某車型輪胎高速均勻性與引起的異響問(wèn)題分析

張浩，張光，羅挺，左躍云，黃帥

(東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

輪胎噪聲是車輛行駛過(guò)程中輪胎和道路間相互作用產(chǎn)生的噪聲，其產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜，包含了直接噪聲和間接噪聲，直接噪聲分為胎面花紋噪聲、道路凹凸噪聲、彈性振動(dòng)噪聲和自激振動(dòng)噪聲等，間接噪聲是輪胎直接或間接成為激勵(lì)源，振動(dòng)傳遞至車身產(chǎn)生的噪聲[1]。輪胎噪聲是車輛噪聲的主要來(lái)源之一，對(duì)整車乘坐舒適性具有重要影響，在中高速行駛時(shí)更為明顯[2]。

研究表明，輪胎徑向力波動(dòng)（RFV）和空腔模態(tài)對(duì)輪胎振動(dòng)噪聲具有重要影響。文獻(xiàn)[3]對(duì)汽車垂向振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)輪胎徑向尺寸不均勻性是重要影響因素。文獻(xiàn)[4]通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輪胎均勻性試驗(yàn)，分析了輪胎噪聲和均勻性的關(guān)系，指出徑向跳動(dòng)是引起輪胎噪聲異常的主要原因。文獻(xiàn)[5]分析了輪胎徑向力八次諧波引起輪胎噪聲的原因，提出了降低8次諧波的具體方法。

輪胎空腔共振噪聲是路面激勵(lì)下，輪胎和輪轂之間的氣體振動(dòng)頻率與輪胎結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率一致時(shí)產(chǎn)生[6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)輪胎自由狀態(tài)和接地狀態(tài)下的空腔固有頻率進(jìn)行了計(jì)算，文獻(xiàn)[8]并提出了通過(guò)橢圓形輪圈來(lái)降低輪胎噪聲的改進(jìn)方法并加以驗(yàn)證。目前研究主要針對(duì)輪胎空腔噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、數(shù)值分析和改善方法，通過(guò)對(duì)輪胎的胎面硬度、結(jié)構(gòu)剛度和傳遞路徑等參數(shù)來(lái)達(dá)到改善噪聲的目的[8-11]。針對(duì)高速下輪胎徑向力波動(dòng)（RFV）16次與輪胎空腔共振引起的輪胎噪聲研究還較少。

本文針對(duì)某車型高速行駛時(shí)出現(xiàn)的異響問(wèn)題，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和振動(dòng)噪聲測(cè)試，確認(rèn)異響是由于輪心徑向16階振動(dòng)在高速時(shí)偏高導(dǎo)致。結(jié)合輪胎RFV臺(tái)架測(cè)試和輪胎空腔固有頻率分析表明，輪胎RFV H16超標(biāo)，與輪胎空腔共振產(chǎn)生了異常輪胎噪聲。通過(guò)對(duì)輪胎生產(chǎn)工藝進(jìn)行提升，改善后的輪胎RFV明顯降低，整車道路下無(wú)異常輪胎噪聲，為高速工況下的輪胎異常噪聲控制提供一定的參考。

1 問(wèn)題描述

某車型在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，部分車輛在中高速下（60 km/h～120 km/h）行駛時(shí)車內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)性的嗡嗡異響，并伴有車身抖動(dòng)。通過(guò)主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)車輛在某特定車速下出現(xiàn)“嗡嗡”異響，與車速（車輪轉(zhuǎn)速）相關(guān)，與檔位和油門開(kāi)度等因素?zé)o關(guān)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)主觀判斷為傳動(dòng)系統(tǒng)、輪胎等旋轉(zhuǎn)件的激勵(lì)導(dǎo)致。

為進(jìn)一步明確異響源，在平直的光滑瀝青路上，利用LMS Test.Lab測(cè)試了異響車駕駛員內(nèi)耳噪聲，左前輪心、三角臂安裝點(diǎn)、前減振器安裝點(diǎn)、地板和座椅的振動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)在1/4油門開(kāi)度下進(jìn)行，得到60 km/h～120 km/h車內(nèi)噪聲結(jié)果如圖1所示。輪心振動(dòng)結(jié)果如圖2（左至右依次為X、Y、Z三向）所示。

圖1 加速工況下車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲和輪心徑向振動(dòng)（X和Z向）均在185 Hz和210 Hz附近存在明顯共振帶。該車型輪胎規(guī)格為225/60R18，可以從圖2看出，輪心徑向振動(dòng)存在車輪轉(zhuǎn)速的16階峰值，隨著車速上升，先后分別與185 Hz和210 Hz（對(duì)應(yīng)車速分別為95 km/h和110 km/h）共振帶耦合產(chǎn)生明顯峰值，同時(shí)車內(nèi)噪聲也出現(xiàn)該階次峰值。其它振動(dòng)測(cè)點(diǎn)結(jié)果與輪心振動(dòng)結(jié)果一致，均在185 Hz和210 Hz附近明顯偏高。

圖2 加速工況下輪心振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

2 異響源識(shí)別

2.1 勻速工況試驗(yàn)

由于車輛在95 km/h和110 km/h附近出現(xiàn)了明顯的異響，且主觀評(píng)價(jià)110 km/h時(shí)更為明顯，本文利用異響車（后稱A車）和無(wú)異響車（后稱B車），在同一路面分別進(jìn)行了110 km/h下的勻速試驗(yàn)（兩車輪胎裝配前均已進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)檢查）。

兩車輪心振動(dòng)數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果分別如圖3和圖4所示，可以看出兩車輪心徑向振動(dòng)均在185 Hz和210 Hz出現(xiàn)了明顯峰值，但A車幅值明顯大于B車，其中210 Hz尤為明顯，頻率對(duì)應(yīng)為輪胎旋轉(zhuǎn)的16階次。

圖3 A車勻速工況下輪心振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖4 B車勻速工況下輪心振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖5和圖6分別為A車和B車輪心、三角臂安裝點(diǎn)和減振器安裝點(diǎn)的振動(dòng)，可以明顯看出，A車輪心振動(dòng)在185 Hz和210 Hz均明顯大于B車，并導(dǎo)致傳遞至減振器安裝點(diǎn)的振動(dòng)也明顯偏大。

圖5 A車110 km/h時(shí)各點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖6 B車110 km/h時(shí)各點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

表1為A車與B車在輪心、三角臂安裝點(diǎn)和減振器安裝點(diǎn)的振動(dòng)對(duì)比，可以看出，同一位置上A車的振動(dòng)均大于B車。通過(guò)數(shù)據(jù)分析表明A車輪心振動(dòng)異常為源頭，并導(dǎo)致傳遞路徑上也出現(xiàn)振動(dòng)偏高的問(wèn)題。

表1 A車與B車各測(cè)點(diǎn)對(duì)比

綜上信息，判斷A車異響為輪胎RFV H16值偏大，高速時(shí)在210 Hz與輪胎空腔共振從而引起異常噪聲，后續(xù)將從輪胎RFV和空腔模態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 輪胎RFV檢測(cè)

輪胎RFV對(duì)車輛高速行駛時(shí)的振動(dòng)噪聲影響較大，與輪胎均勻性相關(guān)，主要受質(zhì)量、剛度和尺寸3個(gè)因素相關(guān)，涉及胎面厚度、簾線密度不均勻、生產(chǎn)制造工藝等多因素的影響[3，12]。

輪胎的RFV在生產(chǎn)過(guò)程中不容易控制，偏大會(huì)加劇汽車的振動(dòng)。對(duì)于不均勻的輪胎，其徑向力波動(dòng)隨輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)呈周期性變化，可以展開(kāi)成傅里葉三角級(jí)數(shù)進(jìn)行諧波分析，各諧階量對(duì)汽車垂向振動(dòng)有顯著的影響[12]。

輪胎質(zhì)量不均勻可通過(guò)輪胎動(dòng)平衡進(jìn)行控制，尺寸和剛度的均勻性通過(guò)均勻性檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，可分為低速均勻性和高速均勻性檢測(cè)。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，其徑向力波動(dòng)階次和頻率關(guān)系如下[13]：

式中：f為不平衡激勵(lì)頻率，n為階次，v為車速，r為輪胎半徑。

試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎異常振動(dòng)噪聲與輪胎RFV H16相關(guān)。由于輪胎轉(zhuǎn)速對(duì)RFV諧波有重要影響[14],本文測(cè)試了A車和B車輪胎不同速度下的RFV值，其中低速下的RFV測(cè)試結(jié)果如圖7所示。A車輪胎在RFV H8值約為B車輪胎的2倍，RFV H16值基本相等，未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

圖7 低速工況下A車輪胎RFV檢測(cè)結(jié)果

高速狀態(tài)下測(cè)試了兩車輪胎在50 km/h～95 km/h的RFV結(jié)果，分別如圖8和圖9所示。可以看出，A車輪胎高速下，其RFV的H8和H16值遠(yuǎn)大于無(wú)異響輪胎，同時(shí)H16值隨著轉(zhuǎn)速升高明顯增加，但H8值與轉(zhuǎn)速上升無(wú)明顯規(guī)律。

圖8 A車輪胎高速工況下RFV檢測(cè)結(jié)果

圖9 B車輪胎高速工況下RFV檢測(cè)結(jié)果

輪胎RFV檢測(cè)說(shuō)明A車異響與輪胎高速下RFV 16H偏高有重要關(guān)系，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)輪胎在高速下的RFV值。

2.3 輪胎空腔模態(tài)

（1）輪胎自由空腔模態(tài)

輪胎內(nèi)存在封閉的環(huán)形空氣，自由狀態(tài)下，其模態(tài)頻率主要受輪胎中心周長(zhǎng)和內(nèi)部氣體介質(zhì)的影響，可通過(guò)理論公式計(jì)算、仿真和試驗(yàn)得到。輪胎第i階自由空腔模態(tài)固有頻率可按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算[7]。

式中：c為聲音在輪胎空腔介質(zhì)中的傳播速度，l為輪胎空腔中心周長(zhǎng)。

A車輪胎規(guī)格為225/60R18，通過(guò)式（2）計(jì)算自由狀態(tài)下空腔模態(tài)為193 Hz。試驗(yàn)時(shí)將輪胎充氣至標(biāo)準(zhǔn)氣壓，用彈性繩懸吊模擬自由狀態(tài)，測(cè)得空腔模態(tài)頻率為197 Hz。

仿真時(shí)，在HyperMesh中建立該輪胎空腔的有限元模型，網(wǎng)格單元基本尺寸采用10 mm。通過(guò)仿真計(jì)算輪胎自由狀態(tài)下空腔模態(tài)結(jié)果為188 Hz，與理論計(jì)算和試驗(yàn)所得結(jié)果基本一致。輪胎空腔有限元模型和1階振型如圖10所示。

（2）輪胎接地空腔模態(tài)

輪胎受載荷與地面接觸產(chǎn)生發(fā)生變形時(shí)，其空腔模態(tài)與自由狀態(tài)存在明顯差異，會(huì)分解為一大一小2階頻率，其振型形狀相同，但相位不同[7，11]。此時(shí)，其理論計(jì)算公式如下[7]：

圖10 輪胎空腔有限元模型及模態(tài)振興圖

式中：m為接地狀態(tài)下輪胎截面積與自由狀態(tài)截面積之比，lp為輪胎接地長(zhǎng)度。

本文根據(jù)輪胎所受載荷，引入輪胎裝車狀態(tài)下變形量，建立對(duì)應(yīng)的接地仿真模型，計(jì)算得到空腔模態(tài)仿真結(jié)果為185 Hz和191 Hz，與按照式（3）計(jì)算得到的192 Hz和196 Hz差異很小，其振型分別為前后方向和垂直方向，如圖11所示。試驗(yàn)以車輛正常停放狀態(tài)進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果為191 Hz和198 Hz。

圖11 輪胎接地狀態(tài)空腔模態(tài)振型

（3）輪胎滾動(dòng)空腔模態(tài)

輪胎滾動(dòng)時(shí)，多普勒效應(yīng)會(huì)使輪胎空腔模態(tài)頻率產(chǎn)生變化，其1階固有頻率可按照公式（4）進(jìn)行計(jì)算[7]。

式中：v為車輛行駛速度，L為輪胎外周長(zhǎng)。

按照式（4）計(jì)算和試驗(yàn)得到110 km/h的輪胎空腔模態(tài)結(jié)果如表2所示，兩者誤差較小?？梢钥闯?，該車型輪胎在110 km/h時(shí)存在185 Hz和210 Hz兩個(gè)空腔模態(tài)。

表2 輪胎各狀態(tài)下空腔模態(tài)

通過(guò)上述分析表明，由于前期未對(duì)輪胎高速下RFV值進(jìn)行管控，導(dǎo)致部分輪胎（如A車）在高速下的RFV H16值偏大，與輪胎空腔共振導(dǎo)致車內(nèi)出現(xiàn)異常噪聲。因A車型輪胎結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定，需要對(duì)輪胎高速下的RFV值進(jìn)行重點(diǎn)控制和監(jiān)測(cè)。

3 問(wèn)題驗(yàn)證

該車型輪胎胎面成型模具為8等寬拼接而成，生產(chǎn)工藝導(dǎo)致輪胎的H8和H16成分明顯高于其它階次。通過(guò)輪胎模具及設(shè)備精度提升，硫化工藝改善，胎面和胎側(cè)壓出斷面穩(wěn)定性提升等措施，有效改善了輪胎RFV的H8和H16成分。同時(shí)，設(shè)定了低速和高速下的RFV檢測(cè)目標(biāo)值（企業(yè)保密）進(jìn)行監(jiān)控，95 km/h下輪胎RFV改善前后對(duì)比結(jié)果如表3所示。

改善后輪胎高速舒適性得到明顯改善，在110 km/h勻速工況下的試驗(yàn)結(jié)果表明輪心徑向振動(dòng)16階明顯降低，如圖12所示。主客觀均達(dá)到滿意效果。

圖12 改善后輪胎110 km/h輪心振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

表3 輪胎RFV改善前后對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某車型高速輪胎異常噪聲，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輪心徑向振動(dòng)的16階偏高是主要原因。進(jìn)一步分析得到，輪胎高速RFV H16偏大，與空腔模態(tài)共振導(dǎo)致車內(nèi)異常噪聲。

（1）輪胎空腔固有頻率在自由狀態(tài)下為一個(gè)峰值，在滾動(dòng)狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值。

（2）高速下，輪胎RFV H16值與輪胎空腔模態(tài)一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，造成整車異常振動(dòng)和噪聲。

（3）輪胎低速和高速下的RFV具有明顯差異，高速下輪胎的均勻性控制對(duì)降低車輛振動(dòng)噪聲具有重要意義。