輪輞側向剛度對路噪提升相關性研究

戴大力　張寧

摘 要：為優化某款電動汽車路噪，采用仿真結合測試的方法，以輪輞側向剛度為評價指標，對其輪輞進行模態仿真和試驗對標，驗證了輪輞側向剛度可以在車型開發前期通過仿真計算，并提出具體指標進行相應控制，驗證不同側向剛度對噪聲傳遞函數的影響，優化前后輪輞側向剛度道路測試驗證結果顯示，在200～400Hz頻段內，輪輞側向剛度對整車路噪有顯著影響。文章開展輪輞側向剛度對路噪提升相關性研究驗證，進一步驗證了輪輞側向剛度提高對路噪改善的影響，為優化電動汽車的NVH路噪提供了理論依據。

關鍵詞：路噪 對標 輪輞側向剛度 噪聲傳遞函數

1 引言

隨著科學技術的發展和人們生活水平的提高，舒適性更佳的純電動汽車已成為汽車未來發展的主流方向。相較于傳統汽車的內燃機，純電動汽車采用電動驅動系統來驅動車輛，由于沒有動力總成噪聲的掩蔽作用，其路噪在中低頻噪聲中顯得尤為突出[1]。

客戶抱怨路噪問題通常是由粗糙路面30～500Hz頻段的低頻結構聲所致，路噪激勵由輪胎摩擦產生，輪胎的濾振性能優劣對路噪提升至關重要。車輪系統剛度越大，車輪結構的阻抗越大，傳遞至輪心的激勵越小，從而越有利于整車路噪通過結構的控制[2]。

本文通過輪輞側向剛度對路噪提升相關性研究，提出了用輪輞側向剛度做為前期路噪控制重要指標的合理性，為優化某款電動汽車路噪，采用仿真與試驗方法，以輪輞側向剛度為路噪評價指標，對其輪輞側向剛度進行仿真和試驗對標，驗證了輪輞側向剛度可以在車型開發前期通過仿真計算，并提出具體指標進行相應控制優化，驗證不同側向剛度對噪聲傳遞函數的影響。

2 輪輞側向剛度

車輪系統由輪輻與輪輞兩部分組成，如圖1所示。

車輪系統質量將輪輻和輪輞的質量分別用和表示，這樣自由狀態的車輪就可以類比成兩自由度無阻尼自由系統[3]。和為激勵力，和為位移，為車輪系統剛度。當激勵力在車輪芯位置，方向為車輪軸向時的剛度定義為車輪系統的側向剛度。

推導過程如下，兩自由度無阻尼自由系統運動方程為：

其阻抗矩陣為：

系統頻響函數矩陣為：

頻響函數為（2×2）階矩陣，可表達成：

式中：任一元素為第點的響應與第點激勵之間的頻響函數，當時，稱為原點頻響函數；當時，則稱為跨點頻響函數。

的原點頻響函數為：

式中

兩自由度無阻尼自由系統的幅頻如圖2所示。

圖中：共振峰頻率，反共振峰頻率。可知，

其中，車輪總質量

由此，可將車輪側向剛度公式做如下推導：

最終只有車輪總質量以及輪心位置原點頻響曲線共振峰頻率和反共振峰頻率的車輪側向剛度公式：

某款車輪輞側向幅頻仿真計算結果如圖3所示。將仿真共振峰頻率，反共振峰頻率及車輪總質量代入側向剛度計算公式，求得44kN/mm，依據GMW14876規范試驗，某款車輪輞側向幅頻測試結果如圖4所示，并求得44kN/mm，仿真和試驗對標驗證了仿真模型準確性，結果均未滿足目標≥60kN/mm。通過優化輪心直徑、輪輻減重窩深度、輪輻布置、輪心厚度、輪心減重窩深度，在單車輪總質量僅增加0.3kg情況下，提升輪輞側向剛度至60kN/mm[4]，優化后車輪輞側向幅頻仿真計算結果如圖5所示。

3 整車仿真分析

3.1 車輪與整車仿真模型

噪聲傳遞函數模型包括TB車身模型和聲腔模型，如圖6、圖7所示。TB車身模型白車身鈑金件均采用8mm的殼單元進行網格劃分，非鈑金件采用實體單元進行網格劃分，點焊在模型中采用ACM的一維單元模擬焊點，單元類型為acm（equivalenced），焊點直徑為5mm，焊縫通過剛性單元RBE2連接，焊接時兩個面上應有相互匹配的節點一一對應；車身上拼接焊的地方采用共節點的方式進行模擬；通過剛性單元RBE2進行螺栓連接，連接時將washer上所有節點均選上；粘膠連接采用實體單元模擬，實體單元與被連接的鈑金件的單元共用節點。大質量件采用集中質量活均布模擬。車內聲腔模型需涵蓋座椅聲腔并單獨建模賦予流體屬性。

3.2 輪輞側向剛度對噪聲傳遞函數的影響

噪聲傳遞函數（NTF）表示，將單位激勵力作用在底盤關鍵接附點或者軸頭輪芯處，振動通過車身與底盤關鍵接附點傳遞，然后由車身鈑金與聲腔耦合輻射至車內形成噪聲，測試在駕駛員右耳產生聲壓級大小，整車開發前期，噪聲傳遞函數是衡量該款車路噪性能表現優劣的核心指標，其噪聲峰值越低表示相同單位激勵下傳遞到車內聲壓越低，路噪水平越優秀。

噪聲傳遞函數分析邊界無任何約束，TB車身為自由狀態，在前后軸頭輪芯處分別施加 X，Y，Z? 3個方向大小為1N的單位掃頻激勵，模態截取頻率范圍是20～400Hz，模型截取頻率范圍是0～800Hz，計算單位載荷下駕駛員右耳側的噪聲傳遞函數。本文分別將不同輪輞側向剛度的車輪與上述TB車身模型連接，分別計算前后輪激勵到駕駛員右耳NTF，前輪輪芯&駕駛員右耳NTF X、Y、Z向結果如圖8～圖10所示。

從上述整車聲振傳遞函數對比結果可看出，在0～200Hz頻段范圍內基本無影響；在200～400Hz頻段范圍內，側向剛度為60kN/mm的車輪前輪輪芯&駕駛員右耳NTF普遍優于側向剛度為44kN/mm的車輪，由此側向剛度大的車輪系統能有效改善中頻段的整車路噪特性。在整車開發工程設計階段，輪輞側向剛度可以在車型開發前期通過仿真計算，并提出具體指標進行相應控制優化，根據不同車型產品定位來匹配不同的車輪側向剛度需求，以滿足路噪性能開發，進而支持車輪系統前期輕量化工作。

4 整車測試驗證

4.1 整車路噪測試

將該車換上優化后的輪輞進行40 km/h粗糙路測試。對時域測試數據進行傅里葉變換，并進行A 計權。得到如圖11、圖12所示的該車優化后前排路噪聲壓值與頻譜曲線對比，實車路噪測試結果顯示車輪側向剛度優化對整車路噪性能有顯著影響，且影響頻率段主要集中在200～400Hz范圍內，OA值前排降低1.6dB（A），后排降低1.0dB（A），主觀感受優化方案樣件路噪前后排均有較明顯提升。

5 結論

本文通過輪輞側向剛度對路噪提升相關性研究，提出了用輪輞側向剛度做為前期路噪控制重要指標的合理性，為優化某款電動汽車路噪，采用仿真與試驗方法，以輪輞側向剛度為路噪評價指標，主要結論如下：

1、單件輪輞側向剛度CAE仿真和實測結果基本一致，驗證了CAE輪輞側向剛度模型的準確性，輪輞側向剛度可以在車型開發前期通過仿真計算，并提出具體指標進行相應控制。

2、對其輪輞側向剛度進行仿真和試驗對標，驗證了輪輞側向剛度可以在車型開發前期通過仿真計算，并提出具體指標進行相應控制優化，驗證不同側向剛度對噪聲傳遞函數的影響，可以證明本文車輪系統側向剛度提升對路噪性能影響研究是切實有效，輪輞側向剛度越大，整車路噪表現越優異。

3、輪輞側向剛度對客戶抱怨的200～400Hz范圍內的路噪有顯著影響，故本文輪輞側向剛度對路噪性能影響研究具有實際工程意義，可指導后續車型開發。

參考文獻：

[1]王維松，李默華，靳豹.某純電動汽車路噪性能優化[J].汽車工師，2023（05）：40-44.DOI：10.20104/j.cnki.1674-6546.20220092.

[2]魏航.車輪NVH性能的拓撲優化[J].機電信息，2022（08）：69-71.DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.020.

[3]傅志方，華宏星．模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[4]柳振，張紅斌，凌新新等.鋁合金車輪側向剛度影響因素分析[J].汽車零部件，2021（02）：40-43.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2021.02.009.