汽車設(shè)計(jì)中輪胎低溫大轉(zhuǎn)向角工況粘滑噪音分析研究

于東海，陳川，琚學(xué)振

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

一汽-大眾汽車有限公司技術(shù)開發(fā)部具有豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品線齊全，成功研發(fā)寶來、高爾夫、速騰、邁騰等多款車型，深受消費(fèi)者喜愛與認(rèn)可。在車型A（保密車型）開發(fā)試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)冬季低溫條件（-5℃以下）以及大轉(zhuǎn)向角工況下夏季輪胎產(chǎn)生粘滑噪音，更改胎壓后該噪音仍然存在，但行駛一段時(shí)間后，隨著胎面溫度升高，該噪音消失。更換冬季輪胎后，該噪音立刻消失。隨后，查閱相關(guān)技術(shù)資料與文章，內(nèi)部研討，并與多家輪胎廠和汽車廠商溝通交流相關(guān)問題，均缺乏經(jīng)驗(yàn)與分析能力。由此可得出，在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)和輪胎開發(fā)中，缺乏輪胎粘滑噪音分析經(jīng)驗(yàn)與能力。該課題研究，對(duì)汽車設(shè)計(jì)具有較高參考價(jià)值。因此，我們成立專項(xiàng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)研究分析輪胎粘滑噪音，改善汽車設(shè)計(jì)中該領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)空白現(xiàn)狀。

針對(duì)該問題，我們團(tuán)隊(duì)開展頭腦風(fēng)暴，利用思維導(dǎo)圖工具，基于豐富的設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析所有潛在影響因素。利用集體智慧與資源，排除較多干擾因素，鎖定研究方向，包括：夏季輪胎與冬季輪胎對(duì)比分析、阿克曼角與轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、建模分析、整車試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)。找到問題真正原因，為汽車行業(yè)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化輪胎粘滑噪音，提升用戶滿意度。

1 輪胎粘滑噪音理論分析

1.1 夏季輪胎與冬季輪胎

夏季輪胎與冬季輪胎的主要區(qū)別為胎面花紋與配方不同?；y方面：夏季輪胎胎面花紋塊較大，溝深較淺，因此花紋剛性較大；冬季輪胎胎面有較多較細(xì)的波浪形刀槽狀花紋溝，胎面更加柔韌，胎面更寬，花紋剛性較小，因此能夠更深嵌入冰雪路面，提升雪地性能。配方方面：夏季輪胎一般較多使用高Tg的丁苯橡膠，冬季輪胎一般較多使用低Tg的天然橡膠、順丁橡膠或丁苯橡膠。不同的胎面配方產(chǎn)生不同的物性，如下圖1所示（實(shí)測值），夏季輪胎胎面在較低溫度下模量變化較大，而冬季輪胎胎面在較低溫度下模量變化較小。模量隨溫度變化趨勢即剛性隨溫度變化趨勢。

圖1 夏季輪胎與冬季輪胎模量隨溫度變化

輪胎花紋和配方的差異導(dǎo)致性能差異，如夏季輪胎較冬季輪胎具有較好的滾阻和噪音表現(xiàn)。夏季輪胎在車型A產(chǎn)生粘滑噪音，冬季輪胎則沒有該噪音，對(duì)比分析可看出，輪胎開發(fā)時(shí)，可以從花紋和配方兩個(gè)方向優(yōu)化改善粘滑噪音。

1.2 阿克曼角與轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

阿克曼角是指車輛轉(zhuǎn)向車輪作純滾動(dòng)時(shí)內(nèi)外車輪之間的夾角，非轉(zhuǎn)向角，是一種理想工況。阿克曼角較大，汽車在過彎的時(shí)候更穩(wěn)定，偏操控的車輛一般阿克曼角較大。但由于轉(zhuǎn)向梯形的存在，車輪實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角肯定存在偏差[1]，一般來說轉(zhuǎn)向角越大該偏差越大，導(dǎo)致輪胎越難通過自身變形保持純滾動(dòng)狀態(tài)。尤其在冬季低溫且大轉(zhuǎn)向角工況下，夏季輪胎剛性變大，地面提供的最大靜摩擦力不滿足輪胎變形所需要的力，純滾動(dòng)的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，此過程循環(huán)導(dǎo)致產(chǎn)生輪胎粘滑噪音。車輛行駛一段距離后，輪胎溫度升高，輪胎剛性變小，地面提供的最大靜摩擦力可以滿足輪胎變形所需力，粘滑噪音消失。因?yàn)槎据喬ゼ词?在低溫工況下，胎面剛性也較小，所以，不需要熱車，也不會(huì)產(chǎn)生粘滑噪音，該噪音不影響行駛安全，但能夠引起用戶抱怨，降低用戶滿意度。

圖2 實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差

在車輛開發(fā)中，可通過優(yōu)化調(diào)整底盤零件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形，減少實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差，改善輪胎粘滑噪音。以車型A轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)為例，可通過三方面減少該偏差：①轉(zhuǎn)向機(jī)沿X軸向后移動(dòng)；②轉(zhuǎn)向外拉桿沿Y軸向外移動(dòng)；③轉(zhuǎn)向節(jié)沿Y軸向內(nèi)移動(dòng)。但調(diào)整后需重新進(jìn)行底盤干涉分析、仿真、測試與匹配，達(dá)到最優(yōu)效果。

圖3 車型A轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

1.3 建模分析

參考輪胎行業(yè)經(jīng)典的刷子模型[2]，在輪胎粘滑噪音工況下，實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差可看作輪胎側(cè)偏角α[3]，受力情況可簡化為線性段受力工況，可推導(dǎo)出輪胎保持純滾動(dòng)時(shí)的最小側(cè)向力Fy：

其中c為修正系數(shù)，l為輪胎接地印痕長度，k為胎面剛度。通過該簡化模型可輔助分析輪胎粘滑噪音，胎面溫度越低（即胎面剛度越大），實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差越大，輪胎保持純滾動(dòng)需要的最小側(cè)向力越大，輪胎越容易產(chǎn)生粘滑噪音。

2 輪胎粘滑噪音試驗(yàn)研究

2.1 整車試驗(yàn)

為了更準(zhǔn)確全面分析輪胎粘滑噪音，測試組籌備了一臺(tái)試驗(yàn)車車型A（保密車型），以及車輪輪胎，并購買溫度槍（型號(hào)Testo845，量程為-35℃至+950℃，精度為0.1℃）。制定測試路線與試驗(yàn)規(guī)范，在冬季不同溫度條件下進(jìn)行大量測試。每次試驗(yàn)前車輛A在冬季室外存放一晚上后，早上冷啟動(dòng)車輛，模擬用戶行駛800 m，然后在最大轉(zhuǎn)向角下測試輪胎粘滑噪音，此工況實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差為5.63°，如果粘滑噪音消失，停止測試，否則繼續(xù)循環(huán)測試，測試結(jié)果如圖4所示：

圖4 整車測試結(jié)果

由測試結(jié)果可看出，在確定的實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差工況下，粘滑噪音與胎面溫度直接相關(guān)，溫度越低，噪音越嚴(yán)重，環(huán)境溫度越低，需行駛更長的里程消除噪音，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)

為進(jìn)一步試驗(yàn)分析輪胎粘滑噪音，測試組籌備規(guī)格為235/55 R19 101 T夏季輪胎與冬季輪胎若干條，并申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)資源：恒溫加載試驗(yàn)機(jī)和輪胎六分力試驗(yàn)機(jī)。開展大量測試工作，測試前將輪胎放入恒溫加載試驗(yàn)機(jī)中，冷卻到設(shè)定的溫度，充分冷卻后，迅速將輪胎加載到六分力試驗(yàn)機(jī)，側(cè)偏角設(shè)置為5.63°，模擬用戶工況測試，并用溫度槍測量胎面溫度[4]。在夏季輪胎測試中重現(xiàn)了輪胎粘滑噪音，冬季輪胎測試中沒有發(fā)現(xiàn)該噪音，與實(shí)車測試結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果如下圖5所示，在胎面溫度約-2.9℃，側(cè)偏角為5.63°時(shí)產(chǎn)生該噪音。整車測試時(shí)，胎面溫度-5℃，實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差為5.63°時(shí)產(chǎn)生該噪音?？紤]到整車試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)工況不可能完全一致，可認(rèn)為臺(tái)架試驗(yàn)與整車試驗(yàn)結(jié)果符合度較高。側(cè)面證明理論分析的正確性，以及影響輪胎粘滑噪音的三個(gè)重要因素：輪胎類型、胎面溫度、實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差[5]。

圖5 夏季輪胎臺(tái)架測試結(jié)果

3 結(jié)語

在汽車設(shè)計(jì)和輪胎開發(fā)中，缺乏對(duì)輪胎黏滑噪音系統(tǒng)分析與研究。本文從汽車開發(fā)的角度，闡明輪胎粘滑噪音產(chǎn)生的機(jī)理，排除較多干擾因素，明確影響輪胎粘滑噪音三個(gè)重要因素，即輪胎種類、胎面溫度、實(shí)際轉(zhuǎn)角差與阿克曼角的偏差，并逐一分析研究。加深了對(duì)輪胎粘滑噪音認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)了汽車設(shè)計(jì)中輪胎粘滑噪音的研究空白，為汽車開發(fā)中改善粘滑噪音提供方向與建議，具有較大參考價(jià)值。