基于虛擬路面的整車(chē)路噪輪胎參數(shù)相關(guān)性研究

吳 淵，高豐嶺，卜曉兵，陳瀟凱

（1.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300；2.北京理工大學(xué) 電動(dòng)車(chē)輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100081）

隨著人們對(duì)汽車(chē)品質(zhì)要求的不斷提高和汽車(chē)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）性能已成為用戶(hù)對(duì)汽車(chē)乘坐舒適性和產(chǎn)品滿(mǎn)意度評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。路噪是由于輪胎受路面不平度激勵(lì)，傳遞到車(chē)廂內(nèi)部的噪聲。路面不平度激勵(lì)引起的車(chē)身振動(dòng)不可避免，其頻率約5～60 Hz，以車(chē)身板件為主產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲在低、中頻范圍內(nèi)，為用戶(hù)容易感知的頻率段[1-3]。因此，如果能在開(kāi)發(fā)初期預(yù)測(cè)出車(chē)內(nèi)的噪聲水平，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，對(duì)提高汽車(chē)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義[4]。

路噪研究一直是NVH領(lǐng)域的一大難題。多年來(lái)，多數(shù)研究需要依靠樣車(chē)測(cè)試獲取車(chē)身底盤(pán)接附點(diǎn)的載荷進(jìn)行仿真分析[5-6]。也可通過(guò)采集轉(zhuǎn)向節(jié)位置處的加速度，用矩陣求逆獲取輪心力分析路噪[7-8]。這兩種方式都需要進(jìn)行測(cè)試獲取路噪仿真激勵(lì)，存在工作量大、成本高、周期長(zhǎng)等不足，對(duì)樣車(chē)的依賴(lài)嚴(yán)重降低了整車(chē)NVH開(kāi)發(fā)前期問(wèn)題的排查能力。為解決整車(chē)開(kāi)發(fā)早期沒(méi)有載荷譜無(wú)法進(jìn)行整車(chē)路噪預(yù)測(cè)的困境，有部分學(xué)者對(duì)路譜激勵(lì)轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究，基于模態(tài)參數(shù)輪胎理論建立整車(chē)路噪分析模型。由于模態(tài)參數(shù)是從靜止的輪胎試驗(yàn)得到，由靜態(tài)到穩(wěn)態(tài)只考慮阻尼的影響，沒(méi)有考慮離心力的影響，同時(shí)切向激勵(lì)切向響應(yīng)的模態(tài)試驗(yàn)和徑向激勵(lì)切向響應(yīng)的模態(tài)試驗(yàn)難度相對(duì)較大，導(dǎo)致模態(tài)參數(shù)輪胎模型的適用性和精準(zhǔn)度還有待提高，所以該方法在整車(chē)路噪分析的應(yīng)用還存在一些局限[9-10]。為了全面反映路面激勵(lì)引起的車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲，基于輪胎物理特性開(kāi)發(fā)的CDTire模型，具有精度高、頻段寬、通用性廣等特點(diǎn)，能較好地捕捉到輪胎的力學(xué)特性，其在整車(chē)路噪分析中有巨大的應(yīng)用前景[11]。

具備可靠的輪胎模型后，在整車(chē)結(jié)構(gòu)確定的情況下，研究不同輪胎及同款輪胎不同參數(shù)組合對(duì)于整車(chē)路噪的影響規(guī)律，可以在一定程度上為主機(jī)廠(chǎng)車(chē)型輪胎匹配與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 整車(chē)虛擬路面路噪仿真方法

1.1 路譜采集

粗糙瀝青路為國(guó)內(nèi)通用路面，常用于路噪研究。這里以粗糙瀝青路作為測(cè)試路面，并對(duì)該路面的高程信息進(jìn)行掃描。圖1所示為正在采集路譜的試驗(yàn)車(chē)，通過(guò)激光傳感器獲取路面不平度數(shù)據(jù)q(l)（如圖2所示，F(xiàn)L、FR、RL、RR分別為左前輪、左后輪、右前輪、右后輪）。q(l)為時(shí)域無(wú)限信號(hào)，工程中通常截取一段路面長(zhǎng)度L進(jìn)行研究。L的取值，要保障空間頻率分辨率，對(duì)于路面不平度信號(hào)的空間頻率在[0.011 2.83]m-1之間，所以最小辨識(shí)頻率即L≤91 m[11]。

圖1 采集路譜試驗(yàn)車(chē)

圖2 路面不平度

空間長(zhǎng)度L的路面不平度信號(hào)為：

其自相關(guān)函數(shù)為：

式中：qL(l)為空間域有限信號(hào)，其空間域頻譜為連續(xù)譜Q(n,L)。根據(jù)帕塞瓦爾定理，路面不平度信號(hào)的平均功率為：

式中：n為空間頻率。

由于工程上負(fù)頻率沒(méi)有意義，所以使用單邊譜密度Gq(n)，可由式（4）計(jì)算得出：

由維納辛欽定理可換算出路面位移不平度時(shí)間域功率譜密度Gq(f)為：

式中：l=ut，位移等于車(chē)速與時(shí)間的乘積；f=nu，時(shí)間頻率等于空間頻率與車(chē)速的乘積。

功率譜密度用于描述路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性，作為整車(chē)路面激勵(lì)輸入。以60 km/h 作為路噪仿真工況車(chē)速，基于以上公式計(jì)算得到路面功率譜，如圖3所示。

圖3 時(shí)間頻率路面功率譜密度

1.2 CDTire輪胎模型

獲取一個(gè)用于路噪仿真的CDTire輪胎模型，需要對(duì)輪胎進(jìn)行斷面掃描，靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)工況測(cè)試。測(cè)試工況包括垂向剛度、縱向剛度、側(cè)向剛度、縱滑、側(cè)滑、動(dòng)態(tài)過(guò)凸塊試驗(yàn)等。為了捕捉輪胎的綜合性能，在同一測(cè)試工況組下，通常需要測(cè)試一系列胎壓（如：80%、100%、120%參考胎壓）、一系列負(fù)載（如：40%、80%、120%負(fù)載）以及多種車(chē)速（如：5 km/h、60 km/h、200 km/h）下的輪胎力學(xué)響應(yīng)。在獲取輪胎測(cè)試數(shù)據(jù)后，基于CDTire/PI平臺(tái)，對(duì)輪胎斷面進(jìn)行幾何建模，通過(guò)仿真反求辨識(shí)輪胎參數(shù)。其中輪胎參數(shù)辨識(shí)流程如圖4所示。

圖4 輪胎辨識(shí)流程

為了度量辨識(shí)的質(zhì)量，引入了一個(gè)層次結(jié)構(gòu)的誤差值。在所有的層次結(jié)構(gòu)中，除了最下面的層次外，它們都是誤差的加權(quán)和，輪胎辨識(shí)的總誤差（最頂層）是所有啟用辨識(shí)工況組的誤差加權(quán)和。其方程如下：

式中：errTotal是所有啟用辨識(shí)工況組的誤差加權(quán)和；errexp為每個(gè)辨識(shí)工況組誤差值；wexp為對(duì)應(yīng)的誤差權(quán)重因子。

errexp是基于后處理步驟中計(jì)算出的局部信號(hào)特征和積分信號(hào)特征來(lái)估計(jì)的，計(jì)算形式如式（7）所示：

式中：x，y為試驗(yàn)和擬合曲線(xiàn)局部信號(hào)特征值；f，g為試驗(yàn)和仿真擬合曲線(xiàn)的積分信號(hào)特征函數(shù)；為f函數(shù)的P范數(shù)。由上述公式可見(jiàn)，誤差沒(méi)有邊界，越小越好。在error值達(dá)到可接受的范圍后，同時(shí)結(jié)合輪胎仿真與測(cè)試曲線(xiàn)的趨勢(shì)對(duì)比，確定最終滿(mǎn)足工程要求的輪胎模型。

本文對(duì)兩個(gè)廠(chǎng)家提供的輪胎1-245/55 R19（Tire1）、輪胎2-205/50 R17（Tire2）進(jìn)行CDTire參數(shù)辨識(shí)用于整車(chē)路噪研究。圖5給出了這兩款輪胎的幾何斷面模型，最后由帶有質(zhì)量點(diǎn)的中性層作為輪胎的物理模型基礎(chǔ)。圖6為兩款輪胎部分仿真結(jié)果，可見(jiàn)試驗(yàn)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)高度吻合，尤其在動(dòng)態(tài)測(cè)試cleat工況中，仿真和測(cè)試曲線(xiàn)在關(guān)鍵頻率點(diǎn)位置幾乎重合，因此，CDTire具有很高的輪胎力學(xué)特性描述能力，能夠滿(mǎn)足整車(chē)路噪仿真要求。

圖5 兩款輪胎的幾何建模結(jié)果

圖6 部分參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

1.3 整車(chē)路面振動(dòng)噪聲仿真分析

基于Hyperworks中NVHD平臺(tái)，搭建用于路面振動(dòng)噪聲分析的聲固耦合模型。導(dǎo)入輪胎辨識(shí)參數(shù)cdt50文件，進(jìn)行線(xiàn)性化生成fem文件和h3d文件，其中fem文件含有生成的節(jié)點(diǎn)、顯示單元、輪胎的一些基本參數(shù)信息，h3d文件中含有用于計(jì)算的剛度、阻尼、質(zhì)量矩陣。CDTire線(xiàn)性化后用于路噪仿真的模型如圖7所示。

圖7 CDTire輪胎模型

集成CDTire輪胎于整車(chē)有限元模型用于路噪分析。圖8為某SUV整車(chē)聲固耦合模型。

圖8 整車(chē)聲固耦合模型

基于NVHD平臺(tái)的Road Load 路噪工具，導(dǎo)入路面PSD和整車(chē)聲固耦合模型搭建整車(chē)路噪分析工況。輸出駕駛員外耳聲壓級(jí)，方向盤(pán)12點(diǎn)方向、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)。

2 輪胎參數(shù)對(duì)路噪的影響

2.1 輪胎型號(hào)對(duì)路噪的影響

通過(guò)對(duì)1.2節(jié)中兩個(gè)廠(chǎng)家提供的輪胎進(jìn)行CDTire建模，研究探討不同輪胎對(duì)于路噪仿真的影響。輪胎型號(hào)的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輪胎型號(hào)參數(shù)

分別將這2款輪胎模型線(xiàn)性化后裝配在SUV上進(jìn)行路面振動(dòng)噪聲響應(yīng)分析，得到結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同款輪胎的路噪響應(yīng)

由駕駛員外耳噪聲響應(yīng)曲線(xiàn)可知，兩款輪胎仿真曲線(xiàn)趨勢(shì)幾乎一致，峰值頻率點(diǎn)位置幾乎不變，說(shuō)明輪胎對(duì)于整車(chē)的剛度與質(zhì)量貢獻(xiàn)有限。此外，作為傳遞路徑上的一環(huán)，輪胎對(duì)于整車(chē)噪聲響應(yīng)的影響弱于整車(chē)結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果的差異主要體現(xiàn)在56～85 Hz與100～180 Hz頻率段的峰值，其中在80 Hz處兩款輪胎的噪聲響應(yīng)峰值差距最大，達(dá)到了8 dB（A）。與噪聲結(jié)果類(lèi)似，在方向盤(pán)12點(diǎn)、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)中，兩款輪胎對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)3向加速度均方根值（RMS）趨勢(shì)一致，全頻段內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)影響小，但出現(xiàn)較大峰值點(diǎn)。其中方向盤(pán)3向加速度RMS值在31 Hz處差距達(dá)到2.55 m/s2，駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點(diǎn)3向加速度RMS值在31 Hz處差距達(dá)到0.49 m/s2。由仿真經(jīng)驗(yàn)和仿真結(jié)果可知，這一現(xiàn)象是由不同輪胎的模態(tài)激勵(lì)、剛度差異所致。

除了輪胎質(zhì)量、尺寸等設(shè)計(jì)差異，兩款輪胎模型文件的關(guān)鍵物理參數(shù)差異也很大，如表2所示，因此，難以推斷輪胎型號(hào)對(duì)于路噪響應(yīng)的影響規(guī)律。在下一步的研究中，隨著輪胎數(shù)據(jù)庫(kù)的積累，可通過(guò)對(duì)比相同廠(chǎng)家不同型號(hào)的輪胎來(lái)繼續(xù)開(kāi)展這方面的工作。

表2 兩款輪胎主要參數(shù)對(duì)比

表2中的參數(shù)分別為剪切剛度（RGx）、簾布層剛度（Cs）、鋼絲層剛度（Ss）、帶束層剛度（Bs）、胎冠x與y方向剪切剛度（TGx、TGy）、輪胎x方向彎曲剛度（Xs）、胎側(cè)質(zhì)量（Mb）和橡膠剪切阻尼（RGd）。

兩款輪胎3向加速度、噪聲響應(yīng)均方根值見(jiàn)表3。表中Noise_RsSM、STR12_RSM、Driver_RSM分別表示駕駛員外耳全頻段噪聲RMS值、方向盤(pán)12點(diǎn)3向加速度RMS值、駕駛員座椅右后安裝點(diǎn)3向加速度RMS值。

表3 噪聲、3向振動(dòng)響應(yīng)RMS值

由表3可知，此款SUV搭配Tire1比較合適，尤其在100～180 Hz頻率段處噪聲值相較于Tire2優(yōu)勢(shì)更明顯。

2.2 同款輪胎參數(shù)組合對(duì)路噪的影響

為了考察同款輪胎不同參數(shù)組合對(duì)路面振動(dòng)噪聲的影響，結(jié)合模型的實(shí)際物理意義，基于式（8）采用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)表1中Tire1、Tire2模型的9個(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)進(jìn)行組合采樣，分別生成55個(gè)樣本輪胎模型后完成整車(chē)路面振動(dòng)噪聲分析。

假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)域CN上有N個(gè)設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)是選取一組樣本點(diǎn)，使其均勻地分布在CN上。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，這里采用了L2中心偏差準(zhǔn)則，即：

Tire1、Tire2對(duì)應(yīng)的9個(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)初值見(jiàn)表1，除Mb的上下變化范圍為其初始值的20%以外，其余參數(shù)上下限變化范圍均為初始值的50%，輪胎的參數(shù)變化范圍見(jiàn)表4。

表4 輪胎的參數(shù)變化范圍表

圖10給出了Tire1、Tire2的55個(gè)模型樣本中整車(chē)全頻段噪聲響應(yīng)最差（max）、最好（min）與真實(shí)輪胎模型（base）仿真結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯?，兩款輪胎樣本對(duì)應(yīng)的響應(yīng)趨勢(shì)幾乎一致，Tire1輪胎樣本響應(yīng)差異主要體現(xiàn)在80～180 Hz頻率段，其中在83 Hz處響應(yīng)峰值差異達(dá)到了8.4 dB（A）；Tire2樣本輪胎響應(yīng)差異主要體現(xiàn)在66～180 Hz頻率段，其中在94 Hz處響應(yīng)峰值差異達(dá)到了7.2 dB（A）。80～180 Hz為兩款輪胎樣本噪聲均出現(xiàn)較大差異的頻率段，說(shuō)明在該頻率段下輪胎對(duì)于噪聲的影響較大，而其余頻段車(chē)本身的影響更大。因此，可以在設(shè)計(jì)早期針對(duì)車(chē)輛起主導(dǎo)作用的頻率段關(guān)鍵峰值點(diǎn)進(jìn)行診斷分析，排查明顯的NVH設(shè)計(jì)缺陷。振動(dòng)響應(yīng)整體影響較小，但3向加速度RMS值出現(xiàn)較大峰值差異。Tire1輪胎樣本中，方向盤(pán)12點(diǎn)在83 Hz差異達(dá)到了18.414 m/s2，座椅導(dǎo)軌右后安裝點(diǎn)則在83 Hz差異達(dá)到了1.595 m/s2。Tire2輪胎樣本中，方向盤(pán)12點(diǎn)在83 Hz差異達(dá)到了0.557 m/s2，座椅導(dǎo)軌右后安裝點(diǎn)在170 Hz差異達(dá)到了0.162 m/s2，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因與3.1節(jié)中所述類(lèi)似。

圖10 兩款樣本輪胎的路噪響應(yīng)

圖11給出了Tire1、Tire2全部樣本對(duì)應(yīng)的駕駛員外耳聲壓級(jí)、方向盤(pán)12點(diǎn)、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點(diǎn)3向加速度全頻段RMS值。圖中，橫坐標(biāo)為55個(gè)樣本編號(hào)，縱坐標(biāo)為每個(gè)樣本的噪聲、振動(dòng)響應(yīng)均方根值。

圖11 兩款輪胎55個(gè)樣本3向加速度、噪聲RMS值

可以看出，同款輪胎，不同的參數(shù)組合下，整車(chē)噪聲、加速度響應(yīng)均方根值差異較大，Tire1樣本中噪聲響應(yīng)均方根值最小達(dá)到50.4 dB（A），Tire2樣本中最小達(dá)到52.2 dB（A）。對(duì)于方向盤(pán)12點(diǎn)、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)均方根值，Tire1和Tire2最小分別可達(dá)到1.365 24 m/s2、1.446 28 m/s2，0.253 23 m/s2、0.242 94 m/s2。 由 此可見(jiàn)，在其他結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)確定的情況下，可以通過(guò)輪胎的參數(shù)優(yōu)化降低路面激勵(lì)對(duì)整車(chē)噪聲和振動(dòng)的影響。在下一步的研究中，將討論面向整車(chē)路噪性能提升的輪胎參數(shù)優(yōu)化方法，以便為車(chē)型開(kāi)發(fā)中輪胎的選型提供一定參考。

3 結(jié)論與展望

本文基于CDTire輪胎模型建立了完整的虛擬路面路噪仿真流程，探究了輪胎對(duì)于整車(chē)路面激勵(lì)振動(dòng)噪聲的影響。通過(guò)分析不同款輪胎及同款輪胎不同參數(shù)組合與整車(chē)路噪響應(yīng)的關(guān)系，可以在開(kāi)發(fā)早期針對(duì)車(chē)輛起主導(dǎo)作用的頻率段排查明顯的NVH設(shè)計(jì)缺陷。同時(shí)，基于CDTire的路噪仿真可以為車(chē)型開(kāi)發(fā)中選配輪胎提供方向指導(dǎo)，更好地保障車(chē)型的NVH性能。在下一步的研究中，將對(duì)大量輪胎進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，形成輪胎數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)還將探究面向整車(chē)路噪性能提升的輪胎參數(shù)優(yōu)化方法。