輪輞的動剛度對汽車路噪的影響

孟慶栢，岳東鵬

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

路噪在汽車噪聲中是常見問題，也是各大汽車廠商不斷優化的重點。對于轎車，結構傳播噪聲主要頻率范圍一般是幾十赫茲至幾百赫茲，甚至更高[1]。路面材料的不同對汽車路噪影響很大[2]，本文對此不再探討，只探討車輛本身的原因。輪輞側向動剛度是形容輪輞側向抵抗形變的能力，側向剛度越大，抵抗變形能力越強。在車輪傳遞特性中，輪輞側向動剛度是其重要指標之一，輪輞的側向動剛度的大小在輪胎的隔振性能中起到決定性的作用，并且在結構噪聲的傳遞路徑上有明顯的影響，進而影響到整車噪聲[3]。李劍喬[4]運用軟件的模態分析模塊，得到整車的固有頻率和振型仿真模擬，通過對結果的分析，了解輪輞結構的固有頻率的改變能夠有效避開各種激勵頻率，避免產生共振導致輪輞失效。過學迅等[5]對汽車車內發出噪聲的原理、規則和傳統解決方法進行了敘述。本文以某型電動汽車為參考，對其道路噪聲進行優化。原車采用五輻鏤空輪轂，以60 km/h車速行駛在光滑路面時，明顯感受到車內道路噪聲。對原車輪轂進行摸底試驗，所得結果沒有達標，并且主觀評價較差，所以從根源處對其進行優化，對原車輪輞進行重新設計，將其改為鏤空面積少的輪輞[6]，然后對其進行仿真分析，模態敲擊驗證，最后進行道路測試和模態仿真對比，以驗證側向動剛度高的輪輞能否有效地減少車內噪聲。

1 噪聲測試

1.1 電動汽車路噪測試

汽車的噪聲、振動和聲振粗糙度NVH（noise、vibration、harshness）是衡量汽車制造質量的一個綜合性指標。研究車輛的NVH是否達標，首先要對車輛進行路噪摸底測試。通常情況下，研究車內噪聲是否達標，需要收集車內噪聲并將收集到的噪聲進行A計權處理，通過數據和專家的主觀評價來判斷車內噪聲是否達標。在音頻測量中，A計權在數學圖像中表現為標準的權重曲線，人耳的響應特性通常通過A計權來描述，其英文為A-Weighted。在A計權中通常用聲壓電平來描述，稱為A計權dB電平，其單位用dB（A）表示。A計權是噪聲的單值評價指標，在聲音測試中被廣泛采用，可以通過聲級計測量得到。

本研究對電動汽車進行傳感器布置，在車輛左前車輪軸頭處布置振動傳感器，車內對主駕駛布置內耳麥克風，右后排乘客布置內耳麥克風。評審專家坐在車輛后排右側來對車內噪聲進行評判。測試軟件為testlab，前端為LMS，對車輛進行60 km/h的光滑路進行路試，得到如圖1所示的樣車主駕駛內耳頻率聲壓級曲線，以及圖2所示的左前輪軸頭振動頻率加速度曲線。

圖1 原狀態主駕駛內耳頻率聲壓級曲線

圖2 原狀態左前輪軸頭振動頻率加速度曲線

通過軟件分析數據得出，軸頭位置z向振動為1.39 m/s2，車內主駕駛內耳噪聲達到42.40 dB（A），專業評審員對乘坐舒適感的評價分數為5分（總分10分），車內噪聲明顯，故需要對路噪進行優化。

1.2 原車輪輞模態測試

從路噪的產生過程對噪聲源頭進行問題排查，路噪是車輛運動時路面的激勵導致的結構噪聲，首先作用到輪胎上，然后通過車輪上的輪輞傳遞到輪輻，進而通過懸架傳遞到車內[8]。輪輻和輪輞之間的傳遞特性是整條傳遞路徑的重要一環，車輪側向動剛度是描述車輪側向抵抗形變的能力，側向剛度越大，抗變形能力越強。車輪側向剛度可以作為車輪傳遞特性重要指標之一，其大小能有效決定輪胎的隔振性能，同時影響結構噪聲傳遞路徑，進而影響到整車噪聲，所以需對車輛原狀態輪輞進行動剛度測試。

參照GMW14876-2014標準[9]，輪輞中心布置2個振動傳感器，運用testlab軟件里的impact Testing模塊和LMS前端對該車原狀態輪輞進行動剛度測試。在輪緣和輪心的位置布置振動傳感器如圖3所示，對輪心進行力錘敲擊。

圖3 振動傳感器的布置

輪轂側邊方向的最大模態頻率為375 Hz。由文獻中推導的車輪側向動剛度表達式為

式中：M為車輪總質量；f1為輪心位置原點頻響曲線共振峰頻率；f2為反共振峰頻率。

原狀態輪輞側向動剛度測試數據分析結果如圖4所示。

多目標模擬退火(Multi-object simulated Annealing, MOSA)算法作為一種適合解決大規模組合優化問題的啟發式算法，能快速有效地得到近似最優解或滿意解，在調度優化方面得到了廣泛應用[14]。面向廣義能耗的調度優化是一個多約束、多變量、高維度的NP-hard問題，本文針對面向廣義能耗的柔性作業車間調度優化問題的特點，對算法的關鍵步驟進行了設計，MOSA算法流程如圖1所示。

圖4 原狀態輪輞側向動剛度測試數據圖

經計算，動剛度為47.43 kN/mm，但實際要求輪轂的側向動剛度不小于50 kN/mm，此輪轂不達標，需要對其進行優化。

2 輪輞優化仿真試驗

針對輪輞進行優化，目的是提高輪輞的動剛度，將鏤空面積大的五輻輪轂優化成鏤空面積小的三輻輪轂[10-11]。

利用Solidworks對三輻輪轂建立三維有限元模型，制造方法為低壓鑄造，汽車輪轂材料為7050-T7451，設置其彈性模量為70 GPa，泊松比為0.33，密度為2 700 kg/m3[12]。優化前后的輪轂如圖5所示，將優化后的輪轂進行簡化建模，簡化后的模型如圖6所示。

圖5 輪轂

圖6 優化后的輪轂模型

在Solidworks的Simulation模塊對模型進行側向動剛度仿真，將輪輞的5個螺栓孔完全固定，在輪輞的輪心邊緣處施加單位振動激勵，仿真結果得出該輪輞的側向動剛度為67.1 kN/mm，超出預期效果。

3 優化前后的輪輞模態分析

3.1 模態分析理論

模態分析亦稱為自由振動分析，主要適用于判斷結構和各種機械零配件的自由振動性質（固有頻率及振型），受到不變載荷的作用而產生應力的作用下，結構會直接影響固有的頻率，尤其適用于固有的頻率在某1個或2個尺度上很薄弱的結構，因此在某些條件下執行模態分析可能會遇到的問題[13]。而汽車輪轂是連接制動系統和傳動系統的重要零部件，同時在汽車上產生的振動也會連接部件傳遞到輪轂上，所以在對輪輞進行設計時，對其進行預應力模態分析是很重要的一個環節，用來判斷其固有頻率是否與其他部件的固有頻率重合，以免發生共振現象，使輪轂失效，從而被破壞[14]。靜力結構分析作為預應力分析的首要環節，需要在分析之初進行分析，其計算式為

得出應力剛度矩陣，在計算結構分析中得以應用（[σ0]→[S]），進而得出新的模態方程

式（3）即為存在預應力的模態分析公式，由此得出振動頻率ωi和模態φi。

3.2 模態分析與計算

測試結構動態特性時經常運用模態分析方法，將測試的結果進行分析，然后對結構進行優化。為了使結構件不與其他部件發生共振現象導致其損壞失效[15]，在汽車輪轂的實踐和使用中，輪轂是通過螺栓固定在法蘭盤上，故要對所有的螺紋孔都進行完整的位移和約束。在對輪轂進行預應力模態分析時，為了充分考慮到輪轂受到載荷作用下對結構剛度的影響，在ABAQUS有限元靜力學分析中添加頻率分析，即可準確地計算出汽車輪轂的各階振動、頻率和最大變形量。

3.3 結果分析

計算模態振型前五階，得到相應振型圖如圖7—圖11所示。相對應的固有頻率如表1所示。從圖7—11可知，一階振型為上、下振動，二階振型為左右振動，三、四階振型主要為扭振，五階振型為前后振動。

表1 優化前后輪轂在不同階次的固有頻率

圖7 優化前后輪輞一階模態振型圖

圖11 優化前后輪輞五階模態振型圖

圖8 優化前后輪輞二階模態振型圖

圖9 優化前后輪輞三階模態振型圖

圖10 優化前后輪輞四階模態振型圖

對比優化前后輪輞的振型可知，隨著輪輞動剛度的提高，對應階次的固有頻率也隨之提高。優化后的輪輞每階振動頻率高于原狀態輪輞。路噪的頻率范圍主要集中在20～300 Hz，原狀態輪輞前四階段頻率均在300 Hz內，優化后只有前三階的固有頻率在300 Hz以內，減少了輪輞在行駛過程中產生共振的幾率。

4 優化后輪轂的測試

4.1 剛度測試

運用testlab軟件中impact Testing模塊和LMS前端對該車三輻輪轂進行動剛度測試。在輪緣和輪心的位置布置振動傳感器如圖12所示。對輪心進行力錘敲擊，測試結果如圖13所示。

圖12 輪轂背面傳感器布置

圖13 優化后的輪輞側向動剛度測試數據

從圖13可以看出，在輪轂的側邊方向其最大模態頻率為445 Hz。通過公式計算得出動剛度為56.76 kN/mm，結果達到設計要求。

4.2 道路測試

將該車換上優化后的輪輞進行60 km/h光滑路測試。對時域測試數據進行傅里葉變換，并進行A計權。得到如圖14所示的該車優化后主駕駛內耳頻率聲壓級曲線，以及圖15所示的左前輪軸頭振動頻率加速度曲線。駕駛員內耳噪聲為41.70 dB（A），左軸頭振動為1.21 m/s2。相較五輻輪轂軸頭處的振動降低0.18 m/s2，降低了12.9%，并且車內噪聲減小了0.7 dB（A），降低了1.7%。通過數據的對比分析，證實了優化方案的可行性。

圖14 優化后主駕駛內耳頻率聲壓級曲線

圖15 左前輪軸頭振動頻率加速度曲線

5 結論

本文通過仿真輪輞的模態分析和測試輪輞的動剛度對輪輞進行優化，得出結論如下：

（1）以某電動汽車的鋁合金輪轂為研究對象，利用Solidworks進行三維建模，并導入ABAQUS中進行模態分析，求解出優化前和優化后的前五階模態振型圖，驗證了優化后的輪輞在路噪頻段內減少了共振。

（2）在0～300 Hz頻段內，車輪的側向動剛度越大，車內噪聲改善越明顯。

（3）車輪輞側向動剛度仿真與實際測量結果基本保持一致，可以證明仿真輪輞側向動剛度的可靠性。

（4）在0～300 Hz頻段內，根據輪輞的模態振型可以推斷出輪輞側向動剛度的大小以及對車內噪聲的影響。