基于仿真分析對輪胎花紋噪聲進(jìn)行優(yōu)化研究

陳雯苑

(萬力輪胎股份有限公司，廣東 廣州 510940)

在汽車高速發(fā)展的時(shí)代，汽車廠對輪胎的噪聲關(guān)注度和要求也越來越高。因?yàn)樵诟咚傩旭倳r(shí)，輪胎的噪聲成為汽車噪聲的主要來源，直接影響著汽車的NVH。輪胎噪聲是由行駛車輛的輪胎與路面相互作用、輪胎與空氣相互作用以及輪胎的變形而產(chǎn)生的噪聲，它是汽車噪聲的兩個(gè)主要來源之一。

有關(guān)研究表明，在干燥路面上，當(dāng)汽車行駛速度達(dá)到70 km/h時(shí)，載重汽車輪胎噪聲成為汽車主要噪聲源，而對于轎車和輕型載重汽車，當(dāng)車速高于45～55 km/h時(shí)，輪胎噪聲就成為主要因素；在濕路面上，即使車速慢，輪胎噪聲也會超過其他噪聲成為最主要的噪聲源。車速越快、負(fù)荷越大，輪胎噪聲的能量級就越高，在汽車行駛噪聲中所占的比例也就越大。

1 輪胎噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

滾動輪胎產(chǎn)生的噪聲主要來自于兩種激勵(lì)。

分別是路面粗糙度和輪胎胎面花紋。這兩種激勵(lì)會產(chǎn)生輪胎結(jié)構(gòu)的振動、輪胎內(nèi)部空氣的振動和花紋溝中的空氣振動，上述因素的振動會導(dǎo)致空氣振動，從而產(chǎn)生噪聲。

1.1 路面的激勵(lì)導(dǎo)致的噪聲

（1）來自于孤立障礙物的沖擊噪聲

當(dāng)輪胎滾過孤立障礙物，包括井蓋、路面連接處、減速帶或路面上的凹坑，不但產(chǎn)生了機(jī)械振動，而且也產(chǎn)生了聲學(xué)振動。這個(gè)振動會使輪胎根據(jù)它的固有頻率進(jìn)行振動。振動通過懸架傳遞到駕乘人員的駕駛艙的外表面上，引起空氣的振動，從而產(chǎn)生聲音。

（2） 宏觀粗糙路面激勵(lì)噪聲

由于路面通常含有不同尺寸的混凝土石塊，如果路面混凝土石塊在1 mm以上，稱這樣的路面為宏觀粗糙路面。在這種路面上，無論何時(shí)胎面橡膠塊接觸到地面，它都會受到路面的擊打作用，好像用鼓槌敲鼓一樣，這種沖擊造成輪胎振動，產(chǎn)生路面噪聲。

1.2 胎面花紋產(chǎn)生的激勵(lì)

（1）胎面花紋塊對路面的撞擊

在滾動輪胎的接地區(qū)域的前端，橡膠塊之上的帶束層受到了向上的加速度，而花紋溝之上的帶束層卻沒有受到這個(gè)向上的加速度。在接地區(qū)域的后端，情況大致一樣。只有那些位于橡膠塊之上的帶束層才會受到加速度，雖然此時(shí)是向下的。這些加速度使胎面橡膠塊在街地區(qū)的前端和后端發(fā)生振動，振動的頻率直接取決于橡膠塊和花紋溝在接觸區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動速度。這些頻率對于轎車胎來說接近于1 000 Hz，對于卡車胎來說接近于750 Hz。當(dāng)胎面橡膠塊振動時(shí)，它使周圍的空氣發(fā)生振動，從而引起噪聲。

（2）橡膠塊在路面上的摩擦噪聲

輪胎在路面上滾動時(shí)，輪胎和路面之間存在著摩擦和微滑移，這才能提供抓地力?；票厝划a(chǎn)生噪聲。產(chǎn)生聲音的類型取決于滑移速度和物體表面的紋理特性。

（3）泵浦噪聲

當(dāng)輪胎在路面上滾動時(shí)，接地區(qū)前沿的花紋塊撞擊路面將空氣壓縮到花紋溝中。胎面橡膠塊收到壓縮致使花紋溝的體積減小， 花紋溝中的空氣也受到壓縮而體積減小，當(dāng)它離開接地區(qū)時(shí)空氣被突然釋放，就像打開瓶子水濺出來一樣。

（4）風(fēng)琴管現(xiàn)象

如果接地面內(nèi)的花紋溝內(nèi)部的空氣開始共振，那么輪胎和路面之間的接觸噪聲會被放大，空氣會共振，就像一個(gè)風(fēng)琴管一樣。

（5）喇叭效應(yīng)

在接地區(qū)的前端和后端，輪胎和路面之間形成了兩個(gè)喇叭形的區(qū)域，這兩個(gè)喇叭形的區(qū)域可以對該區(qū)域產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行放大。喇叭效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于輪胎和路面的類型，尤其是路面的吸收系數(shù)。

2 輪胎噪聲影響因素

輪胎噪聲的影響因素可以分為輪胎的設(shè)計(jì)因素和使用因素。設(shè)計(jì)因素主要包括輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和花紋設(shè)計(jì)；使用因素主要包括汽車的行駛速度、輪胎載荷和氣壓、路面狀況以及輪胎磨耗等，其中花紋設(shè)計(jì)和路面狀況是影響輪胎噪聲的主要因素。

2.1 輪胎噪聲的設(shè)計(jì)因素

花紋槽的設(shè)計(jì)不同直接造成各種花紋輪胎泵氣噪聲聲強(qiáng)的不同，橫向花紋槽容易形成封閉空腔，產(chǎn)生的空氣噴射流壓強(qiáng)也較大，而縱向花紋槽中空氣流動較為順暢，受壓時(shí)容易排出，不會產(chǎn)生較大的空氣壓差，因而引起的噪聲也較小。

2.2 輪胎噪聲輪胎使用因素

使用因素包括車輛行駛速度、路面狀況以及輪胎載荷和氣壓等。一般情況下，車速越快，輪胎噪聲越大；路面的粗糙度以及干濕程度能影響輪胎噪聲大??；而輪胎的新舊程度也對輪胎噪聲有一定影響，相同型號的輪胎磨損后要比新輪胎噪聲增加 2～4 dB；負(fù)荷越大，噪聲越大，因此載重輪胎噪聲一般比轎車輪胎噪聲高 3～5 dB。

3 輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 節(jié)距排列順序

輪胎花紋就是由基本節(jié)距排列組合構(gòu)成，如果輪胎花紋的節(jié)距以固定的排列重復(fù)出現(xiàn)，而這些節(jié)距的波形會按照節(jié)距的排列分布，使得頻譜峰值將會有規(guī)律地在某些頻率處疊加，導(dǎo)致產(chǎn)生很大的噪聲。為了降低噪聲，給輪胎花紋的重復(fù)出現(xiàn)部分賦予不同的寬度來使之不規(guī)則化，從而減少相同頻率的集中分布，通過合理安排布置節(jié)距，減少在相同頻率上發(fā)生疊加性加強(qiáng)的現(xiàn)象。

3.2 錯(cuò)位

設(shè)計(jì)組合完成的輪胎花紋一般應(yīng)有錯(cuò)位，錯(cuò)位有兩種：一種是各花紋條之間的錯(cuò)位，另一種為左半節(jié)距序列花紋與右半節(jié)距序列花紋之間的錯(cuò)位。輪胎花紋的合理錯(cuò)位會使時(shí)域聲中心能量分布趨于較均衡，從而降低輪胎花紋的總噪聲峰值，合適的錯(cuò)位可降噪1～5 dB。

4 降低輪胎噪聲的方法

基于輪胎噪聲的發(fā)聲機(jī)理，降低輪胎噪聲主要從以下幾方面考慮：

（1）由于輪胎振動噪聲與輪胎的剛度、阻尼、均勻性和動平衡有關(guān)，要降低輪胎的噪聲，從材料上來講，可以采用高阻尼橡膠材料，調(diào)整輪胎整體剛度和負(fù)荷平衡、提高輪胎的均勻性和動平衡；

（2）由于輪胎胎面花紋噪聲是輪胎噪聲的主要來源，可以通過優(yōu)化輪胎花紋結(jié)構(gòu)來降低噪聲，這也是輪胎降噪最主要的方法。胎面花紋設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量減小噪聲的總體幅值，同時(shí)使噪聲能量分布在盡可能寬的頻率范圍上，避免在窄的頻率范圍上出現(xiàn)峰值?？梢岳枚喾N方法實(shí)現(xiàn)輪胎降噪：優(yōu)化花紋塊(槽)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化花紋錯(cuò)位的設(shè)計(jì)，以及選擇輪胎花紋的最優(yōu)節(jié)距等。

5 基于仿真分析對輪胎噪聲進(jìn)行優(yōu)化的原理

仿真分析是采用遺傳算法對輪胎花紋節(jié)距優(yōu)化排序達(dá)到降噪的目的。遺傳算法的流程圖如圖1。

圖1 仿真分析遺傳算法流程

工作原理是將節(jié)距作為基因進(jìn)行編碼，隨機(jī)生成一個(gè)初始群體，然后進(jìn)行選擇、交叉、變異和再生等遺傳操作，用適應(yīng)函數(shù)考核染色體個(gè)體的適應(yīng)度，直至遺傳操作收斂到最優(yōu)解。按實(shí)例效果分析來看，該算法具有良好的收斂性和降噪優(yōu)化效果，為輪胎花紋設(shè)計(jì)提供了一種先進(jìn)、實(shí)用和科學(xué)的研究方向和思路，降低開發(fā)周期。

6 優(yōu)化花紋節(jié)距降噪的實(shí)例分析

本次選取規(guī)格為265/60R18 114H XL進(jìn)行花紋節(jié)距的降噪優(yōu)化。通過遺傳算法，得出最優(yōu)的實(shí)施方案是上下花紋錯(cuò)位18 mm。

6.1 輪胎花紋錯(cuò)位優(yōu)化方案

如圖2所示，上圖為初始設(shè)計(jì)花紋圖，下圖為優(yōu)化后錯(cuò)位18 mm的花紋圖，經(jīng)仿真分析后，得出下圖與初始設(shè)計(jì)圖錯(cuò)位18 mm的花紋圖，即上半花紋向右移動18 mm。

圖2 花紋設(shè)計(jì)圖

6.2 降噪的最佳花紋排序方案

通過遺傳算法可以得出1個(gè)花紋節(jié)距排序最佳方案和1個(gè)候選方案。

（1）噪聲效果最佳的花紋節(jié)距排序方案（見圖3最佳花紋排序方案）

圖3 最佳花紋排序方案

從圖4優(yōu)化前后頻譜圖可以分析出，優(yōu)化后最高聲峰值降低了，并且頻域能量在各頻段的能量分布也更為均衡化，達(dá)到了降噪優(yōu)化的目的，減少在相同頻率上發(fā)生疊加性加強(qiáng)的現(xiàn)象。

圖4 最佳方案優(yōu)化前后頻譜圖

（2） 噪聲效果候選的花紋排序方案（見圖5候選花紋排序方案）

圖5 候選花紋排序方案

從圖6可以分析出，優(yōu)化后最高聲峰值降低了，并且頻域能量在各頻段的能量分布也更為均衡化，達(dá)到了降噪優(yōu)化的目的。

最后采用最佳方案，將此規(guī)格送西班牙做測試，測得結(jié)果為71 dB，低于標(biāo)準(zhǔn)值(73)，噪聲能通過測試要求。

圖6 優(yōu)化前后頻譜分析

7 總結(jié)

仿真分析進(jìn)行輪胎花紋節(jié)距排列降噪優(yōu)化，能應(yīng)用到實(shí)際中，降噪優(yōu)化效果顯著，可信度高，實(shí)用性強(qiáng)，為輪胎設(shè)計(jì)提供科學(xué)和實(shí)用的研究方向和思路，能在生產(chǎn)前對輪胎的性能進(jìn)行評估，在設(shè)計(jì)前期對技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修改，使產(chǎn)品達(dá)到最佳性能。