车身整体模态控制及其影响因素分析

设计车身结构时，要使第一阶弯曲模态和第一阶扭转模态等几个主要模态的频率尽可能高；要使对车身振动影响大的模态远离主要激励源的频率；如果车身模态频率与激励频率出现不可避免的重合，就必须使激励尽可能靠近模态节点。

车身的整体模态主要与车身的刚度和质量分布有关，因此改变车身模态也就是从这两方面入手。车身的整体结构阻尼很小，在分析模态时，阻尼可以忽略。不过，对车身板的局部模态来说，阻尼对抑制振动和降低噪声辐射非常重要。另外，与车身相连接的某些部件可以看成是车身的动态吸振器，这些部件的设计可以降低车身的振动。

1.车身模态的刚度控制

车身刚度的控制从整体刚度的分布、梁截面的控制、连接头的控制和结构胶四方面入手。用应变能来分析车身承受静态弯曲载荷和扭转载荷的应变能，找到应变能大的地方，即找到了车身刚度弱的位置。

图2-36和图2-37给出了静态载荷下车身应变能分布，从图中可以看到刚度弱的部位。从模态的角度，也可以做类似的分析，即对车身进行模态应变能分析，分析弯曲模态和扭转模态下的应变能分布。从分布中，找到影响弯曲模态和扭转模态的主要部位。结合静态载荷下的应变能分布和模态应变能分布，从每根梁和每个连接头数据上，可以看到它们各自的贡献，即对应刚度的强弱。对车身整体弯曲刚度和模态影响大的结构有A柱、B柱、C柱、A柱和B柱附件的顶棚结构、门槛梁、前纵梁、后纵梁。提升弯曲刚度和模态就要从这些影响大的结构入手，进行结构优化。对车身整体扭转刚度和模态影响大的结构有B柱、C柱、门槛梁、后纵梁、前后风窗玻璃。提升扭转刚度和模态就要从这些影响大的结构入手，进行结构优化。

在开发一个车身的初期，需要根据Benchmark（对标）和经验数据来确定梁和连接头的刚度。如果这些刚度达到了设计值，那么整个车身的刚度和模态基本上可以达到预期的目标。影响车身整体弯曲刚度和弯曲模态的主要参数为梁和立柱截面的惯性矩和连接头的扭转刚度。这两组值可以形象地标识在车身图上。图2-53表示了某款车在梁和连接头处的弯曲刚度目标值。在图的下面给出了梁的惯性矩和连接头扭转刚度的基本值，椭圆圈内的数据表示连接头对应刚度系数，圆圈内的数字表示梁对应的惯性矩。例如，B柱上标注的数字“11”表示B柱梁截面惯性矩目标为11×10⁵ mm⁴，B1连接头处标注的数字“68”表示该处的扭转刚度为68×10⁴ Nm/rad。

图2-53 某个车身梁和连接头的弯曲刚度目标

影响车身整体扭转刚度和扭转模态的主要参数为梁截面的极惯性矩（J）和连接头的扭转刚度。图2-54给出了某款车与扭转刚度相关的梁和连接头的刚度目标值。图中圆圈和椭圆圈中数字的意义与弯曲刚度类似。

图2-54 某个车身梁和连接头的扭转刚度目标

2.车身模态的质量控制

车身的模态频率是由刚度和质量决定的。假设质量沿着车身均匀分布，增加质量会降低整体模态频率。将内饰件装到白车身上，使车身的质量增加，因此内饰车身的模态频率比白车身低。根据经验统计，内饰车身的弯曲模态频率与白车身的弯曲模态频率比近似等于质量比的平方根。虽然内饰部件增加了质量，但是车门等闭合件使扭转刚度有所增加，因此与弯曲模态频率降低的程度相比，内饰车身的扭转模态频率降低得少一些。(www.xing528.com)

同样的质量安装在不同的位置对模态频率影响也不一样。将质量安装在模态节点上，对车身模态影响最小。图2-55表示一个25kg的电池安装在白车身的三个位置：车身前端、前轮胎的上方和后座椅下方。没有安装电池时白车身的弯曲模态是52Hz，当将电池装在上述三个位置时，白车身的模态分别变为47.5Hz、51.2Hz和49.8Hz。增加质量后，白车身的模态频率降低，装在三个位置使频率降低的程度不一样。车身前端是模态幅值点，安装电池后，模态受到的影响很大，频率下降了4.5Hz。前轮胎上方是模态节点，安装电池后对模态影响不大，频率仅降低0.8Hz。座椅上方不是模态节点，但靠近节点，因此安装电池后，模态受到一定影响，频率降低了2.2Hz。

图2-55 质量安装在白车身不同位置对弯曲模态的影响

将质量加在模态幅值最大点时，对模态的影响最大。如果为了改变模态振型和频率，那么最好将质量安装在模态振幅最大的点。例如，车身最前端的弯曲模态幅值最大，将防撞梁安装在这个地方可以有效地改变模态振型和幅值。

如果集中质量同时也是激励源，则必须将它们安装在模态节点上。比如，动力总成可以看成是一个大质量块，同时也是激励源，它的安装点就应该选择在模态节点上。悬架系统也是集中质量系统，并将路面的激励传递到车身，因此，它们也必须选择在车身的模态节点上。

3.车身结构的动态吸振器

除了刚度和质量能改变车身的模态外，将汽车上的一些系统设计成车身的动态吸振器也可以改变车身模态。关于动态吸振器的原理，请参阅第三章。动态吸振器是由主系统和附加系统组成，附加系统的振动可以消除主系统中某个频率的共振。比如，将动力总成看成是一个附加质量-弹簧系统，如图2-56所示。在这个系统中，车身和悬架是主系统，动力总成是附加系统。如果将动力总成参数调节到一定程度，它就成为车身的动态吸振器，使弯曲模态的频率和振型发生改变。再比如，将防撞梁和散热器看成是车身上的附加质量-弹簧系统（图2-57），则在这个系统中，车身和悬架是主系统，冷却模块是附加系统。通过调节橡胶隔振垫的参数，就可以将冷却模块调节成车身的一个动态吸振器，从而改变车身的一阶弯曲模态。

图2-56 动力总成作为车身的动态吸振器

图2-57 冷却模块作为车身的动态吸振器