輪胎均勻性引發(fā)輪胎振動噪聲的研究

熊冉

摘 要：文章介紹了輪胎均勻性的產(chǎn)生原因、分類及評價方法。研究了輪胎均勻性對整車低頻、中頻和高頻振動噪聲的影響。結(jié)合輪胎的實際生產(chǎn)，詳細分析了輪胎各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)對輪胎均勻性的影響。運用相關(guān)理論，分析和解決了兩個輪胎均勻性噪聲的實際問題。

關(guān)鍵詞：輪胎噪聲;輪胎均勻性;輪胎生產(chǎn)

中圖分類號：TQ366.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-97-04

Study on tire Vibration and Noise Caused by tire Uniformity

Xiong Ran

（ Beijing Benz Automotive Co， Ltd.， Beijing 100176 ）

Abstract： This paper illustrates the root causes， classifications and evaluation methods for tire uniformity. The influences of tire uniformity on vehicle noise and vibration have been deeply studied， regarding low frequency， intermediate frequency and high frequency. Based on tire production， make detail analysis of Uniformity influencing factors for the whole production process. Applying the theory of this paper to successfully analyze and solve two tire noise problems caused by tire uniformity problem.

Keywords： Tire noise; Tire uniformity; Tire production

CLC NO.： TQ366.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-97-04

引言

汽車噪聲是交通噪聲的主要載體，包括動力系統(tǒng)噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲、車身氣動噪聲和輪胎噪聲等。輪胎振動噪聲是車輛高速行駛噪聲的主要成分，影響乘坐舒適性，引發(fā)環(huán)境噪聲污染，近年來得到整車制造廠與輪胎企業(yè)越來越多的關(guān)注。輪胎靜音性的研究是一個涉及車輛、輪胎及道路的綜合性課題，具有較高的研究價值。

本文針對輪胎均勻性振動噪聲展開了詳細研究。對質(zhì)量不均勻、剛度不均勻和尺寸不均勻三類典型的輪胎均勻性問題進行詳細闡述，介紹了輪胎均勻性的評價指標，分析了輪胎均勻性對車輛振動的影響。詳細研究了輪胎生產(chǎn)過程中對均勻性的控制要素。最后，結(jié)合兩個實際案例，闡述了低階諧波和高階諧波輪胎振動噪聲問題的分析過程和解決方法。

1 輪胎均勻性的定義

輪胎在制造過程中容易出現(xiàn)材料厚度或密度的不均勻、質(zhì)量偏差、零部件外形尺寸誤差、裝配誤差以及結(jié)構(gòu)形狀超差等現(xiàn)象，在輪胎高速旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生徑向力、側(cè)向力和切向力波動。力的波動幅度大到一定程度時，將引起汽車的振動噪聲。GB/T 6326《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。輪胎的不均勻性表現(xiàn)在質(zhì)量不均勻、剛度不均勻和尺寸不均勻三個方面[1]。

1.1 質(zhì)量不均勻

質(zhì)量不均勻即輪胎旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合，不平衡質(zhì)量在輪胎旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生離心力，根據(jù)不平衡質(zhì)量所處位置的不同，可分為靜不平衡和動不平衡。不平衡力可由以下方程計算：

（1）

式中，F(xiàn)為不平衡力，m為不平衡質(zhì)量，r為不平衡質(zhì)量到轉(zhuǎn)軸中心距離，ω為旋轉(zhuǎn)速度

1.2 剛度不均勻

輪胎是一個彈性體，沿著輪胎圓周會出現(xiàn)徑向剛度不同的情況，這種現(xiàn)象稱之為輪胎的剛度不均勻。剛度不均勻的輪胎可用一系列剛度不同的徑向彈簧來模擬。由于剛度各不相同，在一定載荷下其壓縮長度的不同導(dǎo)致車輪滾動的不均勻（承載徑向偏差），引發(fā)輪胎振動噪音[1][2]。

圖1 ?輪胎徑向彈簧模型

1.3 尺寸不均勻

輪胎尺寸不均勻也叫做輪胎不圓，即輪胎圓周上各點到圓心的距離不完全相等。這種情況在輪胎生產(chǎn)過程中是無法完全避免的，如接頭量偏大或偏小，接頭定點分布的偏移等都會對輪胎尺寸造成影響。輪胎表面徑向的“凹凸不平”會成為整車振動的一個激勵F=K??R，式中K為輪胎剛度。

圖2 ?輪胎尺寸不均勻示意圖

1.4 車輪總成不均勻

圖3 ?車輪與輪輞剛度對點裝配

車輪總成由輪胎和輪輞組成，車輪總成的不均勻量與各單獨元件不均勻量及裝配的相對位置有關(guān)[2]。輪胎與輪輞的裝配有兩種方式：質(zhì)量平衡和剛度平衡。質(zhì)量平衡即氣門嘴與輪胎質(zhì)量輕點裝配。剛度平衡即輪胎徑向剛度最大點與輪輞徑向剛度最小點裝配。通過選擇合理的裝配方法，保證車輪總成的均勻性。

2 輪胎均勻性的評價方法

不均勻的輪胎在滾動時將引起輪胎作用在地面上力和力矩的變化，通過測量這些值可以用來評價輪胎的均勻程度，表征輪胎內(nèi)部缺陷在輪胎旋轉(zhuǎn)運動時的力學(xué)影響。下面列舉了常用的輪胎均勻性評價指標：

2.1 剛度均勻性的主要評價指標

（1）徑向力波動（RFV）：指受負荷的輪胎在固定負荷半徑和恒定速度下，每轉(zhuǎn)一周自身反復(fù)出現(xiàn)的徑向力最大波動值。RFV偏大會使汽車振動噪聲增大，乘坐舒適度下降，引起汽車零部件的早期損壞。

（2）側(cè)向力波動（LFV）：指受負荷的輪胎在固定負荷半徑和恒定速度下，每轉(zhuǎn)一周自身反復(fù)出現(xiàn)的側(cè)向力最大波動值。LFV偏大易使車輪發(fā)生搖擺，操縱穩(wěn)定性和高速行駛安全性變差，輪胎的耐磨性能下降。

（3）錐度效應(yīng)力（CON）：指受負荷的輪胎在旋轉(zhuǎn)是不因旋轉(zhuǎn)方向改變而改變方向的側(cè)向力偏差值。CON偏大易使汽車向錐度效應(yīng)力正方向跑偏。

圖4 ?RFV與LFV指標

圖5 ?錐度效應(yīng)力示意圖

2.2 尺寸均勻性的主要評價指標

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

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

圖6 ?RRO與LRO指標

2.3 質(zhì)量均勻性的主要評價指標

（1）靜平衡（SB）：輪胎靜止狀態(tài)下，周向的不平衡質(zhì)量。

（2）動平衡（DB）：充氣輪胎旋轉(zhuǎn)時，上下平面的不平衡質(zhì)量。

圖7 ?車輪靜不平衡 ? ? ? ? 圖8 ?車輪動不平衡

3 輪胎均勻性對車輛振動的影響

汽車上有許多具有一定共振頻率的部件，輪胎不均勻性產(chǎn)生的激振力會使這些部件產(chǎn)生各種各樣的振動[3]。

（1）低頻振動（簧上部件振動）

車輛簧上部件的振動形式有垂直振動、俯仰振動、左右搖擺振動等，振動的頻率大都在1Hz左右。若車輛上裝配有不均勻度1次（或2次）成分較大的輪胎時，當(dāng)車輪以每秒1轉(zhuǎn)（對于2次成分每秒1/2轉(zhuǎn)）的低速滾動時，車身就會發(fā)生搖晃和振動，由于各車輪的激勵可能存在相位差，于是便產(chǎn)生上述各種振動合成的異常振動。

（2）中頻振動（簧下部件振動）

車輛簧下部件的模態(tài)頻率主要分布在10～15Hz，因此對于不均勻度1次成分較大的輪胎，以每秒10～15轉(zhuǎn)的速度行駛即相當(dāng)于轎車的速度為70～110km/h，對于2次成分較大的輪胎相當(dāng)于35～55km/h的速度下行駛時，將發(fā)生簧下部件的共振。該振動會使人感覺到路面凸凹不平，所以又稱為“凸凹不平”振動。

（3）高頻振動（輪胎或車身振動）

在輪胎不均勻度的高次諧波中，若有一個諧波較大，很容易到達輪胎的共振頻率，使汽車產(chǎn)生劇烈振動。且車身上具有高頻共振點的部件非常多，在輪胎不均勻度的高次成分中，若有一個成分較大，且該成分的頻率與車室內(nèi)發(fā)生的駐波頻率一致的速度下就會發(fā)生異常的噪聲。若當(dāng)其與發(fā)動機爆發(fā)音的周期接近時，還會出現(xiàn)敲打聲，使噪聲變得更加復(fù)雜。車輛在高速行駛時，易產(chǎn)生此類噪聲。

4 影響輪胎不均勻的主要因素

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，輪胎生產(chǎn)制造工藝對輪胎均勻性有較大影響，主要涉及材料偏差、成型和硫化工藝，在生產(chǎn)制造過程中需要嚴加控制[4][5][6]。表1列出了常見的影響均勻性的因素。

表1 ?影響輪胎均勻性的因素

5 行駛速度對輪胎均勻性的影響

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，如圖9所示。

設(shè)徑向力波形為f（t），周期為T，角頻率Ω=2πf，則可將其分解為[7]：

（2）

式中，an和bn的計算方法如下：

（3）

輪胎轉(zhuǎn)速對各階次諧波有顯著的影響，同一條輪胎在不同轉(zhuǎn)速下的力學(xué)特性存在較大差異。圖9為不同車速下的徑向力曲線，從中可以看出各條曲線間存在著明顯的差異。圖4反映了徑向力各諧波的RFV隨車速的變化，不同車速下出現(xiàn)不同諧波的最大波動值，例如當(dāng)車速為100km/h時，第5階諧波的RFV達到最大值，而第3階諧波的RFV最大值在速度到達160km/h后才出現(xiàn)[8]。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。

圖9 ?徑向力的諧波分析

6 輪胎均勻性噪聲解決實例

6.1 徑向力高階諧波引發(fā)輪胎噪音

輪胎徑向力高次諧波中，若有一個諧波的RFV較大，很容易達到輪胎的共振頻率，使輪胎產(chǎn)生振動噪聲。

某試裝車輛在測試廠內(nèi)，以60Km/h至80km行駛時，出現(xiàn)明顯的低頻轟鳴聲，乘員有明顯不適感。通過多組零部件互換試驗，鎖定右前輪為噪音源。

該輪胎的高速均勻性測試結(jié)果顯示，在60km/h到80km/h的速度范圍內(nèi)，輪胎的八階RFV明顯高于正常輪胎。通過對硫化工藝中損傷的八塊拼裝模具的修復(fù)，顯著改善了輪胎噪音中的八次諧波成分，車輛乘坐者的舒適性得到明顯改善。

圖10 ?噪音輪胎與優(yōu)化后輪胎的對比圖

6.2 徑向力低次諧波引發(fā)輪胎噪音

某車輛以50km/h以上速度在彎道內(nèi)轉(zhuǎn)向時，出現(xiàn)明顯噪音，直線行駛時噪音消失彎道半徑約50m，路面坡度30～40度。

經(jīng)過對問題輪胎的測試，在RFV的波形圖上存在一個不正常點，每當(dāng)輪胎滾動到該點時徑向力明顯增大。通過對輪胎該位置進行剖切，發(fā)現(xiàn)該點的胎體橡膠厚度異常。檢查輪胎生產(chǎn)工藝，發(fā)現(xiàn)膠片卷收器的張緊力低于規(guī)定值，導(dǎo)致簾布層發(fā)生褶皺。通過調(diào)整張緊力，有效解決了輪胎噪音問題。

圖11 ?RFV檢查結(jié)果

圖12 ?橡膠堆積現(xiàn)象

7 結(jié)語

本論文介紹了輪胎均勻性的產(chǎn)生機理和評價方法，詳細闡述輪胎均勻性對車輛振動噪聲的影響。結(jié)合輪胎的實際生產(chǎn)過程，分析了輪胎各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)對輪胎均勻性的影響。詳細分析了車輛行駛速度對輪胎均勻性的影響。針對徑向力高階諧波和低次諧波產(chǎn)生的輪胎振動噪聲問題，分別提供了一個實際案例。

參考文獻

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