徑向力八次諧波對輪胎高速噪聲的影響

熊 冉，黃忠水，梁 斌

（1.北京奔馳汽車有限公司，北京 100176；2.韓泰輪胎有限公司，浙江 嘉興 314003）

隨著高速公路的快速發(fā)展，輪胎噪聲已成為車輛高速行駛的主要噪聲源，通過降低輪胎噪聲可以改善乘坐舒適性，減少環(huán)境危害。輪胎噪聲可分為直接噪聲和間接噪聲。直接噪聲又分為胎面花紋噪聲和彈性振動噪聲[1]。輪胎的不均勻性是產(chǎn)生彈性振動噪聲的主要因素。

輪胎作為多種原材料層疊而成的制品，在制造過程中不可避免地存在尺寸、剛度和質(zhì)量不均勻的現(xiàn)象。在輪胎高速轉(zhuǎn)動過程中，這種不均勻性將產(chǎn)生周期性激勵力，不僅對輪胎使用壽命和整車的操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，而且是誘發(fā)輪胎噪聲的重要因素。隨著車速的提高，當(dāng)某諧波頻率與輪胎共振頻率接近時，輪胎將發(fā)生明顯的振動噪聲。因此，對輪胎均勻性的控制是輪胎生產(chǎn)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。

1 輪胎均勻性及檢測方法

在GB/T 6326—2014《輪胎術(shù)語與定義》中對均勻性的定義為在靜態(tài)和動態(tài)條件下，輪胎圓周特性恒定不變的性能。下列均勻性指標(biāo)可用來描述輪胎旋轉(zhuǎn)不均勻性的程度，表征輪胎內(nèi)部缺陷對旋轉(zhuǎn)運動力的影響。

（1）徑向力波動（RFV）。負(fù)荷輪胎在固定負(fù)荷半徑和恒定速度下，每轉(zhuǎn)1周自身反復(fù)出現(xiàn)的徑向力最大波動值。

（2）側(cè)向力波動（LFV）。受負(fù)荷的輪胎在固定負(fù)荷半徑和恒定速度下，每轉(zhuǎn)1周自身反復(fù)出現(xiàn)的側(cè)向力最大波動值。

（3）錐度效應(yīng)力（CONY）。受負(fù)荷的輪胎在旋轉(zhuǎn)時不因旋轉(zhuǎn)方向改變而改變方向的側(cè)向力偏差值。

（4）角度效應(yīng)力（PLY）。由輪胎最外層帶束層角度不同而引起的隨輪胎旋轉(zhuǎn)方向改變而改變方向的側(cè)向力偏差值。

（5）輪胎徑向尺寸偏差（RRO）。以輪胎的固定軸線為基準(zhǔn)，最大半徑與最小半徑的差值。

（6）輪胎側(cè)向尺寸偏差（LRO）。輪胎胎側(cè)與垂直于固定軸線的中心平面之間最大與最小尺寸的差值。

輪胎均勻性包括尺寸、質(zhì)量和剛度三方面。質(zhì)量的均勻性采用動平衡機進行檢測，并通過配重的方式消除[2]。尺寸和剛度的均勻性通過均勻性檢測設(shè)備進行檢測，可分為低速均勻性和高速均勻性檢測。國內(nèi)各大輪胎生產(chǎn)企業(yè)以及輪胎質(zhì)量檢測機構(gòu)多采用低速均勻性檢測設(shè)備。對于輪胎高速噪聲的分析，多采用高速均勻性測試設(shè)備進行檢測與分析。

2 輪胎均勻性對高速噪聲的影響

輪胎直接噪聲在車輛噪聲中較為常見，可分為胎面花紋噪聲、道路凸凹噪聲、彈性振動噪聲、自激振動噪聲和空氣亂流噪聲等。其中，彈性振動噪聲是指胎面擊打路面發(fā)生的振動噪聲以及胎面相對于路面滑動所發(fā)生的強制振動噪聲等，輪胎均勻性不良是引發(fā)胎面和胎側(cè)彈性振動噪聲的主要因素。

輪胎均勻性問題主要由輪胎徑向尺寸和剛度的偏差導(dǎo)致，主要涉及胎面厚度、胎面膠接頭、帶束層厚度、簾線密度不均以及硫化過程偏差等多種因素[3-6]。在輪胎旋轉(zhuǎn)一周的過程中，徑向力是一個復(fù)雜的波形，可通過傅里葉級數(shù)的方法將其分解為多個諧波的疊加[7]：

式中，n為車輪轉(zhuǎn)動1圈的n次諧波成分，L為輪胎轉(zhuǎn)動1周前進的距離，a0為f（x）的平均值，an可由傅里葉積分計算求得：

輪胎轉(zhuǎn)速對各階諧波有顯著影響，不同轉(zhuǎn)速下輪胎的力學(xué)特性存在較大差異，徑向力曲線也存在著明顯差異，出現(xiàn)不同諧波的最大波動值。因此，在進行輪胎均勻性分析時需要考慮車速對輪胎力學(xué)性能的影響。

根據(jù)輪胎的傳遞特性，在固有頻率下傳遞率可以達(dá)到一般狀態(tài)下的30倍。低速情況下微小量的高次諧波在高速時會達(dá)到不能忽略的程度。輪胎在半徑方向上的固有頻率一般較大，為60～100 Hz。在輪胎徑向力高階諧波中，若有一個諧波的RFV較大，則很容易達(dá)到輪胎的共振頻率，使輪胎產(chǎn)生振動噪聲。輪胎各諧波成分的形成機理和分析方法不同，本工作針對徑向力八次諧波（RFV 8H）均勻性引起高速噪聲的診斷和解決方法進行研究。

3 RFV 8H噪聲問題的診斷方法

3.1 室內(nèi)噪聲試驗

RFV 8H噪聲屬于輪胎常見噪聲之一，可通過室內(nèi)噪聲實驗室進行測試。室內(nèi)測試受環(huán)境條件影響小，測試結(jié)果的重復(fù)性和可比性較好。室內(nèi)噪聲測試在消聲室中的轉(zhuǎn)鼓上進行，通過專用設(shè)備對輪胎施加載荷以模擬車輛對輪胎的作用，如圖1所示。轉(zhuǎn)鼓直徑為3 m，布置在測試平臺下，轉(zhuǎn)鼓表面材料可根據(jù)現(xiàn)實道路狀況選用。在距離輪胎中心水平距離1 m、高度為0.25 m的位置上，布置一個傳聲器，用于測試輪胎轉(zhuǎn)動過程中的噪聲強度。

圖1 室內(nèi)輪胎噪聲測試

某噪聲（問題）輪胎與正常輪胎的實驗室噪聲測試結(jié)果對比如圖2所示，圖中清晰地展現(xiàn)了噪聲的頻率范圍和轉(zhuǎn)速區(qū)間。通過與該車速區(qū)間內(nèi)RFV 8H對應(yīng)頻率范圍的對比分析，可初步判定噪聲的產(chǎn)生原因。

圖2 輪胎高速噪聲測試結(jié)果

3.2 高速均勻性測試

由于輪胎的徑向共振頻率較高，八次諧波導(dǎo)致的輪胎噪聲一般僅出現(xiàn)在高速行駛工況。低速均勻性測試采用恒定60 r·min-1的轉(zhuǎn)速，對于外徑為700 mm的輪胎，轉(zhuǎn)換成車速僅為8 km·h-1[8]，無法準(zhǔn)確模擬輪胎高速旋轉(zhuǎn)的力學(xué)特性，需要采用高速均勻性測試進行RFV 8H的噪聲診斷。某噪聲輪胎的高速均勻性測試結(jié)果見表1。由表1可見：在60～80 km·h-1的速度范圍內(nèi)，問題輪胎的RFV 8H明顯高于正常輪胎；在70 km·h-1車速下問題輪胎與正常輪胎的RFV 8H差異最大，達(dá)到57.4 N。問題輪胎和正常輪胎在70 km·h-1高速試驗中一個循環(huán)周期內(nèi)徑向力的波動曲線如圖3所示。由圖3可見，與正常輪胎相比，問題輪胎的波動幅度明顯加大，并存在較為明顯的8個極值點。試驗數(shù)據(jù)有效地驗證了噪聲的產(chǎn)生原因。

表1 RFV 8H測試結(jié)果 N

圖3 輪胎一個循環(huán)周期內(nèi)的徑向力變化

通過對比低速均勻性測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩個輪胎在低速RFV 8H上同樣存在明顯差異（相差14.4 N），隨著輪胎轉(zhuǎn)速的增大，這種差異逐漸增大。因此，基于不同轉(zhuǎn)速下的均勻性試驗結(jié)果，通過數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析，可以通過對低速RFV 8H的控制實現(xiàn)對高速RFV 8H的質(zhì)量控制。

3.3 實車道路試驗

實車道路試驗是進行輪胎噪聲分析最直接有效的測試方法。在測試前，需要結(jié)合測試場地和噪聲現(xiàn)象制定具體測試方案，一般需要與正常輪胎進行對比試驗。試驗中，通過布置加速度傳感器，實現(xiàn)對噪聲源振動情況的測量。采用傳聲器對不同位置處的噪聲頻率和強度進行測量。

某試制車輛在跑道上以60 km·h-1車速行駛時，出現(xiàn)明顯的周期性低頻轟鳴聲，測試跑道如圖4所示。經(jīng)過零部件互換試驗，確定右前輪為噪聲源。道路試驗分別對正常輪胎和問題輪胎在彎道內(nèi)高速行駛的噪聲進行客觀測量。傳聲器布置在前排駕駛員頭枕位置和后排中間位置，加速度傳感器布置在右前側(cè)懸架桿系上（如圖5所示）。傳聲器的測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，在125 Hz頻率時，問題輪胎噪聲強度明顯高于正常輪胎，前、后排傳聲器的噪聲A計權(quán)聲壓級分別高11.39和15.09 dB。60 km·h-1速度下，加速度傳感器在X，Y和Z方向的檢測結(jié)果如圖7所示，加速度的峰值頻率同樣出現(xiàn)在125 Hz，有效地驗證了噪聲的聲源位置。

圖4 高速測試跑道

圖5 加速度傳感器和傳聲器的位置

4 RFV 8H的產(chǎn)生原因與解決方法

在輪胎徑向力的各階次諧波成分中，RFV 8H與硫化工序中普遍使用的八塊模具緊密相關(guān)，是引發(fā)輪胎高速彈性振動噪聲的常見原因。輪胎硫化過程中較為常見的八塊拼裝模具結(jié)構(gòu)見圖8。該結(jié)構(gòu)通過相互獨立的8個滑塊的拼合與分離，在硫化過程中實現(xiàn)硫化模具對輪胎表面的箍緊與松開運動?；瑝K間的分縫線偏差往往是產(chǎn)生輪胎RFV 8H偏差的主要因素。

4.1 影響RFV 8H產(chǎn)生的因素

（1）模具縫隙存留異物。在合模過程中細(xì)小雜質(zhì)夾雜在模具的滑塊間，導(dǎo)致硫化膠從縫隙間析出。

圖6 傳聲器的檢測信號

（2）模具損傷。模具在搬運、組裝以及使用過程中，模塊間產(chǎn)生磕碰或磨損。合模容器長期使用后的內(nèi)表面磨損，造成合模不緊。

（3）合模行程。程序設(shè)置和誤操作等因素導(dǎo)致合模行程未達(dá)到規(guī)定值。

（4）硫化壓力。硫化機參數(shù)設(shè)置不合理，硫化瞬時壓力過高。

（5）胎坯尺寸。成型工藝后的胎坯徑向尺寸超差引發(fā)硫化過程中胎面膠析出。

4.2 改善RFV 8H的生產(chǎn)優(yōu)化方法

（1）硫化壓力控制。通過硫化試驗確定合理的硫化壓力，并采用壓力自動檢測設(shè)備進行峰值壓力的實時監(jiān)控。

（2）胎坯尺寸控制。優(yōu)化成型工藝過程，提高成型設(shè)備精度，合理設(shè)置抽檢頻率。

（3）硫化模具清理。增加自動吹風(fēng)設(shè)備，清除硫化過程中縫隙間的雜質(zhì)。

圖7 加速度傳感器的檢測信號

圖8 8塊拼裝硫化模具

（4）模具運輸與存儲。采用專用儲物箱對八瓣模具進行隔離存儲。

（5）合模容器。嚴(yán)格管控模具使用壽命，設(shè)定合理的檢查頻率。

4.3 針對RFV 8H的質(zhì)量監(jiān)控

（1）合模部位外觀檢查。進行成品輪胎合模線橡膠凸起高度檢測，并制定相關(guān)的控制要求，保證輪胎成品質(zhì)量。

（2）低速RFV 8H檢測。通過大量的樣本試驗，尋找低速與高速RFV 8H的對應(yīng)關(guān)系，通過嚴(yán)格控制低速RFV 8H實現(xiàn)對高速RFV 8H的質(zhì)量控制。

（3）定期進行室內(nèi)噪聲試驗。合理設(shè)定抽檢頻次，定期進行輪胎室內(nèi)噪聲試驗，檢測輪胎各轉(zhuǎn)速下的彈性振動噪聲。對噪聲測試結(jié)果進行分析，如異響頻率與RFV 8H相關(guān)，對生產(chǎn)過程重新進行優(yōu)化和調(diào)整。

4.4 試驗驗證

針對某輪胎RFV 8H引起的高速噪聲，采取了上述生產(chǎn)優(yōu)化與質(zhì)量控制的解決方案，改進后對方案的解決效果進行了實際道路測試。80 km·h-1速度下的測試結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，167 Hz頻率下的噪聲強度得到明顯抑制，輪胎噪聲A計權(quán)聲壓級降低了11.49 dB。該車速下八塊模具偏差引起的激勵力二次諧波頻率可通過下式計算：

圖9 優(yōu)化方案的試驗驗證結(jié)果

式中，f為80 km·h-1速度下模具偏差引起的激勵力二次諧波頻率；v為車速，d為輪胎外直徑，i為圓周內(nèi)的偏差點數(shù)量。

八塊模具影響的振動頻率與實車測試中受到抑制的噪聲頻率相同，試驗結(jié)果有效驗證了生產(chǎn)優(yōu)化和質(zhì)量控制方法的有效性和可行性。

5 結(jié)語

介紹了輪胎均勻性的評價指標(biāo)和檢測方法，分析了高階均勻性對輪胎高速彈性振動噪聲的影響。針對RFV 8H造成的輪胎噪聲，結(jié)合實例提出了診斷方法和分析思路。對RFV 8H的產(chǎn)生原因進行詳細(xì)分析，提出了生產(chǎn)優(yōu)化和質(zhì)量控制的具體方法，并通過實車道路試驗，驗證了控制方法的有效性。