摘要：本文提出了白車身局部剛度在NVH（噪聲、振動(dòng)和平順性）和R&H（平順性和操縱性）下的性能準(zhǔn)則。建立了車身局部剛度的計(jì)算方法。對(duì)于操縱性能，不僅懸架襯套剛度，而且白車身結(jié)構(gòu)的局部剛度都很重要。然而，使用白車身局部剛度來描述操縱性能并沒有很好的標(biāo)準(zhǔn)。本文提出了一種新的白車身局部剛度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合車輛實(shí)際行駛工況對(duì)其操縱性能進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，還提出了白車身局部剛度振動(dòng)傳遞率的新評(píng)估方法。新工藝考慮了連接襯套剛度和白車身局部剛度之間的最佳關(guān)系。結(jié)果表明，應(yīng)用該評(píng)價(jià)過程可以降低車內(nèi)噪聲，并通過多個(gè)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

引言在車輛開發(fā)的初始階段，很難預(yù)測(cè)車輛的“噪聲、振動(dòng)和平順性”（NVH）性能和“行駛和操縱”（R&H）性能。此外，在原型設(shè)計(jì)階段不容易改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此有必要在早期設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和R&H性能。另一方面，車身是決定車輛剛度和強(qiáng)度的主要子系統(tǒng)，因此車身對(duì)整個(gè)車身的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性有很大的影響。從車身剛度的角度出發(fā)，將總剛度分為整體剛度和局部剛度。整體剛度是指整個(gè)車身的剛度，局部剛度是指安裝底盤子系統(tǒng)的車身局部結(jié)構(gòu)的剛度。車身的整體和局部剛度直接影響車輛的NVH、耐久性、耐撞性等性能。已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，以開發(fā)具有高剛度的車身。關(guān)于車身的整體剛度，汽車公司在開發(fā)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。車輛開發(fā)中剛度改進(jìn)的方向也比較明確。而且已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，就NVH、R＆H和耐久性性能而言，車身安裝區(qū)域的局部剛度很重要。嚴(yán)格來說，“行駛”性能與局部剛度關(guān)系不大，“操縱”性能受車身局部剛度的影響就比較大。在NVH領(lǐng)域，通過改善200至1000 Hz中頻范圍內(nèi)的局部剛度，驗(yàn)證了車輛總體性能的改善。已經(jīng)對(duì)局部剛度進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)NVH性能改善，這可以通過改變底盤和車身之間與隔振襯套連接的局部區(qū)域的剛度來實(shí)現(xiàn)。車身的局部剛度可以通過設(shè)計(jì)達(dá)到世界最佳水平，但存在過度設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，這意味著設(shè)計(jì)資源投入過多。如果過度設(shè)計(jì)，車身重量會(huì)增加，燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差。為了避免資源浪費(fèi)，提出并開發(fā)了基于隔振的設(shè)計(jì)指南，隔振是NVH局部剛度的根本目的。幾位專家已經(jīng)證實(shí)，局部剛度對(duì)車輛的操縱性能具有重要作用。他們還認(rèn)為，考慮NVH和操縱性，剛度目標(biāo)需要區(qū)分。很明顯，車輛結(jié)構(gòu)中底盤安裝區(qū)域的局部剛度會(huì)影響操縱性能以及NVH性能。然而，由于主要研究了NVH領(lǐng)域局部剛度的發(fā)展，處理操縱性能的專家使用了200～1000Hz的局部剛度，這是NVH的觀點(diǎn)。對(duì)于操縱性能，應(yīng)通過包括所有頻率范圍的剛度來評(píng)估局部剛度，而不是200～1000Hz的中頻范圍。車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)應(yīng)盡量減少車身變形。車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)車身的變形是整體變形和局部變形的總和。車身安裝位置的剛度反映了車身的整體剛度和局部剛度。整個(gè)頻帶的剛度等效于靜態(tài)剛度。由于靜剛度難以測(cè)量，因此應(yīng)通過轉(zhuǎn)換整個(gè)頻率剛度來評(píng)估靜剛度。因此，有必要重新設(shè)置操縱的局部剛度評(píng)估過程，因?yàn)?/span>NVH的車身行為與操縱的車身行為不同。對(duì)于NVH，車身的整體剛度決定于200Hz以下的低頻段。即使局部安裝結(jié)構(gòu)改變，局部剛度在200 Hz以下也不會(huì)改變。因此，在評(píng)估NVH的局部剛度時(shí)，200 Hz至1000 Hz的范圍是評(píng)估的合適頻帶。
本研究的目的是制定NVH和操縱的局部剛度評(píng)估指標(biāo)，并將這些指標(biāo)應(yīng)用于車輛開發(fā)階段。首先，針對(duì)NVH性能，研究了振動(dòng)傳遞率與局部剛度之間的關(guān)系，并通過應(yīng)用考慮振動(dòng)傳遞的最優(yōu)局部剛度驗(yàn)證了NVH性能的改善。經(jīng)過驗(yàn)證，通過應(yīng)用局部剛度準(zhǔn)則，在多個(gè)車輛有限元模型中改善了NVH性能。其次，討論了局部剛度對(duì)操縱性能的作用。開發(fā)了操縱局部剛度指數(shù)，并將其應(yīng)用于車輛開發(fā)。局部剛度對(duì)NVH的影響通常，將車輛隔振襯套的剛度值設(shè)置為較低的值有利于隔振。然而，考慮到車輛的耐久性和操縱性能，降低襯套剛度是有限的。作為NVH的替代方案，有人聲稱，如果隔振襯套的剛度固定，可以通過增加車身的局部剛度來改善振動(dòng)傳遞。在本研究中，通過使用車身和底盤安裝區(qū)域的局部剛度以及連接局部區(qū)域的襯套剛度，提出了安裝部分的隔振性能指標(biāo)。性能指標(biāo)定義為振動(dòng)傳遞率（VTR）。VTR用方程式（1）表示，是安裝區(qū)域的隔振率。VTR的值為0到1。如果VTR值為0，則表示100%隔振。如果VTR值為1，則表示沒有隔振。

其中，KIA是底盤的局部剛度，KIB是車身的局部剛度，KRigid是螺栓連接等剛性連接的剛度，KISO是隔振襯套的剛度。圖1顯示了VTR與車身和底盤的局部剛度以及絕緣襯套剛度的關(guān)系。如圖1所示，VTR趨勢(shì)可分為VTR容易降低的區(qū)域、VTR降低平緩的區(qū)域和很少發(fā)生VTR降低的區(qū)域。在本研究中，根據(jù)VTR降低的趨勢(shì)定義了三種局部剛度區(qū)域，并將其用作車身局部剛度的設(shè)計(jì)指南。從局部剛度的角度來看，三個(gè)剛度區(qū)域的特征總結(jié)如下。

1、缺乏剛度區(qū)域：定義為VTR隨著局部剛度的增加而迅速減小的區(qū)域。換言之，它是通過增加局部剛度可以獲得最大隔振效果的區(qū)域。在局部剛度設(shè)計(jì)方面，必須增加剛度，直到其超出“剛度不足區(qū)域”。2、足夠剛度區(qū)域：定義為通過增加局部剛度來緩和VTR減小的區(qū)域。即使局部剛度大大增加，VTR也只會(huì)略微減小。因此，從剛度設(shè)計(jì)的角度來看，該區(qū)域?qū)?yīng)于局部區(qū)域的適當(dāng)剛度。當(dāng)使用VTR設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的局部剛度時(shí)，局部剛度應(yīng)確保VTR值位于“足夠剛度區(qū)域”。
3、臨界剛度區(qū)：定義為即使局部剛度增加，VTR幾乎不變的區(qū)域。在“臨界剛度區(qū)域”，無論局部剛度如何，都無法實(shí)現(xiàn)VTR的減小。因此，不再需要增加局部剛度。“臨界剛度區(qū)域”對(duì)應(yīng)于典型的“超設(shè)計(jì)區(qū)域”。
因此，VTR值隨著局部剛度的增加而變小，并逐漸收斂到恒定值。因此，將VTR值設(shè)置在適當(dāng)?shù)膭偠葏^(qū)域是隔振系統(tǒng)合理有效的剛度設(shè)計(jì)。使用車輛有限元分析模型驗(yàn)證了圖1所示的典型VTR趨勢(shì)特征。在圖2和圖3中，根據(jù)車身局部剛度的增加，VTR趨勢(shì)與車輛聲壓級(jí)的趨勢(shì)相似。隨著車身局部剛度的增加，VTR在各個(gè)方向上都會(huì)減小。
由于后副車架有四個(gè)懸置點(diǎn)，因此四個(gè)懸置會(huì)均勻地影響車輛噪音。因此，在四個(gè)安裝區(qū)域，車輛噪聲表現(xiàn)出與VTR相似的趨勢(shì)。然而，由于安裝區(qū)域之間的路徑和相位干擾，噪聲降低的趨勢(shì)與VTR的趨勢(shì)相似，但并不相同。

局部剛度對(duì)操縱性能的影響

在NVH性能類別中，主要強(qiáng)調(diào)了連接底盤的車身安裝區(qū)域的局部剛度。由于車身局部剛度的增加，NVH的性能以及車輛的耐久性都有了很大的提高。另一方面，在操縱性能領(lǐng)域，有人聲稱車身的局部剛度與操縱性能密切相關(guān)。如引言所述，操縱的局部剛度必須表示為代表所有頻率的剛度。此外，車體的邊界條件應(yīng)視為車體未以與車輛行駛條件相同的方式受到約束的狀態(tài)。
本文提出了一種評(píng)價(jià)車身局部剛度對(duì)操縱性能影響的新方法。所提出的車身局部剛度評(píng)估方法可以表達(dá)所有頻帶的車身剛度。此外，整個(gè)頻帶的剛度可以用0 Hz時(shí)的代表剛度表示，代表剛度等于靜態(tài)剛度。剛度關(guān)系如式（2）所示。

式中，KS是靜態(tài)剛度，KD—total是整個(gè)頻帶的代表性動(dòng)態(tài)剛度，K1st、K2nd和Kr是第一、第二和rth頻率區(qū)域的剛度。圖4解釋了方程式（2）的關(guān)系。它顯示了頻帶位移與整個(gè)頻帶位移之間的關(guān)系。每個(gè)頻帶的等效位移之和等于整個(gè)頻帶的位移。
此外，考慮整個(gè)頻帶的代表性剛度等于靜態(tài)剛度值。整個(gè)頻帶的代表性剛度很難通過實(shí)驗(yàn)獲得。這是因?yàn)椴蝗菀讓?duì)整個(gè)車身均勻施加激勵(lì)。然而，如果使用有限元分析方法，則可以很容易地獲得每個(gè)頻率范圍的靜態(tài)剛度、代表性動(dòng)態(tài)剛度和剛度。在圖5中，比較了NVH的車身局部剛度值和新開發(fā)的用于操縱的車身局部剛度值。趨勢(shì)在大小和方向上相似。然而，價(jià)值上的差異如此之大，以至于不能忽略。因此，很難應(yīng)用NVH性能的局部動(dòng)態(tài)剛度指數(shù)來確定操縱性能。如果將NVH的局部剛度用于操縱，則可能會(huì)對(duì)操縱性能產(chǎn)生誤判。

靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度之間的最大差異如圖5中前副車架上的前支座所示。在圖6（a）中，顯示了前支架z方向的頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）曲線。這些曲線可以分別理解為總剛度、整體剛度和局部剛度?？倓偠龋o態(tài)剛度）表示為車身整體剛度和車身局部剛度之和，整體剛度和局部剛度對(duì)總剛度的貢獻(xiàn)如圖6（b）所示。整體剛度貢獻(xiàn)率為87%，局部剛度貢獻(xiàn)率僅為13%。圖6中差異較大的原因如下。如上所述，NVH的剛度表示200至1000 Hz的代表性剛度，而操縱剛度表示整個(gè)頻率范圍的剛度。然而，前副車架上的前支座受整體剛度的影響很大。因此，剛度值的差異很大，如圖6所示。

使用新的局部剛度評(píng)估改善NVH和操縱性能本研究中定義的NVH和操縱性能的局部剛度應(yīng)用于車輛開發(fā)階段，從而改善了車輛性能。本節(jié)討論了有效局部剛度對(duì)車輛NVH和操縱性能的改善。NVH性能提升圖7顯示了在車輛A和參考車輛1的道路噪聲運(yùn)行條件下，通過試驗(yàn)得出的懸架支座的隔振率。參考車輛1是上一代車輛A的車輛。隔振用dB表示。如果隔振值大，減振效果就大。參考車輛1基本符合指南，而車輛A不符合指南。本研究旨在改進(jìn)前副車架前支座“y方向”的隔振性能。為解決此問題，更改了副車架的前懸置硬點(diǎn)。圖8顯示了改進(jìn)VTR的硬點(diǎn)變化。傳統(tǒng)的設(shè)置是連接到車身的連接支架的長度較長，而連接到底盤的連接支架的長度較短。因此，車輛的VTR惡化。通過調(diào)整安裝硬點(diǎn)，可以改善VTR。安裝點(diǎn)位置向上移動(dòng)100mm。硬點(diǎn)運(yùn)動(dòng)后，車身局部剛度大大提高，y向VTR從78%提高到63%，與參考車輛A的水平相同。

讓我們看看圖9和圖10所示的另一個(gè)車輛案例。為了提高車輛B的操縱性能，使用螺栓將前副車架剛性安裝到車身上，并增加后拖臂安裝襯套的剛度，以提高后扭轉(zhuǎn)梁軸的剛度。拖臂襯套的動(dòng)態(tài)剛度在x方向增加113%，在y方向增加57%，在z方向增加126%。因此，由于前副車架與車身剛性連接，車身的整體剛度增加。此外，襯套剛度的增加也增加了車輛的剛度。因此，與參考車輛2相比，道路噪聲在150 Hz以下的頻率范圍內(nèi)降低，這要感謝車輛剛度的增加。然而，在200Hz以上的頻帶內(nèi)，道路噪聲惡化。圖9顯示了道路噪聲的比較。在230～250Hz范圍內(nèi)，由胎腔共振頻率引起的峰值占主導(dǎo)地位。主導(dǎo)峰值對(duì)確定車輛的道路噪聲具有顯著性水平。為了改善道路噪聲，必須降低240Hz峰值。圖10（a）顯示了通過后拖臂傳輸路徑的振動(dòng)劣化。圖9所示的230至250 Hz范圍內(nèi)的道路噪聲增加是振動(dòng)通過后拖臂傳播的最重要原因。從圖10（b）可以看出，參考車輛2的VTR優(yōu)于車輛b。與參考車輛2相比，車輛b的VTR在y方向上最差。

B車后拖臂支架的VTR主要用于改善y方向。由于NVH性能和操縱性能朝向不同的方向，安裝襯套的剛度被排除在改進(jìn)參數(shù)之外。相反，試圖改善車身的局部剛度，這是NVH和操控性中高剛度所需的。車身結(jié)構(gòu)的變化如圖11所示。雖然車身的結(jié)構(gòu)變化并不實(shí)際，但它已顯示出一種從概念上改進(jìn)VTR的方法。在有限元模型中采用了粉紅色加強(qiáng)筋和綠色加強(qiáng)筋。由于采用了鋼筋，x方向的結(jié)構(gòu)剛度提高了70%，y方向的結(jié)構(gòu)剛度提高了200%，z方向的結(jié)構(gòu)剛度提高了30%。在改善車身結(jié)構(gòu)局部剛度后，對(duì)相應(yīng)的VTR進(jìn)行了改進(jìn)。圖12顯示了該路徑對(duì)實(shí)際車輛振動(dòng)的改善。圖12中的左圖是頻率范圍內(nèi)的VTR曲線，這是頻域中方程式（1）的表達(dá)式。圖12中的右圖是后拖臂路徑中的激振力（按方向）。VTR在y方向上的改善與局部剛度的改善范圍成比例，y方向上的激振力在車輛路徑上的改善最大。VTR的改善與車輛B中對(duì)車身的工作激勵(lì)力的改善成正比。接下來，x方向上的VTR也得到改善，車輛B中的激勵(lì)力也減少。在z方向上，VTR的改善相對(duì)不可見。這是因?yàn)檐嚿淼木植縿偠扔兴岣?，但?duì)VTR的變化影響不大。VTR是三個(gè)變量的函數(shù)，例如襯套剛度、底盤局部剛度和車身局部剛度，如等式（1）所示，因此每個(gè)變量的靈敏度不同，三個(gè)變量中的主導(dǎo)變量也不同。如果需要在z方向改善VTR，可以通過改變襯套剛度或底盤局部剛度來實(shí)現(xiàn)。然而，在本研究中，沒有必要改變襯套剛度或底盤局部剛度，因?yàn)槠淠康氖歉纳苰方向的VTR。

通過優(yōu)化局部剛度設(shè)計(jì)減輕重量接下來，介紹了優(yōu)化車身局部剛度在減輕重量方面的應(yīng)用。在圖13所示的車輛C中，局部剛度的設(shè)計(jì)超過了圖1所示的適當(dāng)局部剛度。因此，重量減輕可以在不太改變VTR的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。圖13顯示了車輛C的重量減輕情況。粉紅色表示的構(gòu)件厚度略有減少，紅色表示的構(gòu)件已移除。以VTR變化小于1%為約束條件調(diào)整設(shè)計(jì)變量。因此，重量減輕約2.2 kg，VTR變化在1%以內(nèi)，如表1所示。在圖13中減重后，VTR幾乎沒有惡化。在VTR中，構(gòu)件厚度減小的區(qū)域變化不大，而受拆下構(gòu)件影響的后拖臂支座的變化大于厚度減小的區(qū)域。經(jīng)證明，同時(shí)檢查了耐久性和操縱性能，在圖13中減重后，性能沒有問題。

通過應(yīng)用局部剛度進(jìn)行操縱性能提升

以下是操縱性能局部剛度評(píng)估過程的應(yīng)用。新工藝適用于高性能車輛N，其中操縱性能非常重要。為了提高車輛N的性能，采用了圖14所示的加強(qiáng)件。鋼筋應(yīng)用結(jié)果如圖15所示。加筋主要改善y方向的剛度。如果總剛度可分為整體剛度和局部剛度，如等式（2）所示，則可以看出整體剛度和局部剛度之間的哪個(gè)剛度有助于改善。根據(jù)圖15，加筋后總剛度提高了10%，整體剛度幾乎沒有提高。同時(shí)，局部剛度增加了21%。即使使用NVH的局部剛度評(píng)估，也可以在一定程度上預(yù)測(cè)操縱性能的變化。這是因?yàn)椴倏v性能的改善是由局部剛度而非整體剛度的改善引起的。

根據(jù)操控性主觀評(píng)價(jià)，實(shí)施強(qiáng)化后，轉(zhuǎn)向感、舒適感和平順性整體得到改善。接下來，將剛性桿（鋼筋）應(yīng)用于另一輛高性能車輛G的結(jié)果。圖16顯示了應(yīng)用剛性桿的結(jié)果。剛性桿主要改變y方向上的車身剛度。這是因?yàn)榍爸её趛方向上的剛度通常較弱，因此改善效果在y方向上最為明顯。應(yīng)用剛性桿后，總剛度提高了40%。整體剛度提高了42%，而局部剛度降低了20%，如圖17所示。盡管局部剛度惡化，但在對(duì)操縱性能進(jìn)行主觀評(píng)估后，加筋后的操縱性能有了很大改善。

如果通過應(yīng)用NVH局部剛度標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估操縱性能，則無需應(yīng)用圖16中的剛性桿，因?yàn)榫植縿偠冉档汀?/span>然而眾所周知，剛性桿有助于提高操縱性能。如果僅通過局部剛度來判斷操縱性能，則可能會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)誤差。但是，如果使用本研究中提出的處理的局部剛度評(píng)估，則對(duì)于設(shè)計(jì)決策非常有用，因?yàn)樗梢苑謩e分析整體剛度和局部剛度的影響。

結(jié)論

在本研究中，提出了考慮NVH和操縱性能的車輛結(jié)構(gòu)局部剛度評(píng)估準(zhǔn)則，并建立了一個(gè)新的過程。將該方法應(yīng)用于多輛汽車的開發(fā)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1、過去，車身局部剛度的目標(biāo)是為了隔振而統(tǒng)一設(shè)定的，但開發(fā)了新的過程來直接計(jì)算振動(dòng)傳遞率（VTR）。該技術(shù)已應(yīng)用于多輛汽車，以改善NVH性能。

2、目前尚無車身局部剛度對(duì)操縱性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然而，根據(jù)這項(xiàng)研究，開發(fā)了新的操縱剛度評(píng)估流程，并將其應(yīng)用于車輛，驗(yàn)證了其有效性。

3、使用本研究中提出的局部剛度評(píng)估方法，可以在考慮NVH、操縱性和車輛重量等性能的情況下設(shè)計(jì)最佳剛度。作者：Yongdae Kim and Ju Young Lee作者單位：Hyundai Motor Company來源：SAE Technical Paper 2019-01-1418