基于田口理論分析的輪胎結(jié)構(gòu)因子對(duì)空腔噪聲的影響

劉 坤，王 君，崔宗老，張 勇，李金明，蘇國(guó)慶

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

輪胎結(jié)構(gòu)受路面激勵(lì)與內(nèi)部空腔空氣振動(dòng)耦合產(chǎn)生共振，傳遞到駕駛室內(nèi)形成頻率范圍為200～250 Hz，令人難以忍受的低頻嗡嗡聲，被稱(chēng)為空腔噪聲，是路面結(jié)構(gòu)噪聲的主要成分之一。隨著新能源汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，輪胎空腔噪聲逐漸成為影響車(chē)輛噪聲和振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能的主要難題。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于NVH問(wèn)題的研究。于學(xué)華[1]研究表明，輪胎空腔斷面變化率越大，越有利于降低空腔共振噪聲。S.R.KIM等[2]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，尺寸相同的輪胎，其空腔噪聲很大程度上取決于胎面曲率。石宇鵬等[3-4]研究表明，在輪胎內(nèi)腔貼吸音棉和在腔體內(nèi)充氦氣等惰性氣體可有效降低空腔噪聲。耿聰聰?shù)萚5]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高速條件下輪胎16階模態(tài)與空腔模態(tài)產(chǎn)生了耦合。

本工作從輪胎內(nèi)部體積、質(zhì)量和各部位剛性變化等角度思考，基于田口設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法確定研究方案，采用半消聲室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓模擬測(cè)試室外主觀評(píng)價(jià)空腔噪聲的方法得出試驗(yàn)結(jié)果，確定最優(yōu)方案及相關(guān)結(jié)構(gòu)因子水平以改善空腔噪聲。同時(shí)研究輪胎結(jié)構(gòu)因子水平對(duì)空腔噪聲的差異影響、空腔噪聲顯著性影響結(jié)構(gòu)因子水平以及各結(jié)構(gòu)因子水平變化導(dǎo)致的空腔噪聲變化趨勢(shì)。

1 影響因子以及水平的確定

利用假設(shè)與檢驗(yàn)的思路，設(shè)定可能影響輪胎空腔噪聲的5個(gè)主要結(jié)構(gòu)因子分別為模具、帶束層角度、三角膠高度、胎面厚度和胎側(cè)厚度，每個(gè)因子取兩種水平。各結(jié)構(gòu)因子水平如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)因子水平

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)改變模具外形設(shè)計(jì)因素來(lái)抑制空腔噪聲，重點(diǎn)優(yōu)化胎面兩段弧的曲率半徑和胎側(cè)及胎圈部位輪廓。模具因子水平設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，其輪廓對(duì)比如圖1所示。

圖1 模具因子兩水平輪廓對(duì)比

表2 模具因子水平設(shè)計(jì)參數(shù)

2 田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)影響因子和水平，確定田口試驗(yàn)為5因子2水平，使用L8（25）正交表，見(jiàn)表3。

表3 田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)各因子水平表

由于在實(shí)際研究過(guò)程中各因子的交互作用不易解決，因此本工作重點(diǎn)研究每個(gè)因子水平的均值主效應(yīng)的影響、影響的顯著性及變化趨勢(shì)，不分析因子間的交互作用影響。

3 測(cè)試方法

在主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中，空腔噪聲是車(chē)輛行駛過(guò)程中的特定速度下出現(xiàn)的峰值噪聲，并且峰值對(duì)應(yīng)的速度和頻率區(qū)間都較狹小，再加上路面等原因，有時(shí)表現(xiàn)不連續(xù)，因而不易被感知。但在中等勻加速或勻減速工況下，至某一特定速度時(shí)會(huì)出現(xiàn)較為清晰的空腔噪聲，這種狀態(tài)的空腔噪聲容易被評(píng)價(jià)工程師所察覺(jué)。由于評(píng)價(jià)要涵蓋大部分輪胎規(guī)格、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、路面等狀況，因此工程師選擇研究空腔噪聲峰值對(duì)應(yīng)的速度區(qū)間為勻減速工況下的100～40 km·h-1。

為消除天氣、風(fēng)速和路面等因素的不利影響，本研究采用原車(chē)鋁合金輪輞裝配輪胎，在半消聲室內(nèi)采用轉(zhuǎn)鼓法模擬（見(jiàn)圖2）測(cè)試主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中速度由100 km·h-1勻減速至40 km·h-1過(guò)程中的行車(chē)工況，每間隔一個(gè)速度區(qū)間（即10 km·h-1）采集并整理200～250 Hz（見(jiàn)圖3）范圍內(nèi)的噪聲值[6-10]。

圖2 半消聲室內(nèi)空腔噪聲測(cè)試

圖3 空腔噪聲聲壓級(jí)與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

該方法可較為真實(shí)地反映室外車(chē)輛在行駛過(guò)程中的空腔噪聲狀況。測(cè)試條件為：室內(nèi)溫度25 ℃，測(cè)試壓力 250 kPa。

4 結(jié)果與分析

對(duì)各方案分別進(jìn)行3次空腔噪聲測(cè)試，試驗(yàn)誤差為±3%，重復(fù)性較好。選取最接近均值的1組試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4）進(jìn)行分析。

表4 空腔噪聲聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果 dB

4.1 絕對(duì)差值分析

均值絕對(duì)差值是因子在不同水平下產(chǎn)生不同空腔噪聲的正值差異，工程師希望兩水平之間的絕對(duì)差值盡可能大，以找出產(chǎn)生絕對(duì)差值大的因子水平。

在60～50和50～40 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，5個(gè)結(jié)構(gòu)因子的兩水平空腔噪聲聲壓級(jí)的絕對(duì)差值分析如表5所示。信噪比響應(yīng)越大，表明該因子水平抵抗外界噪聲能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性越高。

從表5可以看出，在這2個(gè)減速區(qū)間內(nèi)，空腔噪聲的結(jié)構(gòu)因子按照影響由大到小的排序?yàn)閹鴮咏嵌取⑻?cè)厚度、模具、三角膠高度和胎面厚度。結(jié)合信噪比響應(yīng)得到最佳因子水平組合為：帶束層角度 24°，胎側(cè)厚度 6.2/7.0 mm，模具 2#，三角膠高度 15 mm，胎面厚度 8.5/10.5 mm。

表5 60～50和50～40 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)不同結(jié)構(gòu)因子水平空腔噪聲聲壓級(jí)的絕對(duì)差值分析 dB

在90～80，80～70和70～60 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，5個(gè)結(jié)構(gòu)因子的兩水平空腔噪聲聲壓級(jí)的絕對(duì)差值分析如表6所示。

從表6可以看出，在這3個(gè)減速區(qū)間內(nèi)，空腔噪聲的結(jié)構(gòu)因子按照影響由大到小的排序?yàn)閹鴮咏嵌取⑻?cè)厚度、三角膠高度、模具和胎面厚度。結(jié)合信噪比響應(yīng)得到最佳因子水平組合為：帶束層角度 24°，胎側(cè)厚度 6.2/7.0 mm，三角膠高度 15 mm，模具 2#，胎面厚度 8.5/10.5 mm。

表6 90～80，80～70和70～60 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)不同結(jié)構(gòu)因子水平空腔噪聲聲壓級(jí)的絕對(duì)差值分析 dB

在100～90 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，5個(gè)結(jié)構(gòu)因子的兩水平空腔噪聲聲壓級(jí)的絕對(duì)差值分析如表7所示。

從表7可以看出，在該減速區(qū)間內(nèi)，空腔噪聲的結(jié)構(gòu)因子按照影響由大到小的排序?yàn)樘ッ婧穸取⑻?cè)厚度、三角膠高度、模具和帶束層角度。結(jié)合信噪比響應(yīng)得到最佳因子水平組合為：胎面厚度 6.5/8.5 mm，胎側(cè)厚度 6.2/7.0 mm，三角膠高度 15 mm，模具 1#，帶束層角度 24°。

表7 100～90 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)不同結(jié)構(gòu)因子水平空腔噪聲聲壓級(jí)的絕對(duì)差值分析 dB

4.2 算數(shù)差值分析

算數(shù)差值可體現(xiàn)因子水平變化后空腔噪聲隨之產(chǎn)生變化的趨勢(shì)，具體分析如表8所示。

從表8可以得出以下結(jié)論。

表8 結(jié)構(gòu)因子水平變化引起空腔噪聲聲壓級(jí)的變化 dB

（1）在90～40 km·h-1的各減速區(qū)間內(nèi)，空腔噪聲隨模具因子的水平變化呈下降趨勢(shì)；而在100～90 km·h-1的減速區(qū)間內(nèi)呈上升趨勢(shì)。

（2）在100～40 km·h-1的各減速區(qū)間內(nèi)，空腔噪聲隨帶束層角度和胎側(cè)厚度因子的水平變化呈下降趨勢(shì)，隨三角膠高度因子的水平變化呈上升趨勢(shì)。

（3）在90～40 km·h-1的各減速區(qū)間內(nèi)，胎面厚度對(duì)空腔噪聲聲壓級(jí)的影響在0.4 dB以?xún)?nèi)。在100～90 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，胎面厚度因子由水平1變化為水平2，對(duì)應(yīng)的空腔噪聲聲壓級(jí)會(huì)提高4.36 dB。因此在方案優(yōu)化時(shí)可忽略90～40 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)胎面厚度對(duì)空腔噪聲的影響；在100～40 km·h-1各減速區(qū)間內(nèi)，選擇胎面厚度因子的水平1對(duì)空腔噪聲進(jìn)行改善。

4.3 均值方差分析

利用均值絕對(duì)差值分析方法雖然直觀，但無(wú)法區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的差異是由因子水平不同引起的還是試驗(yàn)誤差引起的。因此采用均值方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果差異產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。利用F檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性（P值）檢驗(yàn)，取95%置信區(qū)間。若P值＜0.05，則說(shuō)明因子水平與試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)在統(tǒng)計(jì)意義上顯著；若P值≥0.05，則認(rèn)為兩者關(guān)聯(lián)不顯著。

利用Minitab軟件對(duì)各速度區(qū)間不同因子的空腔噪聲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行P值檢驗(yàn)，結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出：在70～60 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，帶束層角度對(duì)空腔噪聲的試驗(yàn)結(jié)果影響顯著；在80～70 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，帶束層角度和胎側(cè)厚度對(duì)空腔噪聲的試驗(yàn)結(jié)果影響顯著；在90～80 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，帶束層角度和胎側(cè)厚度對(duì)空腔噪聲的試驗(yàn)結(jié)果影響顯著；在100～90 km·h-1減速區(qū)間內(nèi)，模具、三角膠高度、胎面厚度和胎側(cè)厚度均對(duì)空腔噪聲的試驗(yàn)結(jié)果影響顯著；其他減速區(qū)間內(nèi)相關(guān)因子影響不顯著，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中存在誤差，且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。

表9 各個(gè)減速區(qū)間內(nèi)不同因子對(duì)空腔噪聲試驗(yàn)結(jié)果的P值檢驗(yàn)結(jié)果

4.4 綜合分析

不同減速區(qū)間內(nèi)各方案空腔噪聲排序如表10所示。

從表10可以看出，方案G為最優(yōu)方案，對(duì)應(yīng)最優(yōu)因子水平分別為：帶束層角度 24°，胎側(cè)厚度6.2/7.0 mm，三角膠高度 15 mm，模具 2#，胎面厚度 6.5/8.5 mm。

表10 不同減速區(qū)間內(nèi)各方案空腔噪聲大小順序

5 結(jié)論

（1）選取5個(gè)結(jié)構(gòu)因子，每個(gè)因子設(shè)兩種水平，基于田口理論分析方法設(shè)計(jì)8個(gè)方案，減小了試驗(yàn)次數(shù)，縮短了試驗(yàn)周期。

（2）在半消聲室內(nèi)，使用原車(chē)鋁合金輪輞和輪胎裝配，用轉(zhuǎn)鼓法模擬測(cè)試室外實(shí)車(chē)測(cè)試空腔噪聲，測(cè)試在100～40 km·h-1的勻減速工況下，不同速度區(qū)間內(nèi)，模具、帶束層角度、三角膠高度、胎面厚度和胎側(cè)厚度5個(gè)結(jié)構(gòu)因子不同水平的輪胎在頻率為200～250 Hz范圍內(nèi)的空腔噪聲。

（3）綜合均值和信噪比響應(yīng)絕對(duì)差值、算數(shù)差值以及均值方差分析的結(jié)果可得：在70～60 km·h-1的勻減速工況下，帶束層角度對(duì)空腔噪聲的改善有顯著影響；在90～70 km·h-1的勻減速工況下，帶束層角度和胎側(cè)厚度對(duì)空腔噪聲的改善有顯著影響；在100～90 km·h-1的勻減速工況下，胎面厚度、胎側(cè)厚度、三角膠高度和模具對(duì)空腔噪聲的改善有顯著影響。

（4）綜合分析得到的最優(yōu)方案為：帶束層角度24°，胎側(cè)厚度 6.2/7.0 mm，三角膠高度 15 mm，模具 2#，胎面厚度 6.5/8.5 mm。

（5）本工作只研究了5個(gè)結(jié)構(gòu)因子及其兩種水平，局限性較大，后續(xù)還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)補(bǔ)充與完善。