輪胎空腔共鳴噪聲室內測試方法的研究

陳仁全，王 君，孫 超，唐 明，周 磊，賈春輝，仇吉偉，孫向陽，張 超

（1.青島輪云設計研究院有限責任公司，山東 青島 266400；2.青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266400；3.雙星集團有限責任公司，山東 青島 266400）

在滾動過程中，輪胎內部空腔中的氣體受到路面激勵產生的共振經過輪胎、車軸等傳遞到車輛駕駛室內，會形成頻率為200～260 Hz的令人難以忍受的低頻結構噪聲，也稱輪胎空腔共鳴噪聲[1-6]。隨著新能源汽車的快速發展，特別是消費者對于車輛舒適性要求的不斷提高，如何解決輪胎空腔共鳴噪聲對提高車輛特別是新能源汽車的舒適性起著至關重要的作用。

根據市場反饋，裝配我公司4條規格為225/60R18 100T 輪胎的某車型在速度為100 km·h-1左右時產生輪胎空腔共鳴噪聲。本工作通過室內測試設備對上述4條輪胎進行室內噪聲試驗及其數據解析，以確定較為合理的輪胎空腔共鳴噪聲的室內測試方法，為輪胎空腔共鳴噪聲的室內驗證提供一定的參考和指導。

1 基本理論

輪胎空腔噪聲基本的空腔模態頻率（fa）計算公式如下[7]：

式中，a為空腔模態階次，c為輪胎空腔內部的聲音傳播速度（340 m·s-1），L為輪胎環形空腔的周長。

根據傅里葉級數理論，任何滿足狄利赫里條件的周期信號（xT，T為周期）均可以寫成正弦信號的三角函數形式，如下：

式中，D0為直流成分常數，dn為正弦分量幅值常數，w1為角頻率（2π/T）。

基于角頻率得出的旋轉頻率（f1，也稱正弦信號的基波）公式為：

正弦信號的2階諧波和3階諧波可分別表示為2f1和3f1。

2 實驗

2.1 試驗輪胎和試驗設備

選取4條實車使用的225/60R18 100T輪胎為試驗輪胎，記為1#—4#輪胎，技術參數如下：測試輪輞 18×7.0J，負荷 408 kg，充氣壓力 250 kPa。

測試設備為德國ZF公司生產的HSU-5.3型高速均勻性試驗機和半消聲試驗室（噪聲信號采集使用Siemens LMS設備）。

2.2 試驗方法

根據車輛實際使用狀況，試驗方法如下。

（1）在半消聲試驗室中進行140～30 km·h-1的均勻降速，降速時間為120 s。

（2）使用高速均勻性試驗機進行90，100，110，120 km·h-1速度下徑向波動力（簡稱RFV）和縱向波動力（簡稱TFV）諧波的測試工作，并分析1—20階諧波數值。

3 結果與討論

3.1 室內噪聲

3.1.1 Colormap圖分析結果

120～30 km·h-1自由降速下1#—4#輪 胎 的Colormap分布圖如圖1所示。

從圖1可以看出：4條輪胎第8、第16、第24階3個階次噪聲均出現不同程度的幅值亮線；第16階次幅值亮線出現在輪胎速度為90～120 km·h-1時，且持續性較強，基本同市場反饋的輪胎在速度為100 km·h-1左右行駛時噪聲較大的實際現象相吻合。

下面針對輪胎第16階次噪聲進行分析，并與第8和第24階次噪聲進行對比。

3.1.2 切片分析結果

針對1#—4#輪胎在（215±25） Hz（190～240 Hz）頻率帶和第8、第16、第24階3個階次噪聲分別作切片分析，可得出各階次切片對噪聲貢獻度的大小，結果如圖2—4所示。

圖2 190～240 Hz頻率帶噪聲切片

圖3 輪胎第16階次噪聲切片

圖4 輪胎第8和第24階次噪聲切片

從圖2—4可以得出以下結論。

（1）在速度為30～90 km·h-1時，4條輪胎聲壓幅值未出現異常突變現象，可以認為該速度段無異常輪胎空腔共鳴噪聲產生；在速度為90～120 km·h-1時，4條輪胎聲壓幅值出現異常突變現象，且突變量較大，可以認為該速度段存在異常輪胎空腔共鳴噪聲。

（2）輪胎第16階次噪聲整體譜圖走勢與190～240 Hz頻率帶切片譜圖基本一致，聲壓幅值也基本相同，可以得出異常輪胎空腔共鳴噪聲大部分為第16階次噪聲貢獻。

（3）在速度為90～120 km·h-1時，輪胎第8階次噪聲存在較小聲壓幅值，第24階次噪聲無異常聲壓幅值，第8和第24階次噪聲對于空腔噪聲貢獻較小。

由 式（2）和（3）可 知，當 輪 胎 速 度 為90 km·h-1時，輪胎每秒旋轉10.94圈，輪胎第16階激勵頻率為175（10.94×16） Hz，當輪胎實際速度為120 km·h-1時，輪胎每秒旋轉15.05圈，輪胎第16階激勵頻率為240（15.05×16） Hz，175～240 Hz與噪聲各切片分析中的190～240 Hz頻率段基本一致。

3.2 室內高速均勻性

3.2.1 RFV諧波數值分析

在90，100，110，120 km·h-1速度下，1#—4#輪胎的高速均勻性RFV諧波如圖5所示。

圖5 不同速度下輪胎的RFV諧波圖

從圖5可以得出以下結論。

（1）在90～120 km·h-1速度下，輪胎在第16階RFV的較大幅值表現穩定，其他RFV幅值表現不穩定。

（2）在RFV各諧波分量中，16階諧波貢獻最大，在改進輪胎均勻性方面重點改善16階諧波幅值很有必要，即改善16階RFV諧波波動值會降低振動，進而降低噪聲大小。

由式（2）和（3）可知，輪胎速度為90 km·h-1時，輪胎第16階激勵頻率為175 Hz，輪胎實際速度為120 km·h-1時，輪胎每秒旋轉14.59圈，輪胎第16階激勵頻率為233 Hz，175～233 Hz與噪聲各切片分析中的190～240 Hz頻率段基本一致。

3.2.2 TFV諧波數值分析

在90，100，110，120 km·h-1速度下，1#—4#輪胎的高速均勻性TFV諧波如圖6所示。

圖6 不同速度下輪胎的TFV諧波圖

從圖6可以得出以下結論。

（1）在80～120 km·h-1速度下，輪胎在各階TFV幅值方面沒有相對穩定的表現。

（2）從TFV角度來說，力的波動對噪聲影響較小，可以不考慮TFV大小對噪聲的影響。

4 結論

（1）在Colormap分布圖中，輪胎第16階次噪聲幅值亮線最為明顯，且持續性較強，速度分布在90～120 km·h-1范圍內，基本同市場反饋的輪胎速度為100 km·h-1左右時噪聲較大的實際現象一致。

（2）異常輪胎空腔共鳴噪聲由第16階次分量貢獻最大，輪胎速度在90～120 km·h-1時16階次激振頻率（175～240 Hz）與各噪聲切片分析中的頻率段（190～240 Hz）基本一致。

（3）在RFV中，第16階諧波貢獻最大，重點改善第16階諧波幅值對輪胎均勻性的改進很有必要，即改善16階的RFV會降低振動，進而降低噪聲；TFV幅值對本研究的噪聲影響較小，可以不考慮TFV大小對噪聲產生的影響。