動(dòng)力電池系統(tǒng)固定點(diǎn)的剛度，也使車身整體的扭轉(zhuǎn)剛度提升了5%以上。

3.3 某車身動(dòng)剛度提升方案

對(duì)車身上重要安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行著重加強(qiáng)，力爭(zhēng)做到動(dòng)剛度都滿足目標(biāo)定義。圖21 示出前懸架在車身前縱梁上的1 個(gè)固定點(diǎn)加強(qiáng)方案，固定點(diǎn)處采用雙層加強(qiáng)板加上套管螺母結(jié)構(gòu)。

圖21 某車型前懸架固定點(diǎn)加強(qiáng)方案示意圖

圖22 示出某車型后懸架固定點(diǎn)加強(qiáng)方案。從圖22可以看出，由普通螺母改成套管螺母，再聯(lián)合中空加強(qiáng)板構(gòu)成立體架構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，達(dá)到了提升安裝點(diǎn)動(dòng)剛度的效果。

圖22 某車型后懸架固定點(diǎn)加強(qiáng)方案示意圖

仿真結(jié)果表明，該車身重要安裝點(diǎn)動(dòng)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(biāo)要求。

4 結(jié)論

提升NVH性能的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要包括：加強(qiáng)車身重要安裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升車身整體扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、車身整體模態(tài)、局部模態(tài)、局部剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及提升車身聲腔模態(tài)、隔聲性能的設(shè)計(jì)等。通過(guò)在車身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用這些設(shè)計(jì)方法，可以提升車身NTF 性能、VTF 性能和車身隔聲性能，同時(shí)大大提升車身的品質(zhì)。