车身弯曲及扭转刚度目标值确定方法探讨 / 开普饭

在汽车的设计生产过程中，车身刚性是非常重要的评判指标与设计基础。一辆汽车想要具有良好的操作稳定性能，良好的车身刚性是基础。车身刚性并不是直接提升车辆的操作稳定性能，但却是汽车相关性能调校的基础。若汽车的刚性太差，车身就会吸收一部分能量发生形变，最终将会出现转向问题或行走线路达不到预期等情况，或者给人感觉整车松散，从而影响车辆的操作稳定性。

白车身刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度可用车身在垂直载荷作用下产生的挠度大小来描述，扭转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述。车身弯曲及扭转刚度的加载方法、计算方法及结果评价方法等多种多样，每个企业也有不同的要求。本期我们重点探讨车身弯曲刚度及扭转刚度目标值的制定方法。

一、车身刚度目标的来源

车身刚度目标来源有不同的出处，通过查找相关文献其主要有以下：

1、Bending Stiffness Requirement：The feeling of solidness as the vehicle drives over road irregularities. Solidness is a subjective feeling that the vehicle is “well put together”, “vault-like”, and not “loose” or “shaky”. This subjective feel has been correlated to engineering parameters; one of the more significant is body vibration resonance.

2、Torsional Stiffness Requirement：To ensure good handling properties, the body should be torsionally stiff relative to the suspension stiffness.To ensure a solid structural feel and minimize relative deformations which result in squeaks and rattles. This is related to the fundamental natural frequency of the body twisting mode.

3、总结以上两点，即车身弯曲刚度目标来源主要是整车弯曲模态，扭转刚度目标来源主要是操纵稳定性和整车扭转模态。

二、车身弯曲刚度目标值的确定方法

1、根据振动力学，我们知道均匀梁的频率可以用如下公式表述，而整车可假设为均匀梁，如图1所示。

图1 均匀梁弯曲简化模型

图2 均匀梁弯曲圆频率公式

2、我们可以将均匀梁弯曲刚度简化如图3所示模型。通过转换可以将弯曲刚度与弯曲模态圆频率间关系表述，如图4所示。

图3 均匀梁弯曲刚度简化模型

图4 弯曲刚度与弯曲模态圆频率间关系

3、车身弯曲刚度目标确定方法-案例简述

（1）如某车型整备质量M=1450kg，轴距l= 2700mm，整车L=4500mm

预计整车弯曲模态频率约为28~30Hz，刚性连接到车身的质量为0.4~0.6倍的整备质量，即580kg~870kg；

通过上述公式计算，弯曲刚度为：7951N/mm~13690N/mm，

当系数取0.5倍的整备质量，弯曲刚度为11409N/mm。

（2）当频率f=30Hz时，弯曲刚度与整备质量关系曲线如下图5所示。

图5 弯曲刚度与整备质量关系曲线

（3）当质量m=725Kg时，弯曲刚度与模态频率关系曲线如下图6所示。

图6 弯曲刚度与模态频率关系曲线

（4）从弯曲刚度与模态频率关系曲线可以看出，当弯曲模态固有频率为定值时，弯曲刚度与整备质量成线性关系；当整备质量为定值时，弯曲刚度与弯曲模态频率成二次方关系。

三、车身扭转刚度目标值的确定方法

当车身转向时，车辆会发生侧倾，这种侧倾会导致质量从一侧转移至另一侧，并会影响车辆的转向特性。在设计悬架时，车身假设为刚体，而悬架参数是基于此假设设计的，所以我们希望车身的扭转刚度要求足够高，以符合车身刚体假设是正确的，上述假设的正确性，可以通过使车身扭转刚度高于悬架刚度的很多倍来实现。即车身扭转刚度主要是基于操稳确定。

1、相关理论基础