整車路噪性能提升的輪胎優化設計分析

張澤民 宋海龍 馬世濤

摘要：針對輪胎進行優化設計的最終目的是幫助提升整車路噪性能，其中針對輪胎的參數以及模型的基礎上進行優化設計，能夠獲得較為精準的數據。本文將從整車路噪性能提升的角度出發，過集成試驗場掃描所得路譜、CDTire輪胎模型和整車聲固耦合模型，建立了整車路噪仿真環境。采用當前發展較為超前的模型設計方式，在輪胎參數的技術上進行變量設計，對輪胎進行優化設計，提升其整體使用性能，幫助減少輪胎在行駛過程中產生的噪音問題，為廣大學者提供借鑒。

關鍵詞：路噪性能提升;輪胎優化設計;虛擬試車場技術

引言：隨著人們生活水平的不斷提升，使用汽車作為自己的出行工具已經成為一項十分常見的普及工具。汽車在行駛的過程種輪胎與地面摩擦所產生的噪音與駕駛者的心境有著很大的關系，同樣汽車的性能噪音、振動和舒適性（NVH）已經成為汽車生產企業不斷追求的性能指標。輪胎在這個過程中扮演者較為重要的角色，在行駛的過程中路面噪音對整車噪聲級的貢獻更為顯著。筆者通過調查研究發現，路噪性能、傳遞機理以及降噪技術能夠提升汽車用戶的使用感受，同時對于提升自己產品的整體性能也有較大的幫助。為了提升用戶的使用感受，國內多個學者在這一領域進行了大量的研究和實驗，利用參數和模型進行處理，能夠幫助較好的降低路噪。輪胎是汽車整體構造中不可缺少的一部分，作為與地面接觸時間最長的一個構造，在傳遞路徑上對路噪響應有非常重要的貢獻，本文將從汽車輪胎自身NVH的角度出發探討在輪胎優化設計的基礎上如何提升路噪性能，幫助整車減振降噪。

一、基于虛擬試驗場的整車路噪仿真方法

虛擬試驗場（VPG）是很多汽車生產廠家在進行技術開發和使用之前普遍使用的一種整車仿真軟件，VPG能夠對整車系統進行全部試驗，有著較為成熟和豐富的經驗，更加系統完整的進行仿真實驗[1]。檢測路噪性能主要采用的是NVH數字路譜、輪胎模型和整車聲固耦合模型，建立相應的虛擬試驗場進行實驗論證。

1.1NVH路譜建模

NVH路譜建模主要是在汽車整體性能比較的基礎上進行建立的，有較為直觀的感受，同時也是汽車仿真技術中最為常見的一種，前期的仿真模型建立可以幫助改善和提升整車性能。在建模之初，需要對路面進行激光掃描，得到相應的路面空間功率譜密度，將得到的參數作為后期建模的數據，有利于提升整體建模的精準度。

1.2基于 CDTire的輪胎建模

CDTire是一種基于經驗的輪胎模型，對于一個已經有實物的輪胎，給輪胎做各種各樣的實驗，通過仿真曲線和實驗曲線進行參數的對于，這些實驗數據和結果，使用軟件擬合得到一個輪胎模型，這個輪胎模型可以適用的范圍比較廣泛，根據實驗的不同擬合出來的輪胎也是不同的，但完備的實驗數據和結果，能夠得到多體動力學的輪胎模型。CDTire的輪胎建模具有較好的動力學特征，能夠幫助識別不同層次的聲腔模態，得出的實驗數據和差異并不大。

1.3整車聲固耦合建模

整車聲固耦合建模的最終目的是利用模型聲場和結構場之間相互作用的影響力而建立的一種模型，建模的過程中需要將汽車結構的組織內部振動與空腔流體介質耦合起來考慮耦合體統的模態參數，能夠幫助汽車建模和各個部件之間的數據分析提供更加精準的數據。結合本文需要建立相應的整體車身、動力系統、轉向系統、底盤系統以及其他系統之間的模型，將其整合在一起，進行耦合建模和數據分析。

1.4初始仿真結果與分析

通過以上的幾種建模方式和實際輪胎模型的建造，能夠體現出兩種參數之間輪胎模型的整車路面振動噪聲響應結果。得出同款輪胎的物理參數直接決定了該輪胎的力學性能， 輪胎的特性和使用性能直接影響到整車振動噪聲，它們之間的產生有著密不可分的聯系，是一個重要的影響因素。因此，在整車結構確定的情況下，可采用代理模型優化技術優化輪胎關鍵參數，幫助路噪性能得到較好的提升。

二、基于代理模型的近似優化方法

路噪性能在測試的過程中需要耗費一定的時間，模型的建立可以利用相應的規律、變量之間的關系或者是代理模型等進行優化設計，有利于提升優化設計的數據分析。

2.1最優拉丁超立方試驗設計方法

最優拉丁超立方試驗設計方法是一種分層采樣技術的具體體現，需要針對汽車代理模型的整體結構進行代碼編寫，然后從多元參數分布中近似隨機采樣的一種方法，能夠幫助解決汽車模型在構建的過程中產生的一些復雜的系統性問題，進行優化設計。最優拉丁超立方試驗方法的核心是采用LP偏差作為樣本點分布均勻性的評價準則，在此準則的引導下可搜尋出一組分布最為均勻的樣本點[2]。

2.2Kriging代理模型

Kriging代理模型在建立的過程中最主要的就是利用自變量和因變量之間的代表關系進行設計，具有局部估計的特點，利用相關函數的連續性和可導性能夠取得較好地參數分析和模型效果。Kriging能夠通過系統內部的某一個特定的構造定義整體，在很多的汽車模型構建中都有相應的使用。

2.3多島遺傳優化算法

使用多島遺傳優化算法對模型中各個系統參數進行優化，能夠將優化之后的數據應用于汽車的整體性研發，能夠有效地提升參數的精準度，具有好的參數意義和全局優化能力。

2.4邊界與最佳鄰域搜尋補點方法

在汽車模型部件模型構建的過程中，如果產生的參數或者是精準度不滿足要求的情況之下，可以采用補充樣本點更新代理模型重新執行優化。邊界與最佳鄰域搜尋補點方法能夠幫助更好的解決此類問題的發生，有助于快速得出數據，提升參數的精準度以及模型構建的速度。

2.5優化流程

優化的流程一般包含對于問題、目標、設計變量、初始樣本設計、整車路噪仿真、優化問題的解決方案等進行優化。

三、輪胎關鍵物理參數優化設計

通過以上的模型設計的參數等信息對CDTire輪胎模型進行優化設計，能夠有效的提升整車路噪性能。優化設計的要點包含橡膠剪切剛度、簾布層剛度、鋼絲層剛度、帶束層剛度、胎冠 x 與 y方向剪切剛度、輪胎 x 方向彎曲剛度、胎面質量、橡膠剪切阻尼九個重點參數要點進行優化設計[3]。設計變量的數據需要綜合考量駕駛員在行駛過程中對于汽車零部件的使用情況，觀察設計指標與最初的設計進行綜合，建立相應的數學模型。調整參數優化設計，保證參數與最初設計之間的誤差不能超過10%，提升結果的準確度。

結束語：本文主要從提升路噪性能的角度出發，并建立相應的汽車模型構建，通過數據優化等方向獲取模型數據，結合整車聲固耦合模型構建虛擬路面路噪仿真環境。在代理模型的近似優化方法的基礎上進行優化設計流程。讓汽車模型的構建能夠滿足要求，同時達到降噪的效果。

參考文獻

[1]高豐嶺， 吳淵， 卜曉兵，等. 基于整車路噪性能提升的輪胎優化設計[J]. 汽車工程， 43（1）：7.

[2]徐勁力， 潘青姑， 陳端瀅. 基于汽車NVH提升的傳動軸優化仿真分析與實驗驗證[J]. 汽車工程， 2018， 40（12）：95-102.

[3]張超， 田順， 劉卓凡. 輪胎/路面噪聲機理及其模型分析綜述[J]. 中國科技博覽（45）：1.