劉 杰

(賽科工業(yè)科技開(kāi)發(fā)(武漢)有限公司上海分公司,上海 200233)

0 前言

輪胎的氣柱共鳴噪聲在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的輪胎上普遍存在,由于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲掩蔽效應(yīng),輪胎氣柱共鳴噪聲并未得以凸顯。新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車,因?yàn)闆](méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,車輛行駛時(shí)的胎噪和路噪尤為突出。1999年,美國(guó)福特公司對(duì)電動(dòng)車車內(nèi)聲學(xué)特性進(jìn)行了深入研究,并與傳統(tǒng)汽車進(jìn)行了對(duì)比分析[1]。研究指出,由于缺乏發(fā)動(dòng)機(jī)的掩蔽效應(yīng),在低速工況下,同樣聲壓級(jí)和響度的噪聲在純電動(dòng)車內(nèi)主觀感覺(jué)強(qiáng)烈。輪胎氣柱共鳴噪聲頻率范圍是人耳感知較為敏感的區(qū)域,因此輪胎氣柱共鳴噪聲差的車,乘客很容易發(fā)現(xiàn),并引起不滿,特別是在平滑的路面上發(fā)生的輪胎氣柱共鳴噪聲,較容易察覺(jué)。研究電動(dòng)汽車輪胎的氣柱共鳴噪聲形成機(jī)理及對(duì)策對(duì)提高駕乘舒適性有積極意義。

1 問(wèn)題描述

某自主開(kāi)發(fā)A級(jí)SUV純電動(dòng)車型(BEV)采用的是某知名品牌輪胎供應(yīng)商的255/50R17低滾阻輪胎。在小方磚路面行駛時(shí),發(fā)現(xiàn)車輛的輪胎氣柱共鳴聲特別明顯,會(huì)引起乘客抱怨。經(jīng)過(guò)測(cè)試,該BEV車型的輪胎氣柱共鳴噪聲在220 Hz附近有明顯峰值,如圖1所示。

2 機(jī)理分析

圖1 某BEV車型在小方磚路面行駛時(shí)車內(nèi)噪聲

共鳴代表空氣的共振,其中輪胎內(nèi)空氣的共振稱之為“輪胎氣柱共鳴”。輪胎對(duì)路面的激勵(lì)力經(jīng)過(guò)輪胎內(nèi)空氣腔和輪輞的耦合系統(tǒng)傳遞到車軸,形成車軸或轉(zhuǎn)向節(jié)上的縱向力、側(cè)向力和垂直力,有時(shí)還有扭矩[2],并通過(guò)懸架系統(tǒng)傳遞到車身。輪胎內(nèi)空氣腔的模態(tài),在輪胎自由狀態(tài)下只有1個(gè)峰值,但輪胎與路面接觸變形后,胎面前后方向長(zhǎng)度被拉長(zhǎng),該空氣腔的模態(tài)頻率變低,上下方向長(zhǎng)度變短,頻率變高,空氣腔模態(tài)在接地后會(huì)分裂成2個(gè)峰值。同時(shí),隨著車速的增加,該共鳴頻帶會(huì)變寬,原因是聲波在輪胎空腔內(nèi)傳播,在接地點(diǎn)分裂成2個(gè)方向,1個(gè)順著車輛前進(jìn)方向,1個(gè)逆著車輛前進(jìn)方向。氣柱共鳴的頻率計(jì)算公式為

式中,υ聲音表示聲音在空氣中的傳播速度;υ車表示車速;r表示車輪滾動(dòng)半徑。

由式(1)可看出,隨著車速提高,該共振頻帶會(huì)變寬。圖2是該BEV車在小方磚路測(cè)試的滾動(dòng)噪聲Campbell圖,發(fā)現(xiàn)在220 Hz附近存在共鳴帶。

輪胎內(nèi)部的空氣形成了封閉的腔室,有著固有的模態(tài)。轎車輪胎聲腔模態(tài)頻率通常在210～240 Hz。當(dāng)懸架的頻率和輪胎聲腔模態(tài)頻率一致時(shí),發(fā)生共振現(xiàn)象,并將振動(dòng)通過(guò)控制臂和懸架結(jié)構(gòu)傳遞到車身[3]。路面激勵(lì)輪胎經(jīng)懸架傳遞至車內(nèi)產(chǎn)生噪聲可通過(guò)路面激勵(lì)力與輪心至車內(nèi)的傳遞函數(shù)表示為

圖2 某BEV車型車內(nèi)滾動(dòng)噪聲Campbell圖

式中,P(ω)為車內(nèi)噪聲;F(ω)為路面負(fù)荷;ω表示頻率;T(ω)為輪心到車內(nèi)的力-聲傳遞函數(shù)。

T(ω)可表示為

式中,Ttire(ω)、Tsusp(ω)、Tbody(ω)分別表示輪胎、懸掛、車身的力-聲傳遞函數(shù)[4]。

3 影響因素分析

3.1 溫度的影響分析

由振動(dòng)共鳴頻率的計(jì)算公式可以得出,聲音在空氣中的傳播速度對(duì)該共鳴頻率有較大的影響,而溫度又影響聲速,溫度越高聲速越大。在0℃時(shí)候聲速是331 m/s,在15℃時(shí)聲速是340 m/s,在25℃時(shí)聲速是346 m/s。其計(jì)算公式如下

式中,t表示攝氏溫度。

輪胎在行走過(guò)程中因橡膠和地面發(fā)生擠壓和變形導(dǎo)致溫升明顯,可達(dá)到20～30℃。輪胎內(nèi)溫度變化難以直接測(cè)量,但可對(duì)胎面溫度進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量和修正。日產(chǎn)公司做過(guò)相關(guān)研究,在考慮溫度變化后共鳴頻率的精度可提高10～15 Hz。經(jīng)過(guò)溫度修正后的輪胎聲腔共鳴頻率的計(jì)算公式可表示為

式中,t表示攝氏溫度,υ車表示車速,r表示車輪滾動(dòng)半徑。圖3是某輪胎帶與不帶溫度修正的輪胎空腔共鳴頻率對(duì)比圖,實(shí)線是試驗(yàn)值,虛線為未考慮溫度影響。

圖3 某輪胎考慮和不考慮溫度影響的對(duì)比圖

3.2 輪胎規(guī)格的影響分析

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的輪胎規(guī)格,由6部分組成,包括：輪胎寬度、輪胎斷面的扁平率(高寬比)、輪胎類型代號(hào)、輪輞直徑、負(fù)荷指數(shù)、許用車速代號(hào),比如195/65R15 91V。為了增加輪胎附著力和操控穩(wěn)定性,輪胎一般會(huì)增加寬度。扁平率對(duì)輪胎的側(cè)偏剛度影響很大,扁平率越低的輪胎,接地面積會(huì)變寬,側(cè)偏剛度會(huì)提高,同時(shí)輪胎的變形會(huì)減少,輪胎接地變形后滯后損失會(huì)減低,從而降低行駛滾動(dòng)阻力。對(duì)續(xù)航里程要求較高的電動(dòng)車,其輪胎發(fā)展趨勢(shì)是低扁平率、大胎寬。圖4是用同樣花紋和周長(zhǎng)但不同扁平率輪胎在小方磚路測(cè)試的滾動(dòng)噪聲對(duì)比圖。

圖4 扁平率對(duì)輪胎空腔共鳴影響對(duì)比圖

從圖4可以看出,低扁平率輪胎對(duì)輪胎空腔共鳴噪聲的改善有利。某輪胎廠商采用大數(shù)據(jù)法,統(tǒng)計(jì)分析了輪胎扁平率對(duì)空腔氣柱共鳴的影響,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出,扁平率越低的輪胎,輪胎氣柱共鳴越明顯。由此前分析可得出,電動(dòng)汽車輪胎氣柱共鳴噪聲有變差的趨勢(shì)。

圖5 扁平率對(duì)輪胎空腔共鳴影響對(duì)比圖

3.3 輪胎胎面模態(tài)影響分析

輪胎胎面模態(tài)、輪胎厚度、大小、寬度都會(huì)影響到振動(dòng)傳遞率。輪胎的胎面振動(dòng)模態(tài)可通過(guò)仿真的方法獲得。

由仿真結(jié)論可知,胎面偶數(shù)次模態(tài)對(duì)輪胎氣柱共鳴噪聲基本上沒(méi)有影響,但胎面奇數(shù)次模態(tài)對(duì)輪胎氣柱共鳴噪聲影響比較大(圖6),可考慮對(duì)輪胎奇數(shù)次模態(tài)使用避頻方法進(jìn)行輪胎共鳴噪聲的改善。

圖6 輪胎奇偶數(shù)次模態(tài)對(duì)共鳴噪聲影響對(duì)比圖

3.4 輪輞影響因素分析

輪輞彈性體共振對(duì)空腔共鳴噪聲沒(méi)有影響,輪輞質(zhì)量對(duì)空腔共鳴噪聲影響較大,輪輞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)空腔共鳴噪聲影響不大。

考慮到空腔共鳴噪聲的主要貢獻(xiàn)量是上下方向的受力,質(zhì)量對(duì)空腔共鳴噪聲影響比轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更為明顯。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,增大質(zhì)量對(duì)空腔共鳴噪聲有所改善,如圖7所示。空腔共鳴噪聲主入力不是來(lái)自左右方向,因此輪輞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)空腔共鳴噪聲影響不大。

4 改善措施

圖7 不同輪輞質(zhì)量下的空腔共鳴噪聲對(duì)比圖

從影響因素看,可從激勵(lì)源、傳遞路徑及響應(yīng)尋求改進(jìn)措施,分別對(duì)應(yīng)輪胎、懸掛系統(tǒng)及車身。輪胎選型確定后,其空腔模態(tài)頻率已固定,對(duì)其空腔模態(tài)的優(yōu)化可從降低幅值響應(yīng)入手,研究從腔體處理(阻尼處理、腔體分割、吸振腔)進(jìn)行改善。如本田謳歌采用在輪轂上加工出諧振腔與輪胎空腔形成共鳴以消除原來(lái)的共鳴,也可在輪轂表面包裹吸聲材料改善空腔混響。懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避開(kāi)210～240 Hz的頻率段,一般要求懸架各方向聲振靈敏度(NTF)小于55 d B。若出現(xiàn)空腔共鳴噪聲抱怨,可通過(guò)在懸架結(jié)構(gòu)敏感位置安裝動(dòng)態(tài)吸振器來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。車身設(shè)計(jì)可考慮避開(kāi)懸架的激勵(lì)頻率,車身接附點(diǎn)原點(diǎn)動(dòng)剛度對(duì)懸架傳遞特性影響較大,要求達(dá)到10 000 N/mm。

本案例采用在輪輞表面包裹吸聲材料的方法來(lái)改善空腔共鳴噪聲,如圖8所示。

圖8 輪輞增加吸音棉

主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試都表明,通過(guò)在輪輞表面包裹吸音材料,可以解決輪胎空腔共鳴噪聲抱怨問(wèn)題,如圖9所示。

5 結(jié)論

圖9 輪胎內(nèi)增加吸音棉對(duì)空腔共鳴噪聲的改善

本文從機(jī)理上分析了輪胎空腔共鳴噪聲產(chǎn)生原因,并論述了空腔共鳴噪聲的幾種影響因素,得出電動(dòng)汽車輪胎空腔共鳴噪聲較傳統(tǒng)車更為突出的結(jié)論。對(duì)于該BEV車型的輪胎空腔共鳴噪聲,采用在輪輞表面包裹吸音材料的方法得以有效解決,改善了該電動(dòng)汽車的行駛舒適性,并對(duì)電動(dòng)汽車輪胎聲學(xué)性能改善有重要參考價(jià)值。