汽车车身刚度的重要性和控制

刚度是指结构在外力的作用下抵抗变形的能力，即恢复原形的弹性变形能力。车身是一个结构体，因此它具备一定的刚度。

1.车身刚度的分类

车身主要变形有两种形式，即弯曲变形和扭转变形。因此，车身刚度的第一种分类方法是按照变形形式的不同，将车身刚度分为弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度是指外力与位移变形的比值，表示抵抗弯曲变形的能力，单位是N/mm。扭转刚度是指扭转力矩与角度变形的比值，表示抵抗扭转变形的能力，单位是kN·m/rad。

按照部件的不同，车身可分为白车身、内饰车身和整车车身。因此，车身刚度的第二种分类方法是按照结构的不同，将车身刚度分为白车身刚度、内饰车身刚度和整车车身刚度。这三者都包含了弯曲刚度和扭转刚度，比如对白车身来说，有白车身弯曲刚度和白车身扭转刚度。

前面两种分类都是对整体车身而言，都是指车身的整体刚度。车身上还有许多板件和局部重要的连接点，因此，车身刚度的第三种分类方法是从车身整体和局部的角度，将车身刚度分为整体刚度和局部刚度。整体刚度是指整体车身抵抗变形的能力，它影响到整车的低频噪声振动性能。局部刚度是指局部结构的刚度，它影响到某个局部的振动以及对车内的噪声辐射，涉及的频率范围比较宽。局部刚度包括局部板（如前壁板、顶棚、侧围板等）的刚度和连接点（发动机与车身的连接点、排气挂钩与车身的连接点等）的刚度。

在第一种和第二种分类方法中提到的刚度，即弯曲刚度、扭转刚度、白车身刚度、内饰车身刚度、整车车身刚度，都是指车身的整体刚度。

2.车身刚度不足带来的问题

车身刚度是整车车身结构的基础，并决定了汽车的品质和性能，包括异响、NVH性能、操控性能、碰撞安全性能、可靠性等。车身刚度不足会带来以下问题：

①异响问题。如果车身刚度不足，那么当汽车在粗糙路面上行驶或者受到冲击时，车身变形就大，容易与周边的部件产生碰撞或者摩擦，从而产生异响。比如，当车身框架与车门之间的变形有比较大的不一致时，两者之间就产生碰撞，发出“咯咯”“嗒嗒”的异响声；车身与仪表板之间也可能产生摩擦，从而发出“叽叽”的异响声。

②NVH问题。车身模态是由车身刚度决定的。当刚度不足时，整车的模态频率低，容易与外界激励频率一致或者接近，从而产生共振。比如，整车第一阶弯曲模态频率只有22Hz，而车载四缸发动机的怠速为650r/min，对应的二阶发火频率为21.7Hz，这时，整个车身就会被激励起来，产生共振。再比如，车身刚度低，汽车高速行驶时，车身与车门之间的变形不一致，产生了动态密封问题，即出现缝隙，进而产生风噪。

③操控问题。汽车转弯和变线的操作对车身的扭转刚度要求比较高。如果扭转刚度不足，那么车身的扭转角度大，整车的跟随感差，进而降低了操控性能。

④可靠性问题。车身刚度是决定疲劳性能和可靠性的重要因素之一。比如，当汽车一边轮胎受到冲击时，如果车身的扭转刚度低，这边的车身变形会很大，车门有可能被卡在车身框架上，从而导致不能打开车门。再比如，车身的某些部位刚度低，会使局部应力增加，汽车长期运行之后，在这些部位可能出现龟裂和破损。

⑤碰撞安全问题。车身刚度会影响碰撞能量的吸收和对行人的保护。碰撞与NVH对车身刚度的要求有些情况是一致的，有一些情况则相反。

总之，车身刚度的重要性一目了然。足够高刚度的车身才能避免异响，达到良好的NVH性能、操控性能、可靠性和碰撞安全性能，才能使汽车有着良好的品质感。车身刚度甚至会给顾客购车带来直接影响，会在他们心中留下“一辆没有安全感的车”“一辆不舒适的车”“一辆可靠的车”“一辆好车”“一辆有品位的车”等这样的印象。(www.xing528.com)

3.车身刚度对NVH的影响

车身刚度对NVH影响非常大。车身刚度不足直接降低了NVH性能，除了上面列出的共振和动态密封问题外，还会带来很多其他的噪声振动问题，如低频轰鸣声。图2-1给出了一组车辆的弯曲刚度和扭转刚度与车内噪声的关系，这些汽车以40km/h的速度在粗糙路面行驶。从图中可以看出，总体趋势是车身刚度越大，车内噪声越低。

图2-1 车身刚度与车内噪声的关系

除了在粗糙路面行驶外，汽车在怠速、加速、减速、高速巡航等状态下，车内噪声与车身刚度的关系也与图2-1类似。从NVH角度来看，一般来说，整车NVH性能随着车身刚度的增加而提高。图2-2显示了主观打分与车身刚度的关系。不过，当车身刚度增加到某个值时，可能会使整体模态与激励发生共振，使NVH性能降低，但是当刚度继续增加，整车模态避开了共振，NVH性能会提高。因此，图2-2显示的是一个波动的曲线，但是总体趋势是车身刚度增加，整车的NVH性能提升。

图2-2 车身刚度与NVH性能的关系

当然，车身刚度也不能过大。过大的刚度会使汽车重量增加、成本上升。另外，过大的刚度也会使某些性能（如舒适性）下降。因此，车身刚度应该控制在合理的范围内。对不同的车型，要确定车身合理的刚度。合理的刚度应该在性能、成本和重量之间达到良好的平衡。

4.白车身刚度的重要性

白车身是整体车身的核心。

第一，白车身刚度是整车刚度的基础。汽车的其他系统和内饰件都安装在白车身上，白车身是其他系统的载体。白车身刚度是决定内饰车身和整车车身刚度最重要的因素。

第二，白车身刚度决定了车身的整体模态。内饰车身或整车车身上有很多附件，进行模态分析时，整体模态和局部模态混杂在一起，这不利于集中研究车身整体模态。整车车身的模态形式与白车身模态形式基本一致，只是频率不同。因此，了解白车身模态是分析车身整体模态的基础。

第三，白车身相对简单，能清晰地反映影响车身刚度的主要因素。因此，研究白车身刚度对控制整车的整体刚度和模态非常关键。