輪胎磨損對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲影響的分析研究

何劍峰，靳曉雄，靳 暢，彭 為，何 海

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

前言

車內(nèi)振動(dòng)和噪聲作為影響汽車乘坐舒適性的重要因素之一，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。研究車內(nèi)振動(dòng)和噪聲的方法主要有軟件仿真分析方法和試驗(yàn)測(cè)試方法，研究?jī)?nèi)容有車身板件振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量分析［1-2］、振動(dòng)和噪聲的傳遞路徑分析［3-4］以及使用不同花紋輪胎時(shí)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲分析［5］等。輪胎是汽車與地面接觸的唯一部件，它在路面激勵(lì)作用下引起的懸架和連接件振動(dòng)會(huì)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生很大影響，同時(shí)輪胎在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高頻輻射噪聲也會(huì)通過(guò)氣隙或者板件透射傳遞到車內(nèi)而形成車內(nèi)噪聲［6-7］。

輪胎在整個(gè)使用壽命過(guò)程中是不斷磨損的，本文中以不同磨損程度的輪胎代表輪胎的整個(gè)使用壽命過(guò)程，并以其為試驗(yàn)對(duì)象，以整車為試驗(yàn)平臺(tái)，在消聲室內(nèi)測(cè)試不同工況下的車內(nèi)振動(dòng)和噪聲信號(hào)，以研究輪胎磨損對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲的影響。

1 輪胎引起的車內(nèi)振動(dòng)噪聲傳遞途徑

汽車在運(yùn)行過(guò)程中有多個(gè)振動(dòng)源和噪聲源，如發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲、進(jìn)排氣系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲、風(fēng)噪聲、輪胎噪聲和懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲等［8］。為了研究磨損后輪胎與車內(nèi)振動(dòng)噪聲的關(guān)系，在試驗(yàn)中只考慮以輪胎路面系統(tǒng)作為振動(dòng)源和噪聲源。

輪胎在路面激勵(lì)作用下，一方面由于空氣泵浦效應(yīng)、號(hào)筒效應(yīng)和輪胎振動(dòng)等因素產(chǎn)生的高頻噪聲會(huì)通過(guò)車身縫隙經(jīng)空氣傳播到車內(nèi)，也會(huì)通過(guò)車身板件透射到車內(nèi)而影響車內(nèi)噪聲。泵浦效應(yīng)是輪胎在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，由于輪胎接地前緣處產(chǎn)生壓縮變形和接地后緣處壓縮恢復(fù)而造成的花紋溝槽內(nèi)的空氣被突然擠出和吸入而引起的噪聲，它是一種單極子聲源，與溝槽內(nèi)的氣流大小有關(guān)。號(hào)筒效應(yīng)是由輪胎胎面和地面間形成的類似于號(hào)筒狀的半封閉空間對(duì)輪胎輻射噪聲產(chǎn)生的放大作用，與輪胎轉(zhuǎn)速和號(hào)筒狀區(qū)域面積有關(guān)［9-10］。另一方面，路面激勵(lì)通過(guò)輪胎傳遞到懸架系統(tǒng)和連接部件，從而引起車身板件振動(dòng)，也會(huì)向車內(nèi)輻射噪聲［5，8，11］，如圖 1 所示。

車內(nèi)噪聲的大小和振源與噪聲源的幅值和頻率均有關(guān)系，且受到板件振動(dòng)模態(tài)的聲輻射效率、結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲學(xué)模態(tài)的影響［8］。整車平臺(tái)下，4個(gè)輪胎接地點(diǎn)作為4個(gè)振源和4個(gè)噪聲源，則車內(nèi)某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓p可以表示為結(jié)構(gòu)傳播噪聲和空氣傳播噪聲之和，即

2 車內(nèi)振動(dòng)和噪聲測(cè)試試驗(yàn)

在對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲傳遞路徑分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)并確定車內(nèi)振動(dòng)和噪聲測(cè)點(diǎn)，測(cè)試在不同工況下測(cè)點(diǎn)的信號(hào)。

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)以同型號(hào)但具有不同磨損程度的輪胎為研究對(duì)象，輪胎尺寸為195/65 R15，胎面花紋形式如圖2所示。因以整車為試驗(yàn)平臺(tái)，所以每組為4個(gè)磨損量相當(dāng)?shù)妮喬?，共?jì)3組12個(gè)輪胎，分為未磨損輪胎組(新胎)、中度磨損輪胎組和完全磨損輪胎組。不同磨損程度的輪胎胎面對(duì)比如圖3所示。

以花紋溝槽的深度來(lái)衡量輪胎的磨損程度。花紋溝槽的深度是指花紋塊外表面到溝槽底部的垂直距離，測(cè)量時(shí)在輪胎周向的每個(gè)磨損標(biāo)記兩邊共取12個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后取平均值表示該輪胎的磨損程度，值越小則輪胎磨損量越大。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎平均花紋溝槽深度

2.2 試驗(yàn)步驟

整車車內(nèi)振動(dòng)和噪聲測(cè)試在消聲室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)和電氣系統(tǒng)，車輛由轉(zhuǎn)鼓拖動(dòng)。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。由于整車頂棚是和車內(nèi)空腔相連的面積較大的板件，輻射貢獻(xiàn)量大，所以振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)A1布置于頂棚中心;噪聲測(cè)點(diǎn)M1布置于駕駛員頭部位置。測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，其中噪聲測(cè)點(diǎn)布置按照 GB/T 18697—2002［12］。

整車測(cè)試前，檢查車內(nèi)確保無(wú)異物和異響，且門窗關(guān)閉，并確保消聲室背景噪聲對(duì)測(cè)量的影響在容許范圍內(nèi)。正式測(cè)試開始前，先用轉(zhuǎn)鼓拖動(dòng)車輛運(yùn)行一段時(shí)間，使輪胎達(dá)到正常工作溫度。每組輪胎進(jìn)行測(cè)試前，都須做輪胎動(dòng)態(tài)平衡，然后安裝到整車上，4個(gè)輪胎氣壓均為2.0MPa。測(cè)試工況如下:(1)60km/h勻速穩(wěn)態(tài)工況;(2)120km/h勻速穩(wěn)態(tài)工況;(3)車速?gòu)?40km/h降至20km/h模擬道路滑行工況。以上每個(gè)工況均測(cè)3次，然后取平均值。

2.3 實(shí)測(cè)信號(hào)

振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率為10240Hz，噪聲信號(hào)的采樣頻率為40960Hz。未磨損輪胎組的相關(guān)實(shí)測(cè)信號(hào)如圖6所示。從圖中可以看出，低車速工況下頂棚中心點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值和車內(nèi)噪聲聲壓幅值都比高速工況要小。

3 車內(nèi)振動(dòng)和噪聲信號(hào)分析

對(duì)各組輪胎進(jìn)行整車測(cè)試，得到不同工況下測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)，并做信號(hào)處理，結(jié)果如圖7～圖10所示。圖中縱坐標(biāo)值，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)為振動(dòng)加速度級(jí)La，dB;對(duì)于噪聲信號(hào)為聲壓級(jí)Lp，dB。

式中:A為某一頻域內(nèi)加速度均方根值;A0為加速度參考值，A0=10-6m/s2;p為聲壓值;p0為參考聲壓值，p0=2 ×10-5Pa。

圖7(a)和圖7(b)分別為60km/h勻速工況下振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)A1的頻譜和噪聲信號(hào)測(cè)點(diǎn)M1的自功率譜。由圖可見:頂棚振動(dòng)在2000Hz以上頻段，未磨損輪胎組要低于中度磨損組和完全磨損組，在2000Hz以下頻段，各組差異小，但完全磨損輪胎組要低于其他兩組;駕駛員頭部噪聲在1000Hz以下頻段3組無(wú)明顯差異，在1000Hz以上頻率內(nèi)，中度磨損輪胎組明顯較高。

圖8為120km/h勻速工況的測(cè)試結(jié)果。

由圖8可見:高速工況下，不同輪胎組的振動(dòng)和噪聲信號(hào)變化規(guī)律同低速工況一致;完全磨損輪胎組的頂棚振動(dòng)在2000Hz以上要明顯高于另外兩組，而在2000Hz以下要稍低于其他兩組;中度磨損輪胎組的車內(nèi)噪聲在800Hz以上要明顯高于其他兩組;3組輪胎的車內(nèi)中低頻噪聲變化不明顯。這主要是由于輪胎縱向花紋的號(hào)筒效應(yīng)和泵浦效應(yīng)引起的。輪胎未磨損時(shí)，花紋溝槽較深而泵浦效應(yīng)不明顯，也具有較淺的縱向溝槽，能夠在一定程度上抑制高頻噪聲;隨著磨損程度加劇，號(hào)筒效應(yīng)和泵浦效應(yīng)變明顯，較淺的縱向溝槽被磨損掉，輻射到車內(nèi)的空氣噪聲會(huì)增大;當(dāng)輪胎近乎完全磨損時(shí)，橫向和縱向溝槽已非常淺，這時(shí)泵浦效應(yīng)被削減，車內(nèi)高頻噪聲減弱。

圖9和圖10為車速?gòu)?40km/h降至20km/h模擬道路滑行工況下的振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)A1的頻譜瀑布圖和噪聲信號(hào)測(cè)點(diǎn)M1的自功率譜瀑布圖。由圖可見:隨著速度的升高，振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)的幅值均增加;中度磨損輪胎組振動(dòng)信號(hào)幅值的譜峰要比其他兩組密集，未磨損輪胎組的幅值峰值是3組中最低的，完全磨損輪胎組由于磨損加劇而胎面花紋塊體積減小抑制了花紋塊高頻振動(dòng)，所以該組振動(dòng)信號(hào)峰值集中在100～300Hz的中低頻域;3組輪胎的車內(nèi)噪聲信號(hào)自功率譜峰值都集中在200Hz以下的低頻域內(nèi)，同時(shí)未磨損輪胎組的幅值峰值要比其他兩組的小，而中度磨損輪胎組的幅值峰值最大。

4 結(jié)論

在分析輪胎引起的車內(nèi)振動(dòng)和噪聲傳遞途徑的基礎(chǔ)上，確定車內(nèi)振動(dòng)和噪聲測(cè)點(diǎn)，以不同磨損程度的輪胎為研究對(duì)象，以整車為試驗(yàn)平臺(tái)，在消聲室內(nèi)測(cè)量了不同工況下振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和噪聲測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，從信號(hào)分析可以得到如下結(jié)論。

(1)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲信號(hào)幅值隨著車速的升高而增大。

(2)對(duì)于60和120km/h勻速工況，車內(nèi)振動(dòng)幅值在2000Hz以上頻域內(nèi)隨著磨損程度的增加而增加，而在2000Hz以下頻域內(nèi)完全磨損輪胎組的車內(nèi)振動(dòng)幅值最小，中度磨損輪胎組的最大;車內(nèi)噪聲信號(hào)在800Hz以上的頻域內(nèi)中度磨損輪胎組要高于未磨損和完全磨損的，而在800Hz以下的頻域內(nèi)輪胎磨損對(duì)車內(nèi)噪聲的影響不明顯。

(3)對(duì)于車速?gòu)?40km/h降至20km/h滑行工況，中度磨損輪胎組的車內(nèi)振動(dòng)和噪聲信號(hào)幅值要高于未磨損和完全磨損的，且中度磨損輪胎組的譜峰更為密集。

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