某車型輪胎高速均勻性與引起的異響問題分析

張浩，張光，羅挺，左躍云，黃帥

(東風汽車集團股份有限公司技術中心，武漢 430056）

輪胎噪聲是車輛行駛過程中輪胎和道路間相互作用產生的噪聲，其產生機理比較復雜，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、彈性振動噪聲和自激振動噪聲等，間接噪聲是輪胎直接或間接成為激勵源，振動傳遞至車身產生的噪聲[1]。輪胎噪聲是車輛噪聲的主要來源之一，對整車乘坐舒適性具有重要影響，在中高速行駛時更為明顯[2]。

研究表明，輪胎徑向力波動（RFV）和空腔模態對輪胎振動噪聲具有重要影響。文獻[3]對汽車垂向振動響應進行了研究，發現輪胎徑向尺寸不均勻性是重要影響因素。文獻[4]通過在實驗室進行輪胎均勻性試驗，分析了輪胎噪聲和均勻性的關系，指出徑向跳動是引起輪胎噪聲異常的主要原因。文獻[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下，輪胎和輪轂之間的氣體振動頻率與輪胎結構振動頻率一致時產生[6]。文獻[7]對輪胎自由狀態和接地狀態下的空腔固有頻率進行了計算，文獻[8]并提出了通過橢圓形輪圈來降低輪胎噪聲的改進方法并加以驗證。目前研究主要針對輪胎空腔噪聲的產生機理、數值分析和改善方法，通過對輪胎的胎面硬度、結構剛度和傳遞路徑等參數來達到改善噪聲的目的[8-11]。針對高速下輪胎徑向力波動（RFV）16次與輪胎空腔共振引起的輪胎噪聲研究還較少。

本文針對某車型高速行駛時出現的異響問題，通過主觀評價和振動噪聲測試，確認異響是由于輪心徑向16階振動在高速時偏高導致。結合輪胎RFV臺架測試和輪胎空腔固有頻率分析表明，輪胎RFV H16超標，與輪胎空腔共振產生了異常輪胎噪聲。通過對輪胎生產工藝進行提升，改善后的輪胎RFV明顯降低，整車道路下無異常輪胎噪聲，為高速工況下的輪胎異常噪聲控制提供一定的參考。

1 問題描述

某車型在開發過程中，部分車輛在中高速下（60 km/h～120 km/h）行駛時車內出現持續性的嗡嗡異響，并伴有車身抖動。通過主觀評價，發現車輛在某特定車速下出現“嗡嗡”異響，與車速（車輪轉速）相關，與檔位和油門開度等因素無關，結合經驗主觀判斷為傳動系統、輪胎等旋轉件的激勵導致。

為進一步明確異響源，在平直的光滑瀝青路上，利用LMS Test.Lab測試了異響車駕駛員內耳噪聲，左前輪心、三角臂安裝點、前減振器安裝點、地板和座椅的振動數據。試驗在1/4油門開度下進行，得到60 km/h～120 km/h車內噪聲結果如圖1所示。輪心振動結果如圖2（左至右依次為X、Y、Z三向）所示。

圖1 加速工況下車內噪聲測試結果

通過數據分析，發現車內噪聲和輪心徑向振動（X和Z向）均在185 Hz和210 Hz附近存在明顯共振帶。該車型輪胎規格為225/60R18，可以從圖2看出，輪心徑向振動存在車輪轉速的16階峰值，隨著車速上升，先后分別與185 Hz和210 Hz（對應車速分別為95 km/h和110 km/h）共振帶耦合產生明顯峰值，同時車內噪聲也出現該階次峰值。其它振動測點結果與輪心振動結果一致，均在185 Hz和210 Hz附近明顯偏高。

圖2 加速工況下輪心振動測試結果

2 異響源識別

2.1 勻速工況試驗

由于車輛在95 km/h和110 km/h附近出現了明顯的異響，且主觀評價110 km/h時更為明顯，本文利用異響車（后稱A車）和無異響車（后稱B車），在同一路面分別進行了110 km/h下的勻速試驗（兩車輪胎裝配前均已進行動平衡試驗檢查）。

兩車輪心振動數據處理后的結果分別如圖3和圖4所示，可以看出兩車輪心徑向振動均在185 Hz和210 Hz出現了明顯峰值，但A車幅值明顯大于B車，其中210 Hz尤為明顯，頻率對應為輪胎旋轉的16階次。

圖3 A車勻速工況下輪心振動測試結果

圖4 B車勻速工況下輪心振動測試結果

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

圖5 A車110 km/h時各點振動測試結果

圖6 B車110 km/h時各點振動測試結果

表1為A車與B車在輪心、三角臂安裝點和減振器安裝點的振動對比，可以看出，同一位置上A車的振動均大于B車。通過數據分析表明A車輪心振動異常為源頭，并導致傳遞路徑上也出現振動偏高的問題。

表1 A車與B車各測點對比

綜上信息，判斷A車異響為輪胎RFV H16值偏大，高速時在210 Hz與輪胎空腔共振從而引起異常噪聲，后續將從輪胎RFV和空腔模態兩個方面進行驗證。

2.2 輪胎RFV檢測

輪胎RFV對車輛高速行駛時的振動噪聲影響較大，與輪胎均勻性相關，主要受質量、剛度和尺寸3個因素相關，涉及胎面厚度、簾線密度不均勻、生產制造工藝等多因素的影響[3，12]。

輪胎的RFV在生產過程中不容易控制，偏大會加劇汽車的振動。對于不均勻的輪胎，其徑向力波動隨輪胎轉動圈數呈周期性變化，可以展開成傅里葉三角級數進行諧波分析，各諧階量對汽車垂向振動有顯著的影響[12]。

輪胎質量不均勻可通過輪胎動平衡進行控制，尺寸和剛度的均勻性通過均勻性檢測設備進行檢測，可分為低速均勻性和高速均勻性檢測。車輪轉動過程中，其徑向力波動階次和頻率關系如下[13]：

式中：f為不平衡激勵頻率，n為階次，v為車速，r為輪胎半徑。

試驗結果表明，輪胎異常振動噪聲與輪胎RFV H16相關。由于輪胎轉速對RFV諧波有重要影響[14],本文測試了A車和B車輪胎不同速度下的RFV值，其中低速下的RFV測試結果如圖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，未發現明顯差異。

圖7 低速工況下A車輪胎RFV檢測結果

高速狀態下測試了兩車輪胎在50 km/h～95 km/h的RFV結果，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值遠大于無異響輪胎，同時H16值隨著轉速升高明顯增加，但H8值與轉速上升無明顯規律。

圖8 A車輪胎高速工況下RFV檢測結果

圖9 B車輪胎高速工況下RFV檢測結果

輪胎RFV檢測說明A車異響與輪胎高速下RFV 16H偏高有重要關系，需要重點監測輪胎在高速下的RFV值。

2.3 輪胎空腔模態

（1）輪胎自由空腔模態

輪胎內存在封閉的環形空氣，自由狀態下，其模態頻率主要受輪胎中心周長和內部氣體介質的影響，可通過理論公式計算、仿真和試驗得到。輪胎第i階自由空腔模態固有頻率可按照公式（2）進行計算[7]。

式中：c為聲音在輪胎空腔介質中的傳播速度，l為輪胎空腔中心周長。

A車輪胎規格為225/60R18，通過式（2）計算自由狀態下空腔模態為193 Hz。試驗時將輪胎充氣至標準氣壓，用彈性繩懸吊模擬自由狀態，測得空腔模態頻率為197 Hz。

仿真時，在HyperMesh中建立該輪胎空腔的有限元模型，網格單元基本尺寸采用10 mm。通過仿真計算輪胎自由狀態下空腔模態結果為188 Hz，與理論計算和試驗所得結果基本一致。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

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

圖10 輪胎空腔有限元模型及模態振興圖

式中：m為接地狀態下輪胎截面積與自由狀態截面積之比，lp為輪胎接地長度。

本文根據輪胎所受載荷，引入輪胎裝車狀態下變形量，建立對應的接地仿真模型，計算得到空腔模態仿真結果為185 Hz和191 Hz，與按照式（3）計算得到的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。試驗以車輛正常停放狀態進行，測試結果為191 Hz和198 Hz。

圖11 輪胎接地狀態空腔模態振型

（3）輪胎滾動空腔模態

輪胎滾動時，多普勒效應會使輪胎空腔模態頻率產生變化，其1階固有頻率可按照公式（4）進行計算[7]。

式中：v為車輛行駛速度，L為輪胎外周長。

按照式（4）計算和試驗得到110 km/h的輪胎空腔模態結果如表2所示，兩者誤差較小。可以看出，該車型輪胎在110 km/h時存在185 Hz和210 Hz兩個空腔模態。

表2 輪胎各狀態下空腔模態

通過上述分析表明，由于前期未對輪胎高速下RFV值進行管控，導致部分輪胎（如A車）在高速下的RFV H16值偏大，與輪胎空腔共振導致車內出現異常噪聲。因A車型輪胎結構尺寸已經確定，需要對輪胎高速下的RFV值進行重點控制和監測。

3 問題驗證

該車型輪胎胎面成型模具為8等寬拼接而成，生產工藝導致輪胎的H8和H16成分明顯高于其它階次。通過輪胎模具及設備精度提升，硫化工藝改善，胎面和胎側壓出斷面穩定性提升等措施，有效改善了輪胎RFV的H8和H16成分。同時，設定了低速和高速下的RFV檢測目標值（企業保密）進行監控，95 km/h下輪胎RFV改善前后對比結果如表3所示。

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

圖12 改善后輪胎110 km/h輪心振動測試結果

表3 輪胎RFV改善前后對比

4 結語

本文針對某車型高速輪胎異常噪聲，通過試驗發現輪心徑向振動的16階偏高是主要原因。進一步分析得到，輪胎高速RFV H16偏大，與空腔模態共振導致車內異常噪聲。

（1）輪胎空腔固有頻率在自由狀態下為一個峰值，在滾動狀態下會出現兩個峰值。

（2）高速下，輪胎RFV H16值與輪胎空腔模態一致時會產生共振，造成整車異常振動和噪聲。

（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降低車輛振動噪聲具有重要意義。