汽車輪胎空腔模態(tài)的獲取途徑及其影響因素

石宇鵬，張全逾，劉鵬

(1.漢騰汽車有限公司，江西上饒 334000；2.承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德 067000)

0 引言

伴隨我國(guó)新能源汽車的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車將逐漸取代傳統(tǒng)燃油汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲、進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲將不復(fù)存在，路面和輪胎引起的振動(dòng)噪聲將成為當(dāng)前汽車NVH性能開(kāi)發(fā)最重要的課題。輪胎空腔噪聲是路面-輪胎噪聲的一項(xiàng)主要關(guān)注項(xiàng)，由此成為汽車NVH開(kāi)發(fā)工程師的主要研究工作。

輪胎空腔噪聲由路面不平度和輪胎不均勻性激勵(lì)，引起輪胎空腔模態(tài)共振并與輪輞耦合后通過(guò)車軸和車身部件的傳遞導(dǎo)致車內(nèi)噪聲，是路面-輪胎噪聲的主要成分之一。輪胎空腔噪聲頻率通常在180～230 Hz之間，如圖1所示。

圖1 輪胎空腔噪聲

研究表明，輪胎空腔模態(tài)是誘發(fā)輪胎空腔噪聲的重要因素，如果能從根本上控制輪胎空腔模態(tài)的響應(yīng)，即可消除輪胎空腔噪聲，故本文作者通過(guò)闡述輪胎空腔模態(tài)的獲取方法，研究輪胎空腔模態(tài)的影響因素，為輪胎空腔噪聲的控制及性能提升提供參考。

1 輪胎空腔模態(tài)獲取方法

輪胎空腔模態(tài)是由輪胎空腔結(jié)構(gòu)尺寸決定的，一般在180～230 Hz之間，小型SUV輪胎空腔模態(tài)在210 Hz附近、中型SUV輪胎空腔模態(tài)在200 Hz附近、大型SUV輪胎空腔模態(tài)在190 Hz以下。輪胎空腔模態(tài)獲取方法通常分為3種：經(jīng)驗(yàn)公式法、仿真分析法、試驗(yàn)測(cè)量法。

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

輪胎空腔模態(tài)分自由狀態(tài)下和輪胎變形工況下兩種情況，由于變形工況所受影響因素繁多且難以定量分析，一般采用各種經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行描述，這里介紹自由狀態(tài)下輪胎空腔模態(tài)計(jì)算模型。輪胎內(nèi)的空氣可視為圓環(huán)狀，如圖2所示。

圖2 輪胎空腔模態(tài)計(jì)算模型

空腔模態(tài)計(jì)算公式[1-2]為

Fi=i·c/L=i·c/2πR

(1)

式中：Fi為第i階輪胎空腔模態(tài)；c為輪胎內(nèi)聲音傳播速度(通常計(jì)算采用340 m/s，也可以根據(jù)聲速與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算c=331.4+0.6t，其中t為溫度)；L為輪胎空腔周長(zhǎng)(通?？刹捎?/3法計(jì)算)；R為輪胎空腔半徑。

1.2 仿真分析法

仿真分析法以輪胎氣密層和車輪輪輞為邊界條件，建立輪胎空腔有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析即可(基本當(dāng)前通用的軟件都可以完成)，主要表現(xiàn)為左右變形模態(tài)和上下變形模態(tài)，通常情況下進(jìn)行自由狀態(tài)和變形狀態(tài)兩種工況模態(tài)分析。

在自由狀態(tài)工況下，由于輪胎圓周方向均勻，其左右變形模態(tài)和上下變形模態(tài)頻率接近，模態(tài)振型如圖3所示。在變形狀態(tài)下，由于輪胎圓周方向不均勻，其左右變形模態(tài)和上下變形模態(tài)分散，且表現(xiàn)為先出現(xiàn)左右變形模態(tài)，再出現(xiàn)上下變形模態(tài)，模態(tài)振型如圖4所示。由于汽車行駛過(guò)程中輪胎變形，故在實(shí)際工程應(yīng)用中采用變形狀態(tài)仿真分析居多。

圖3 輪胎自由狀態(tài)空腔模態(tài)仿真分析振型

圖4 輪胎變形狀態(tài)空腔模態(tài)仿真分析振型

1.3 試驗(yàn)測(cè)量法

由于輪胎空腔為閉合狀態(tài)，試驗(yàn)測(cè)量法直接獲得輪胎空腔模態(tài)比較困難，一般基于輪胎胎面至軸頭的傳遞函數(shù)來(lái)識(shí)別空腔模態(tài)。試驗(yàn)測(cè)量法包括整車狀態(tài)和臺(tái)架狀態(tài)，其中整車狀態(tài)包含未變形狀態(tài)和變形狀態(tài)如圖5(a)所示，臺(tái)架狀態(tài)包含自由懸掛狀態(tài)、約束未變形狀態(tài)和約束變形狀態(tài)如圖5(b)所示，輪胎傳遞函數(shù)測(cè)試的各種狀態(tài)都可以識(shí)別空腔模態(tài)。

輪胎各種狀態(tài)測(cè)試方法相同，通過(guò)錘頭或激振器激勵(lì)輪胎胎面(與地面或支架接觸的位置)，獲取車輪軸頭響應(yīng)，得到其傳遞函數(shù)[3]。圖6為整車狀態(tài)下兩種工況的輪胎傳遞函數(shù)，當(dāng)輪胎未變形時(shí)，由于左右模態(tài)和上下模態(tài)集中，僅在200 Hz顯示一個(gè)峰值；當(dāng)輪胎變形時(shí)，由于左右模態(tài)和上下模態(tài)分散出現(xiàn)182 Hz和200 Hz兩個(gè)峰值?？紤]汽車行駛過(guò)程中輪胎變形狀態(tài)，故實(shí)際工程應(yīng)用中采取整車變形狀態(tài)和臺(tái)架約束變形狀態(tài)更好。

圖5 輪胎傳遞函數(shù)試驗(yàn)示意

圖6 輪胎傳遞函數(shù)

1.4 3種方法精度對(duì)比

基于某款SUV車型235/55R20輪胎，通過(guò)3種方法計(jì)算輪胎空腔模態(tài)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，經(jīng)驗(yàn)公式法和仿真分析法與試驗(yàn)測(cè)量法都比較接近，具備一定的參考意義。

表1 3種方法獲取的輪胎空腔模態(tài)

2 輪胎空腔模態(tài)的影響因素

基于經(jīng)驗(yàn)公式(1)可知，輪胎空腔模態(tài)與R(空腔半徑)和c(不同氣體介質(zhì)中聲音傳播速度)有關(guān)，R與輪胎結(jié)構(gòu)尺寸和輪胎變形量有關(guān)，c與輪胎氣體類型、壓力等有關(guān)[4]。

2.1 輪胎結(jié)構(gòu)尺寸的影響

輪胎結(jié)構(gòu)尺寸是決定輪胎空腔模態(tài)的根本因素。如圖7所示，整體趨勢(shì)顯示為輪胎尺寸越大，其輪胎空腔模態(tài)越小。由于輪胎型號(hào)差異化太大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大尺寸輪胎模態(tài)與小尺寸輪胎模態(tài)接近，甚至超過(guò)小尺寸輪胎模態(tài)，但差距不會(huì)太大。

圖7 不同尺寸輪胎模態(tài)分布

2.2 輪胎變形量的影響

基于第1.3節(jié)中闡述的輪胎變形量對(duì)模態(tài)的影響，輪胎未變形則模態(tài)集中，輪胎變形則模態(tài)分散。伴隨輪胎變形量的增大，輪胎左右模態(tài)和上下模態(tài)逐步分散(且更多表現(xiàn)為左右模態(tài)頻率的前移)，最大可以達(dá)到30 Hz以上。部分工程師也用行駛速度描述，行駛速度越快，輪胎變形越大，模態(tài)越分散。

2.3 輪胎氣體類型的影響

輪胎充氣氣體類型不同，聲音的傳播速度不同，故會(huì)導(dǎo)致輪胎空腔模態(tài)不同；輪胎采用惰性氣體，輪胎空腔模態(tài)靈敏度會(huì)降低。通常在輪胎充氣也會(huì)采用氮?dú)狻⒑獾缺容^穩(wěn)定的氣體，圖8為空氣輪胎和氦氣輪胎(不是純氦氣)車內(nèi)噪聲對(duì)比，可以看出空氣輪胎空腔模態(tài)在200 Hz附近，而氦氣輪胎空腔模態(tài)后移至250 Hz左右。空氣中聲速為340 m/s，純氦氣中聲速為1 058 m/s，則氦氣輪胎空腔模態(tài)是空氣輪胎的3倍左右，但日常中不會(huì)采用純氦氣，會(huì)采用混合氦氣，其聲速會(huì)大大降低，所以出現(xiàn)圖8的現(xiàn)象。

圖8 空氣輪胎和氦氣輪胎車內(nèi)噪聲對(duì)比

2.4 輪胎氣體壓力的影響

通常輪胎胎壓位于0.18～0.24 MPa之間，針對(duì)某款車型輪胎進(jìn)行不同胎壓傳遞函數(shù)驗(yàn)證，如圖9所示。輪胎空腔模態(tài)隨著胎壓降低逐漸降低，但降低幅度在2 Hz之內(nèi)，可以認(rèn)為維持不變，如圖10所示。

圖9 不同胎壓傳遞函數(shù)對(duì)比

圖10 不同胎壓輪胎空腔模態(tài)分布

輪胎空腔模態(tài)靈敏度隨著胎壓降低逐漸降低，如圖11所示。

圖11 不同胎壓輪胎空腔模態(tài)靈敏度分布

3 結(jié)論

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法、仿真分析法、試驗(yàn)測(cè)量法3種方法計(jì)算輪胎空腔模態(tài)得到了比較接近的結(jié)果，同時(shí)通過(guò)分析得到了影響輪胎空腔模態(tài)的因素及變化規(guī)律，為汽車NVH開(kāi)發(fā)工程師的研發(fā)工作提供參考，其結(jié)論如下：

(1)輪胎空腔模態(tài)是路面-輪胎噪聲的主要成分，由路面激勵(lì)輪胎空腔模態(tài)共振引起，以結(jié)構(gòu)噪聲傳遞為主；

(2)輪胎空腔模態(tài)振型主要包括左右模態(tài)和上下模態(tài)。輪胎左右模態(tài)出現(xiàn)在先，上下模態(tài)出現(xiàn)在后，當(dāng)輪胎未變形時(shí)，左右模態(tài)和上下模態(tài)集中，當(dāng)輪胎變形時(shí)，左右模態(tài)和上下模態(tài)分散；

(3)輪胎空腔模態(tài)伴隨輪胎結(jié)構(gòu)尺寸增大而降低；

(4)輪胎空腔模態(tài)伴隨輪胎變形量加大而左右模態(tài)和上下模態(tài)分散；

(5)輪胎充氣氣體類型不同，輪胎空腔模態(tài)相異，其氣體中聲速度越高模態(tài)值也越大；

(6)輪胎空腔模態(tài)隨著胎壓降低逐漸降低，但降低幅度在2 Hz之內(nèi)，輪胎空腔模態(tài)靈敏度隨著胎壓降低逐漸降低。