汽車輪胎空腔模態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.承德石油高等專科學校汽車工程系，河北承德 067000)

0 引言

伴隨我國新能源汽車的快速發展，電動汽車將逐漸取代傳統燃油汽車，發動機噪聲、傳動系統噪聲、進排氣系統噪聲將不復存在，路面和輪胎引起的振動噪聲將成為當前汽車NVH性能開發最重要的課題。輪胎空腔噪聲是路面-輪胎噪聲的一項主要關注項，由此成為汽車NVH開發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，引起輪胎空腔模態共振并與輪輞耦合后通過車軸和車身部件的傳遞導致車內噪聲，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，輪胎空腔模態是誘發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的響應，即可消除輪胎空腔噪聲，故本文作者通過闡述輪胎空腔模態的獲取方法，研究輪胎空腔模態的影響因素，為輪胎空腔噪聲的控制及性能提升提供參考。

1 輪胎空腔模態獲取方法

輪胎空腔模態是由輪胎空腔結構尺寸決定的，一般在180～230 Hz之間，小型SUV輪胎空腔模態在210 Hz附近、中型SUV輪胎空腔模態在200 Hz附近、大型SUV輪胎空腔模態在190 Hz以下。輪胎空腔模態獲取方法通常分為3種：經驗公式法、仿真分析法、試驗測量法。

1.1 經驗公式法

輪胎空腔模態分自由狀態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，一般采用各種經驗公式進行描述，這里介紹自由狀態下輪胎空腔模態計算模型。輪胎內的空氣可視為圓環狀，如圖2所示。

圖2 輪胎空腔模態計算模型

空腔模態計算公式[1-2]為

Fi=i·c/L=i·c/2πR

(1)

式中：Fi為第i階輪胎空腔模態；c為輪胎內聲音傳播速度(通常計算采用340 m/s，也可以根據聲速與溫度的經驗公式計算c=331.4+0.6t，其中t為溫度)；L為輪胎空腔周長(通常可采用2/3法計算)；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，進行模態分析即可(基本當前通用的軟件都可以完成)，主要表現為左右變形模態和上下變形模態，通常情況下進行自由狀態和變形狀態兩種工況模態分析。

在自由狀態工況下，由于輪胎圓周方向均勻，其左右變形模態和上下變形模態頻率接近，模態振型如圖3所示。在變形狀態下，由于輪胎圓周方向不均勻，其左右變形模態和上下變形模態分散，且表現為先出現左右變形模態，再出現上下變形模態，模態振型如圖4所示。由于汽車行駛過程中輪胎變形，故在實際工程應用中采用變形狀態仿真分析居多。

圖3 輪胎自由狀態空腔模態仿真分析振型

圖4 輪胎變形狀態空腔模態仿真分析振型

1.3 試驗測量法

由于輪胎空腔為閉合狀態，試驗測量法直接獲得輪胎空腔模態比較困難，一般基于輪胎胎面至軸頭的傳遞函數來識別空腔模態。試驗測量法包括整車狀態和臺架狀態，其中整車狀態包含未變形狀態和變形狀態如圖5(a)所示，臺架狀態包含自由懸掛狀態、約束未變形狀態和約束變形狀態如圖5(b)所示，輪胎傳遞函數測試的各種狀態都可以識別空腔模態。

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

圖5 輪胎傳遞函數試驗示意

圖6 輪胎傳遞函數

1.4 3種方法精度對比

基于某款SUV車型235/55R20輪胎，通過3種方法計算輪胎空腔模態結果見表1。由表1可知，經驗公式法和仿真分析法與試驗測量法都比較接近，具備一定的參考意義。

表1 3種方法獲取的輪胎空腔模態

2 輪胎空腔模態的影響因素

基于經驗公式(1)可知，輪胎空腔模態與R(空腔半徑)和c(不同氣體介質中聲音傳播速度)有關，R與輪胎結構尺寸和輪胎變形量有關，c與輪胎氣體類型、壓力等有關[4]。

2.1 輪胎結構尺寸的影響

輪胎結構尺寸是決定輪胎空腔模態的根本因素。如圖7所示，整體趨勢顯示為輪胎尺寸越大，其輪胎空腔模態越小。由于輪胎型號差異化太大，有時會出現大尺寸輪胎模態與小尺寸輪胎模態接近，甚至超過小尺寸輪胎模態，但差距不會太大。

圖7 不同尺寸輪胎模態分布

2.2 輪胎變形量的影響

基于第1.3節中闡述的輪胎變形量對模態的影響，輪胎未變形則模態集中，輪胎變形則模態分散。伴隨輪胎變形量的增大，輪胎左右模態和上下模態逐步分散(且更多表現為左右模態頻率的前移)，最大可以達到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，故會導致輪胎空腔模態不同；輪胎采用惰性氣體，輪胎空腔模態靈敏度會降低。通常在輪胎充氣也會采用氮氣、氦氣等比較穩定的氣體，圖8為空氣輪胎和氦氣輪胎(不是純氦氣)車內噪聲對比，可以看出空氣輪胎空腔模態在200 Hz附近，而氦氣輪胎空腔模態后移至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是空氣輪胎的3倍左右，但日常中不會采用純氦氣，會采用混合氦氣，其聲速會大大降低，所以出現圖8的現象。

圖8 空氣輪胎和氦氣輪胎車內噪聲對比

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，針對某款車型輪胎進行不同胎壓傳遞函數驗證，如圖9所示。輪胎空腔模態隨著胎壓降低逐漸降低，但降低幅度在2 Hz之內，可以認為維持不變，如圖10所示。

圖9 不同胎壓傳遞函數對比

圖10 不同胎壓輪胎空腔模態分布

輪胎空腔模態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靈敏度分布

3 結論

通過經驗公式法、仿真分析法、試驗測量法3種方法計算輪胎空腔模態得到了比較接近的結果，同時通過分析得到了影響輪胎空腔模態的因素及變化規律，為汽車NVH開發工程師的研發工作提供參考，其結論如下：

(1)輪胎空腔模態是路面-輪胎噪聲的主要成分，由路面激勵輪胎空腔模態共振引起，以結構噪聲傳遞為主；

(2)輪胎空腔模態振型主要包括左右模態和上下模態。輪胎左右模態出現在先，上下模態出現在后，當輪胎未變形時，左右模態和上下模態集中，當輪胎變形時，左右模態和上下模態分散；

(3)輪胎空腔模態伴隨輪胎結構尺寸增大而降低；

(4)輪胎空腔模態伴隨輪胎變形量加大而左右模態和上下模態分散；

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

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