非結構因素對半鋼子午線輪胎模態特性的影響

冷德新，羅 旭，王方程，孟祥龍

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 威海 264300]

輪胎作為汽車與路面接觸的唯一部件，其振動特性直接影響整車的行駛平順性和乘坐舒適性。隨著汽車工業的發展及人們生活水平的提高，消費者對汽車及輪胎振動噪聲要求越來越高，減震降噪也愈發受到輪胎廠和整車廠的重視。

輪胎模態特性與振動特性直接相關，因此也受到了國內外企業、高校和科研院所研究人員的廣泛關注。田穎等[1]研究了7種結構設計因素對輪胎固有頻率和阻尼的影響，并判定各因素對模態頻率和阻尼的影響顯著程度。李慧敏等[2-3]研究了輪胎固有頻率的測算方法和影響因素。國外在此領域開展的研究較早，B.G.KAO[4]和M.MASAMI等[5]從輪胎剛度及參數化模型方面對輪胎振動模態特性進行了研究。

輪胎振動特性研究一般在靜態和滾動兩種工況下展開，影響因素包括胎面結構、帶束層角度等結構設計因素，也包括充氣壓力、邊界條件等非結構因素。輪胎振動模態按方向可分為徑向振動模態、橫向振動模態和周向振動模態，徑向振動模態與車輛乘坐舒適性直接相關，也是輪胎廠和主機廠最關注的。

本工作研究靜態工況下非結構因素對輪胎徑向振動模態特性的影響。

1 實驗

自由狀態下輪胎模態測試見圖1，用彈性繩將充氣輪胎豎直懸掛，得到近似自由-自由的邊界條件。加速度傳感器布置在胎面合適位置，根據輪胎尺寸及模態階數將輪胎均分，并在胎面做好標記。本工作采用移動力錘法對輪胎進行模態測試，利用Test.Lab軟件的PolyMax模塊進行模態分析，得到輪胎徑向振動模態各階固有頻率及振型。

圖1 自由狀態下輪胎模態測試

以205/50R16半鋼子午線輪胎為研究對象，選取溫度、裝配輪輞、邊界條件、測點位置、測點數量和充氣壓力6種非結構因素，研究其對輪胎徑向振動模態特性的影響。

2 結果與討論

2.1 溫度

實驗室環境下進行輪胎模態測試，一般控制測試環境為室溫，室溫定義通常包括（20±5），（23±2）和（25±5） ℃三種，通過試驗發現溫度的變化對輪胎各階固有頻率存在影響。不同溫度下輪胎徑向固有頻率對比見表1。

表1 不同溫度下輪胎徑向固有頻率對比 Hz

由表1可見，溫度降低3 ℃時各階固有頻率變化很小，但當溫度降低7 ℃時，輪胎固有頻率明顯增大，且越高階頻率增大越多。因此，輪胎模態試驗環境溫度波動應盡量控制在較小范圍內，一般在（23±2） ℃溫度下比較合適。車輛在某些地區或極端天氣條件下出現振動噪聲問題時，可以考慮是否為輪胎或其他部件因溫度變化引起固有頻率發生偏移，從而導致耦合共振。

溫度變化對輪胎空腔模態頻率也有影響，溫度分別為14，18和21 ℃時，輪胎空腔模態頻率分別為229.94，231.08和232.34 Hz。可見溫度升高，空腔模態頻率隨之增大，溫度每升高3～4 ℃，頻率增大約1 Hz。輪胎空腔模態頻率與聲速成正比，與波長成反比，而聲速與腔體內部溫度成正比，波長近似等于輪胎內腔中心周長，受溫度變化影響很小，因此輪胎空腔模態頻率與溫度呈正相關，試驗結果與之相符。

2.2 裝配輪輞

通常所說的輪胎試驗模態是對輪胎-輪輞組合體進行測試得到的結果，因此裝配輪輞對組合體的振動模態特性也有影響。汽車上的裝配輪輞一般為商用鋁合金輪輞，而實驗室通常采用的是鋼質試驗輪輞。這兩種輪輞的模量相近，質量卻相差很大。不同裝配輪輞的輪胎徑向固有頻率對比見表2。

由表2可以看出，不同裝配輪輞主要影響輪胎一階剛體模態頻率，對高階彈性體模態頻率的影響較小。

表2 不同裝配輪輞的輪胎徑向固有頻率對比 Hz

2.3 邊界條件

邊界條件影響結構的剛度和質量分布，從而影響輪胎固有頻率。將輪胎分別用彈性繩懸掛和安裝在試驗臺架上，模擬輪胎自由懸掛及中心固定的邊界條件。不同邊界條件輪胎徑向固有頻率對比見表3。

表3 不同邊界條件的輪胎徑向固有頻率對比 Hz

由表3可見，輪輞中心固定后對剛體模態頻率影響較大，與自由懸掛輪胎相比，中心固定輪胎一階固有頻率明顯降低，其他高階彈性體模態頻率略有增大。

2.4 測點位置

常見的半鋼子午線輪胎有3或4條縱溝，本工作選取4條縱溝的半鋼子午線輪胎，在胎面不同位置布點測試，如圖2所示。不同測點位置輪胎徑向固有頻率對比見表4，不同測點位置頻響函數曲線如圖3所示。

圖2 測點位置示意

圖3 不同測點位置的輪胎頻響函數曲線

由表4可見，整體來說不同測點位置固有頻率差異不大，均在1 Hz以內。

表4 不同測點位置的輪胎徑向固有頻率對比 Hz

由圖3可見，不同測點位置的輪胎模態頻率差異雖然不大，但頻響函數曲線幅值有差異。響應加速度傳感器固定在中間加強筋上，敲擊中間加強筋位置，能量傳遞較好，共振峰值較高，尤其是高階模態。敲擊胎肩處模態振型略差，且共振峰值普遍較低，能量傳遞過程中損失較多。

2.5 測點數量

不同測點數量的模態測試幾何模型見圖4，不同測點數量的輪胎徑向固有頻率對比見表5。

圖4 不同測點數量模態測試幾何模型

由表5可見，測點數量對輪胎模態頻率沒有太大影響，頻率差異均在1 Hz以內，但是對模態振型影響較大。只有8個測點時，由于測點數量較少，三階模態振型不明顯，五階模態振型與三階模態振型混疊而無法準確分辨，如圖5所示。因此在模態測試時，如需分析前3階模態，則至少要做8個測點。36個測點相對24個測點振型略圓滑，但工作量明顯增大，工作效率降低，如果重點關注前8階模態，只需24個測點即可。

表5 不同測點數量輪胎徑向固有頻率對比 Hz

圖5 測點數量不足造成的模態振型混疊

2.6 充氣壓力

輪胎徑向固有頻率隨充氣壓力的變化如圖6所示。輪胎充氣壓力增大，徑向剛度增大，徑向各階固有頻率也會增大，測試結果很好地印證了這一點。由圖6可見，輪胎空腔模態頻率隨著充氣壓力的增大而增大，充氣壓力增大50 kPa，徑向各階固有頻率增大5%～14%，高階彈性體模態受充氣壓力影響更大。

圖6 輪胎徑向固有頻率隨充氣壓力的變化

3 結論

研究了溫度、裝配輪輞、邊界條件、測點位置、測點數量以及充氣壓力非結構因素對輪胎固有頻率的影響，得到以下結論：

（1）輪胎各階固有頻率與溫度呈負相關，空腔模態頻率與溫度呈正相關；

（2）裝配輪輞與輪胎一階固有頻率相關，對高階彈性體模態影響不大；

（3）中心約束后輪胎一階固有頻率明顯降低，對高階彈性體模態影響不大；

（4）測點位置及數量對輪胎各階固有頻率影響不大，但要獲得準確的高階模態振型，應選擇合適的測點數量；

（5）充氣壓力與輪胎各階固有頻率呈正相關，且越高階模態受充氣壓力影響越大。

本研究尚有很多有待完善之處，如非結構因素還包含加載條件、不同激勵方式等，另外，溫度變化范圍相對較小，充氣壓力變化范圍也相對較小，輪胎生命周期不同階段固有頻率的變化等都有待進一步深入研究。