基于模態輪胎的道路噪聲分析優化與試驗驗證

姜雪，許京 ,鄧建交，侯杭生

（1.130013 吉林省 長春市 中國第一汽車股份有限公司研發總院；2.130011 吉林省 長春市 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室）

0 引言

近年來，汽車的道路噪聲性能越來越受消費者關注。輪胎作為汽車上的重要且復雜的部件，其性能對道路噪聲的影響舉足輕重。在市場競爭激烈、開發周期一再縮短的今天,虛擬開發能力已成為不可或缺的產品開發手段。在整車道路噪聲分析中，如何高效準確地建立輪胎模型是最為關鍵和困難的部分，這是因為非常復雜的輪胎構造包括了帶束層、簾布層、胎面膠、胎肩膠、三角膠等各種材料，橡膠作為輪胎的主體材料，具有很強的非線性特性，并且輪胎中的許多鋪層無法采用各向同性材料描述。輪胎建模的方法一直在摸索和研究中。國內外對于輪胎模型的研究理論大致分為3 類：彈性基環形梁模型、薄殼模型和有限元模型。

目前主流輪胎廠家一般采用非線性有限元模型進行分析，基于ABAQUS 軟件中的非線性分析和材料模塊，該方法可以細致表述輪胎的物理結構，利用內嵌的橡膠本構關系模型公式，根據試驗獲得的材料參數特性擬合本構關系公式，確定橡膠本構關系類型和特征參數，從而建立較準確的輪胎模型，不過該方法需要針對輪胎的每一層鋪層進行材料力學實驗。輪胎中鋪層多且很薄，如圖1 所示，而整車廠難以獲得各個鋪層的試驗樣本，因此輪胎建模非常困難。同時，目前主流的道路噪聲分析都采用線性求解器，該模型為非線性有限元模型，適合于計算輪胎單體的特性，無法應用到基于線性求解的整車有限元分析中[1-3]。

圖1 典型的輪胎結構Fig.1 Typical tire structure

在道路噪聲分析過程中，為了配合整體有限元的線性分析求解，輪胎模型也必須為線性有限元模型。目前商業化的線性模型主要有CD-TIRE 模型，該模型是一個參數化的模型，需要進行大量的試驗來確定輪胎特征參數，由這些特征參數來表達輪胎的物理特性，但這些工作必須依賴于輪胎技術供應商的試驗測試和軟件數據處理。每款新車型的開發都需要輪胎技術供應商重新做試驗獲取輪胎參數數據，試驗工作繁瑣，不僅耗費大量時間、資金，并且無法進行技術儲備以適用不同的項目開發，不利于CAE 能力的橫展[4-6]。為了克服這些困難，本文采用以線性輪胎模型為基礎的有限元整車分析方法分析道路噪聲。

1 整車道路噪聲分析

整車道路的虛擬計算首先需要建立整車有限元模型，圖2 為本文使用的整車有限元模型，包括模態輪胎、底盤結構件、動力傳動系統結構件、內飾車身和車身聲腔。

圖2 乘用車整車模型Fig.2 Complete model of passenger car

目前，底盤結構件、動力傳動系統結構件、內飾車身和車身聲腔的建模方法都很成熟。進行整車道路噪聲虛擬分析時，必須在輪胎接地處輸入粗糙路面不平度的激勵，即路面相對于參考平面的高度差，然后將該激勵轉化為功率譜密度施加在輪胎接地點處，因此輪胎是道路載荷傳遞的關鍵部件，其固有特性的確定和建模方法對分析結果影響顯著。

采用以線性輪胎模型為基礎的有限元整車分析方法，首先立足于簡單快捷的剛體輪胎方法，建立了一個剛性環的線性輪胎有限元模型。該模型中輪胎所有的節點都為剛性，胎面各個節點通過NASTRAN 的RBE2 單元與輪心相連，在輪心處和胎面接地點處定義接觸點，如圖3 所示。

圖3 剛性環輪胎模型Fig.3 Rigid tire model

輪胎模型完成后置入整車模型中，輪胎胎面接地處輸入粗糙路面不平度激勵，計算工況為勻速50 km/h，計算駕駛員內耳和駕駛員外耳的A 計權聲壓級，分析得到的車內噪聲結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，裝配剛性輪胎的整車道路噪聲達到100 dB（A），嚴重偏離了道路噪聲的正常水平。由此得出結論：該輪胎模型無法反映真實的道路噪聲水平，建立更為準確的線性有限元輪胎模型勢在必行。基于這個結論，輪胎的力學特性必須納入模型，同時也需兼顧線性化的整車模型和計算的簡易性，本文采用模態輪胎分塊建模法進行整車道路噪聲分析。

圖4 剛性環輪胎與模態輪胎車內噪聲計算結果對比Fig.4 Comparison of results between rigid tire and modal tire

2 模態輪胎建模

模態輪胎分塊建模法不考慮輪胎本體的材料和結構特性，而是用輪胎的模態來代表輪胎的力學特性。具體的步驟是：將輪胎沿斷面分塊，對每一塊橡膠采用線性單元模擬，采用各向同性材料，通過調整每一塊材料特性，使輪胎模型的模態特性符合實際輪胎的模型特性。

建模時需要首先建立輪胎截面，截面單元為四邊形或者三角形單元，截面分成多個豎條，針對每一豎條設置不同的材料屬性，均假設為線彈性材料，材料屬性關于輪胎斷面中線左右對稱，其斷面模型如圖5 所示。斷面模型建好后，圍繞輪心點進行旋轉，生成輪胎3D 模型。整個輪胎模型如圖6 所示。

圖5 輪胎截面模型Fig.5 Cross section of tire model

圖6 模態輪胎模型Fig.6 Modal tire

基于已建立的輪胎模型，需要進行材料參數優化才能表現輪胎實際模態特性。根據輪胎模態試驗結果、輪胎質量等信息，對輪胎中每一種材料進行參數優化，優化變量包括材料的密度和彈性模量。優化目標是使計算和測試得到的輪胎模態結果基本吻合。優化完成后，自由狀態下的輪胎模態計算結果如表1 所示。

表1 輪胎模態計算結果Tab.1 Modal results of tire analysis

（續表）

3 輪胎模態試驗

優化輪胎模型材料參數的依據是實際輪胎的測試數據，因此需要進行輪胎模態試驗。本文所用輪胎的尺寸為245/45R19，胎壓為整車裝配狀態下的標準胎壓0.22 MPa。在測試中，試件用橡皮條懸掛，使之處于“自由-自由”的約束狀態，如圖7 所示。測點的選擇基于結構的模態變形特征，加速度傳感器依次布置在各測點上，測試時采用力錘激勵，分別敲擊胎面和輪轂，測量頻率范圍0～500 Hz，分析頻率范圍0～300 Hz。試驗得到的輪胎模態分布如表2 所示。

圖7 輪胎模態試驗圖Fig.7 Tire modal test setup

表2 實際輪胎模態試驗結果Tab.2 Modal results of test tire

對比仿真和試驗得到的輪胎關鍵振型的模態，誤差已滿足模型分析要求，對比結果如表3 所示。

表3 優化后的輪胎模態計算結果與測試結果對比Tab.3 Comparison between optimized tire modal calculation results and test results

4 整車道路噪聲分析

模態輪胎建模和優化完成后，將其裝配到整車模型中，分析計算的工況與前相同，即勻速50 km/h，輸出位置仍為駕駛員內耳和駕駛員外耳的聲壓級，計算結果如圖8 所示。

圖8 駕駛員內耳、外耳聲壓級計算結果Fig.8 Analytical results of sound pressure level at driver's inboard and outboard ears

計算結果表明，利用本文提出的輪胎模型進行整車道路噪聲分析計算后，所得結果與試驗結果誤差在±3 dB（A）左右，由此驗證了本文提出的輪胎建模的有效性。

5 整車道路噪聲優化與試驗驗證

從計算得到的道路噪聲頻譜結果（圖8）可以看出多處存在峰值，因此需要進行優化以提升道路噪聲水平。首先針對峰值位置進行傳遞路徑分析，找到關鍵路徑。根據結構布局提出可行的優化方案，TPA 的判斷過程如圖9 所示。

圖9 道路噪聲TPA 分析流程Fig.9 Process of road noise TPA analysis

貢獻量分析首先從車輪著手，圖10 為分析結果。由圖10 可知，前排車輪貢獻較大，隨后計算前排車輪單獨激勵下的TPA，所得結果如圖11 所示。由圖11 可知，關鍵路徑包括前副車架連接點、前減振器上連接點和前下控制臂連接點。由于該車前副車架與車身是螺栓連接，因此前減振器上襯套和前下控制臂襯套是可以進行優化的部件，襯套優化方案見表3。

圖10 車輪貢獻量分析Fig.10 Wheel contribution analysis

圖11 傳遞路徑分析結果Fig.11 Results of transfer path analysis

表3 關鍵襯套剛度優化表Tab.3 Optimization scheme of bushing stiffness

在整車模型中按照表中所示的方案1 和方案2的襯套剛度進行更新,將由方案1 和方案2 得出的道路噪聲結果與原結果進行對比，對比結果如圖12 所示。圖12 顯示，2 個方案的結果均優于原結果，并且方案2 優于方案1。

圖12 道路噪聲CAE 優化結果Fig.12 Optimization results of road noise analysis

根據優化分析結果，提出前下控制臂襯套和前減振器上襯套的設計更改建議，樣件試制裝車后，進行實車測試，各種方案的比較結果如圖13 所示，由圖13 可知，趨勢和CAE 分析結果完全一致。測試數據和虛擬分析結果在數值上的差異主要源于模型中阻尼的因素。

圖13 道路噪聲試驗驗證結果Fig.13 Validation of analytical results by road test

6 結語

（1）在整車道路噪聲分析中，模態輪胎對于計算結果的聲壓級影響很大，精準建立模態輪胎模型十分關鍵。利用分塊法進行模態輪胎建模，可以較為精確地描述輪胎的模態振型，同時保留了輪胎模型的線性特性。

（2）模態輪胎建模過程簡單，試驗可操作性強，數據有利于積累和輪胎建模能力的不斷提升。

（3）利用TPA 分析方法，可以高效地確定道路噪聲敏感路徑和其相關結構部件，為道路噪聲水平提升提供了有效可行的方法。