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车身刚度到底影响了汽车的哪些性能?

2019-05-09 20:10:04·  来源:weINcar  
 
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什么是车身刚度?刚度的官方定义是材料或结构受力时抵抗弹性形变的能力,其表达式是施加于构件上的作用引起的内力和构件相应的变形的比值。那么车身刚度到底影响
什么是车身刚度?刚度的官方定义是材料或结构受力时抵抗弹性形变的能力,其表达式是施加于构件上的作用引起的内力和构件相应的变形的比值。那么车身刚度到底影响了汽车的哪些性能呢?
 
在对刚度的定义中,我们看到一个词叫做“弹性形变”。弹性形变是可恢复的形变,不可恢复的形变就是塑性形变了。举个栗子,如果我们用一定的力去拉弹簧,所施加的力和它的变形量成正比,满足胡克定律F=KX,这个K就是刚度,如果这个时候一松手,弹簧就变回去了,这就是可恢复的变形;要是我们一直使劲拉弹簧,超过了它的限度,就算是放手也变不回去了,也就是发生了塑性形变了。
 
所以车身刚度就是汽车车身抵抗可恢复变形的能力,划重点!是可恢复!
哪些东西可以决定车身刚度呢?
刚度可以按静刚度和动刚度分,其中静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度。当汽车在行驶过程中左右车轮两边受到的载荷方向不一致的时候,车身会由于扭转,产生扭转变形。比如下面这张图——
车辆开到一个斜坡,或者就是图中这样的交叉轴路面,左右两边的载荷不一样,甚至有一个车轮还悬空了,那么车身必然会出现重心偏移的问题,发生扭转变形。当扭转刚度低的时候,扭转变形就会变大,导致汽车在行驶过程中出现部件之间相互摩擦碰撞的现象,引起异响。
同时,车内乘员坐着,也有座椅支撑在底盘之上。也是因为重心的偏移,乘员和座椅都会通过和底盘的连接点,施加一个来自内部的力量,这就是弯曲刚度的意思了。
 
一般情况,对于:
带前挡风玻璃的经济型轿车,白车身扭转刚度大概在700~900 kN.m/rad; 弯曲刚度范围:8000 ~ 12000N/mm;
带前挡风玻璃的中高级轿车,白车身扭转刚度大概在900~1300 kN.m/rad; 弯曲刚度范围:10000 ~ 16000N/mm;
带前挡风玻璃的SUV,白车身扭转刚度大概在1000~1300 kN.m/rad; 弯曲刚度范围:8000 ~ 14000N/mm。
下图的a、b分别就是各个零部件弯曲、扭转刚度对整车弯曲、扭转刚度的影响比例。可以看到白车身对整车刚度的影响是最大的。
车身结构和材料、工艺是影响车身刚度的主要因素。我们一般会利用CAE分析的方法去计算某个车身结构的整车刚度、局部刚度等,然后通过一些方法对结构进行优化来达到增加刚度的效果。比如说,“日”字型的车架刚度肯定“口”字型的好,这就是一个最简单的通过结构优化增加刚度的方法。
此外也可以采用一些先进的材料像是碳纤维、高强度钢等或是先进工艺来提高刚度。我们常常能看到赛车上加装了防滚架,防滚架的作用不仅是保证赛车手的人身安全,也是为了加强车身刚性。
车身刚度到底影响了汽车的哪些性能?
第一,会影响NVH性能,NVH拆开解释——Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(不平顺性)。首先说一下动刚度,动刚度的概念则更为复杂,它是用来衡量结构抵抗预定动态激扰的能力,说人话就是,可以衡量共振——当外力的频率与结构的固有频率相近时,有可能出现共振现象,这时候结构的变形也就最大。
共振的危害离我们其实并不远,耳熟能详的士兵过桥故事就是一个好例子。每个物体都有自己固有的频率,仅与系统的固有特性有关(如质量、形状、材质等),共振就在外力发力频率与其相同的时候发生,这就像我们内心深处必然有一个触发点会让我们激动不已一样。对人来说触发点可能是一个人、一个物或一句话,而对于物体来说就是外力的频率了。
相比于静刚度的乖巧,动刚度并不安分,它会随着频率的改变而变化,其中响应频率的幅值是最为关键的衡量参数,幅值正比于动刚度。车身动刚度不足,响应频率的幅值低,容易产生共振,影响NVH。
第二,会影响汽车的碰撞性。汽车碰撞可分为正面碰撞、侧面碰撞和追尾。车身的刚度大一点,在发生碰撞时能抵抗变形的能力就更强。为保护和减轻乘员在碰撞中所受伤害,汽车的车身结构需要进行相关调整,一般包括侧门内安装加强装置,如在侧门上加装防撞杆以及A柱、B柱(如下图)加强等。车门在侧面碰撞时也扮演着极为重要的角色,若对车门采用角钢制成,碰撞时,可以防止车门侵入车舱内伤害到乘客。
第三,会影响汽车的操纵稳定性。一个良好的车身刚性是发挥一辆车操控稳定性能的根本,只是它不会直接提升操控稳定性能。但反过来说,如果一个较差的车身刚性,却是可以在很大程度上拉低一辆车的操控稳定性能。
举个例子,在满分100分的情况下,某一辆车的悬架系统通过工程师的调校,本身拿到了95分的高分,但这个时候车身刚性只做到了70分,那么最终操稳的得分可能只是85分,因为在极限的状态下,受到车身刚性的限制,车辆无法承受更大的压力,那很可能就会出现转向问题或者弯道内走线达不到预期的情况。
从车身角度讲,你想选一个优秀的白车身,尤其是对于操控稳定性能要求比较到位的优秀白车身(其实重量轻也是评价车身是否优秀的重要指标啦),这个时候你要打开机舱盖,找到如下图绿色的东西——
这个稳定杆的作用就是增加车轮减震器安装点的动刚度的。这种稳定杆的结构,一般出现在偏运动的车型上。比如下面这张宝马530Li领先型的发动机舱图——
黑色的两根管状物就是提升车身刚性用的稳定杆。而且这是宝马5系全系标配的装置。从这点也说明了宝马对于操控稳定性能的高要求。
第四,对车身结构耐久性的影响。白车身的自然失效形式以疲劳失效为主,当车身的刚度不足时,车身在外力作用下就容易发生扭转、弯曲变形,经过多次反复加载后,车身的薄弱环节环节就容易出现疲劳破坏。
比如说,因为道路不平引起的汽车颠簸振动,发动机自身的振动等原因,汽车车身反复发生变形,但随着汽车使用年限的增加,使得车身底板或者某些部位产生变形或者裂纹如下图,引起整个车身变形,车门下沉,门缝间隙过大,车门不能关严。
说了这么多,到低如何选择一个刚性好的车,对普通车友能够直观感受车身刚性好坏的一个简单方法就是,把车子斜停在一个坡面上,看看在这样受力的作用下,车子是否能正常开合四个车门和后备箱。车身刚性好的车型,即便重心偏移,也可以正常开关车门和后备箱。