汽車設計中輪胎低溫大轉向角工況粘滑噪音分析研究

于東海，陳川，琚學振

（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開發部具有豐富的研發經驗，產品線齊全，成功研發寶來、高爾夫、速騰、邁騰等多款車型，深受消費者喜愛與認可。在車型A（保密車型）開發試驗中，我們發現冬季低溫條件（-5℃以下）以及大轉向角工況下夏季輪胎產生粘滑噪音，更改胎壓后該噪音仍然存在，但行駛一段時間后，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，查閱相關技術資料與文章，內部研討，并與多家輪胎廠和汽車廠商溝通交流相關問題，均缺乏經驗與分析能力。由此可得出，在汽車設計開發和輪胎開發中，缺乏輪胎粘滑噪音分析經驗與能力。該課題研究，對汽車設計具有較高參考價值。因此，我們成立專項研發團隊，系統研究分析輪胎粘滑噪音，改善汽車設計中該領域經驗空白現狀。

針對該問題，我們團隊開展頭腦風暴，利用思維導圖工具，基于豐富的設計研發經驗，詳細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比分析、阿克曼角與轉向結構、建模分析、整車試驗與臺架試驗。找到問題真正原因，為汽車行業提供寶貴經驗，優化輪胎粘滑噪音，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別為胎面花紋與配方不同。花紋方面：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。不同的胎面配方產生不同的物性，如下圖1所示（實測值），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。夏季輪胎在車型A產生粘滑噪音，冬季輪胎則沒有該噪音，對比分析可看出，輪胎開發時，可以從花紋和配方兩個方向優化改善粘滑噪音。

1.2 阿克曼角與轉向結構

阿克曼角是指車輛轉向車輪作純滾動時內外車輪之間的夾角，非轉向角，是一種理想工況。阿克曼角較大，汽車在過彎的時候更穩定，偏操控的車輛一般阿克曼角較大。但由于轉向梯形的存在，車輪實際轉角差與阿克曼角肯定存在偏差[1]，一般來說轉向角越大該偏差越大，導致輪胎越難通過自身變形保持純滾動狀態。尤其在冬季低溫且大轉向角工況下，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，純滾動的靜摩擦變為動摩擦，此過程循環導致產生輪胎粘滑噪音。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。因為冬季輪胎即使 在低溫工況下，胎面剛性也較小，所以，不需要熱車，也不會產生粘滑噪音，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 實際轉角差與阿克曼角的偏差

在車輛開發中，可通過優化調整底盤零件結構，優化轉向梯形，減少實際轉角差與阿克曼角的偏差，改善輪胎粘滑噪音。以車型A轉向結構為例，可通過三方面減少該偏差：①轉向機沿X軸向后移動；②轉向外拉桿沿Y軸向外移動；③轉向節沿Y軸向內移動。但調整后需重新進行底盤干涉分析、仿真、測試與匹配，達到最優效果。

圖3 車型A轉向結構

1.3 建模分析

參考輪胎行業經典的刷子模型[2]，在輪胎粘滑噪音工況下，實際轉角差與阿克曼角的偏差可看作輪胎側偏角α[3]，受力情況可簡化為線性段受力工況，可推導出輪胎保持純滾動時的最小側向力Fy：

其中c為修正系數，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），實際轉角差與阿克曼角的偏差越大，輪胎保持純滾動需要的最小側向力越大，輪胎越容易產生粘滑噪音。

2 輪胎粘滑噪音試驗研究

2.1 整車試驗

為了更準確全面分析輪胎粘滑噪音，測試組籌備了一臺試驗車車型A（保密車型），以及車輪輪胎，并購買溫度槍（型號Testo845，量程為-35℃至+950℃，精度為0.1℃）。制定測試路線與試驗規范，在冬季不同溫度條件下進行大量測試。每次試驗前車輛A在冬季室外存放一晚上后，早上冷啟動車輛，模擬用戶行駛800 m，然后在最大轉向角下測試輪胎粘滑噪音，此工況實際轉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，否則繼續循環測試，測試結果如圖4所示：

圖4 整車測試結果

由測試結果可看出，在確定的實際轉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，溫度越低，噪音越嚴重，環境溫度越低，需行駛更長的里程消除噪音，試驗結果與理論分析相符。

2.2 臺架試驗

為進一步試驗分析輪胎粘滑噪音，測試組籌備規格為235/55 R19 101 T夏季輪胎與冬季輪胎若干條，并申請試驗資源：恒溫加載試驗機和輪胎六分力試驗機。開展大量測試工作，測試前將輪胎放入恒溫加載試驗機中，冷卻到設定的溫度，充分冷卻后，迅速將輪胎加載到六分力試驗機，側偏角設置為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了輪胎粘滑噪音，冬季輪胎測試中沒有發現該噪音，與實車測試結果一致。試驗結果如下圖5所示，在胎面溫度約-2.9℃，側偏角為5.63°時產生該噪音。整車測試時，胎面溫度-5℃，實際轉角差與阿克曼角的偏差為5.63°時產生該噪音。考慮到整車試驗與臺架試驗工況不可能完全一致，可認為臺架試驗與整車試驗結果符合度較高。側面證明理論分析的正確性，以及影響輪胎粘滑噪音的三個重要因素：輪胎類型、胎面溫度、實際轉角差與阿克曼角的偏差[5]。

圖5 夏季輪胎臺架測試結果

3 結語

在汽車設計和輪胎開發中，缺乏對輪胎黏滑噪音系統分析與研究。本文從汽車開發的角度，闡明輪胎粘滑噪音產生的機理，排除較多干擾因素，明確影響輪胎粘滑噪音三個重要因素，即輪胎種類、胎面溫度、實際轉角差與阿克曼角的偏差，并逐一分析研究。加深了對輪胎粘滑噪音認識，彌補了汽車設計中輪胎粘滑噪音的研究空白，為汽車開發中改善粘滑噪音提供方向與建議，具有較大參考價值。