張 勇，郝鵬程，張 舜，喬元梅，田 苗

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

汽車噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）性能是決定其市場競爭力的重要因素之一，隨著發(fā)動機(jī)振動和噪聲的不斷降低以及新能源車輛的推廣，整車廠對汽車NVH性能的要求越來越高，這對輪胎噪聲也提出了更高的要求[1-5]。輪胎充氣后與輪輞形成密閉空腔，在滾動過程中胎面和胎側(cè)不斷產(chǎn)生形變并受到來自路面的激勵，輪胎空腔內(nèi)的氣體介質(zhì)在胎面和胎側(cè)的激勵下產(chǎn)生振動，特殊情況下會形成輪胎空腔介質(zhì)的共振，進(jìn)而通過車體結(jié)構(gòu)和空氣傳遞到駕駛艙內(nèi)，產(chǎn)生200～250 Hz頻率范圍內(nèi)的令人反感、難以忍受的低頻噪聲，即空腔共鳴噪聲[6-8]。

根據(jù)一些汽車廠對于噪聲頻率的劃分，本研究將25～50 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲定義為鼓噪，將60～400 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲定義為路噪，將600～3 150 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲定義為胎噪，而將200～250 Hz頻率范圍內(nèi)采集到的噪聲數(shù)據(jù)用于輪胎空腔共鳴噪聲的研究。

本工作根據(jù)實(shí)車測試駕駛艙空間內(nèi)的輪胎空腔共鳴噪聲，通過室內(nèi)噪聲測試進(jìn)行驗(yàn)證，研究兩者的相關(guān)性，并優(yōu)選出最佳的輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要設(shè)備

TR0100ASTA.01室內(nèi)單胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)（半消聲室，可以模擬室外試驗(yàn)條件狀態(tài)），奧地利AVL公司產(chǎn)品；SCM205多通道振動噪聲分析系統(tǒng)，LMS模態(tài)探測儀和NVH測試系統(tǒng)（用于數(shù)據(jù)采集和分析，具備時域和頻域NVH試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理功能），德國西門子公司產(chǎn)品。

1.2 室外噪聲測試條件

汽車試驗(yàn)場為高環(huán)瀝青路面，溫度為－2～7℃，西南風(fēng)1級，車速為0～120 km·h-1。

1.3 模態(tài)測試

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性。每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析得到，即模態(tài)分析，模態(tài)分析法也可以定義為采用結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)來描述和分析結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為[9-10]。

模態(tài)分析的最終目標(biāo)是在識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，采用模態(tài)分析法對輪胎進(jìn)行建模的優(yōu)勢是只需要較少的參數(shù)就可以精確地描述輪胎的振動行為[11-13]。

1.3.1 試驗(yàn)條件

使用鋁制輪輞6J×17，充氣壓力為203和250 kPa。

1.3.2 試驗(yàn)方法

（1）將輪胎充入測試充氣壓力，室溫停放4 h。

（2）在輪輞中心孔上下對應(yīng)兩側(cè)及頂部胎面粘貼加速度傳感器，使3個加速度傳感器盡量保證在一條直線上且傳感器坐標(biāo)軸指向共線。

（3）采用阻尼連接將輪輞吊離地面適當(dāng)距離（見圖1）。

圖1 輪胎模態(tài)試驗(yàn)裝置

（4）依次延鉛垂線方向敲擊輪輞中心孔及2個速度傳感器附近（各敲擊至少5次）。

（5）采集胎面加速度傳感器反饋信號。

（6）對信號進(jìn)行處理，得到傳遞函數(shù)。

1.4 室內(nèi)噪聲測試

試驗(yàn)溫度為22 ℃，檢測輪輞為6.5J×17，充氣壓力為203和250 kPa，負(fù)荷為487.5 kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 室外測試結(jié)果

（1）NVH性能。在光滑瀝青路面以55 km·h-1速度行駛時，輪胎B后排空腔共鳴噪聲明顯大于輪胎A（大3.6 dB），輪胎C后排空腔共鳴噪聲明顯大于輪胎A（大4.6 dB），且較輪胎A連續(xù)；輪胎B和C的胎噪略大于輪胎A，鼓噪和路噪無明顯差異。

（2）操縱穩(wěn)定性。輪胎A與B在舒適性和抓著性能方面相近，但輪胎B操縱穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向響應(yīng)和支撐感好于輪胎A；輪胎C在舒適性方面差于輪胎A，抓著性能相近，操縱穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向響應(yīng)和支撐感優(yōu)于輪胎A。

駕駛員右耳和右后乘客左耳噪聲測試數(shù)據(jù)見表1。車內(nèi)空腔共鳴噪聲頻譜如圖2所示。

表1 駕駛員和乘客位置噪聲測試數(shù)據(jù) dB（A）

圖2 車內(nèi)空腔共鳴噪聲頻譜（右后乘客左耳）

由表1和圖2可以看出，空腔共鳴噪聲由小到大的順序?yàn)檩喬、輪胎B、輪胎C，胎噪由小到大的順序?yàn)檩喬、輪胎B、輪胎A；鼓噪和路噪無明顯差異。

因低速空腔共鳴噪聲為通過主觀評價的必達(dá)指標(biāo)，而輪胎A的空腔共鳴噪聲是可接受水平，但胎噪較大；輪胎B僅在右后乘客左耳處空腔共鳴噪聲較大，且胎噪與輪胎C接近，均較小。

綜上測試結(jié)果，在輪胎B基礎(chǔ)上減小低速空腔共鳴噪聲。

2.2 模態(tài)分析試驗(yàn)結(jié)果

輪胎噪聲模態(tài)分析結(jié)果見圖3。由圖3可得出如下結(jié)論。

圖3 輪胎噪聲模態(tài)分析結(jié)果

（1）輪胎A與B模態(tài)固有頻率基本重合，兩者都在101.54，219.91，375.65，827.29和1 397.30 Hz等頻率下存在固有模態(tài)。

（2）輪胎B節(jié)距數(shù)量為83個，可計(jì)算56 km·h-1時對應(yīng)花紋塊激振頻率為667.32 Hz，不在顯著的固有模態(tài)頻率上，因此可排除花紋塊影響形成的共振。

2.3 室內(nèi)噪聲測試數(shù)據(jù)

203和250 kPa充氣壓力下室內(nèi)噪聲測試數(shù)據(jù)見表2—5。203 kPa充氣壓力下室內(nèi)噪聲頻譜見圖4，203和250 kPa室內(nèi)噪聲頻譜彩圖分別見圖5和6。

表2 室內(nèi)鼓噪和空腔共鳴噪聲測試結(jié)果（203 kPa） dB（A）

表3 室內(nèi)路噪和胎噪測試結(jié)果（203 kPa） dB（A）

表4 室內(nèi)鼓噪和空腔共鳴噪聲測試結(jié)果（250 kPa） dB（A）

圖4 203 kPa充氣壓力下輪胎的噪聲頻譜

圖5 203 kPa充氣壓力下輪胎的噪聲頻譜彩圖（55 km·h-1）

圖6 250 kPa充氣壓力下輪胎的噪聲頻譜彩圖（55 km·h-1）

由表2—5及圖4—6可以得出如下結(jié)論。

（1）車速微小的變化就會引起輪胎空腔共鳴噪聲較大的變化，例如充氣壓力為203 kPa時，55 km·h-1速度下，輪胎B的空腔共鳴噪聲最大值比輪胎A小3.90 dB（A），均方根值小2.94 dB（A）；56 km·h-1速度下，輪胎B的空腔共鳴噪聲最大值比輪胎A小5.23 dB（A），均方根值小3.98 dB（A）。

（2）隨著充氣壓力的增大，230～250 Hz頻率范圍內(nèi)噪聲逐漸增大，并有最大噪聲頻率提高的趨勢（219.22 Hz存在固有頻率）。

2.4 解決方案思路及室內(nèi)驗(yàn)證

降低輪胎空腔共鳴噪聲一般從以下兩個方面考慮。

（1）研究車輛模態(tài)，規(guī)避車輛相關(guān)聯(lián)的固有頻率，避免共振現(xiàn)象。施工設(shè)計(jì)變化對空腔共鳴噪聲的改善效果不大，但因?yàn)槁曇粼诤庵械膫鞑ニ俣却笥谠诳諝庵械膫鞑ニ俣龋ㄟ^充入氦氣可以有效改變輪胎腔體的模態(tài)；也可以改變輪輞的材質(zhì)，鋁制輪輞的共振頻率遠(yuǎn)大于鋼制輪輞，輪輞與腔體之間的結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合可以被削弱[14]。

（2）輪胎設(shè)計(jì)時考慮聲音吸收，例如貼吸音海綿，可根據(jù)輪胎規(guī)格在腔體內(nèi)表面胎冠不同位置進(jìn)行周向粘貼。

在輪胎B的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善，方案1輪胎將基部膠厚度由1.5 mm調(diào)整為2 mm，方案2輪胎在方案1輪胎的基礎(chǔ)上將冠帶條二層平鋪改為S形纏繞，張力由25 N調(diào)整為75 N，方案3輪胎在方案2輪胎的基礎(chǔ)上充入氦氣，方案4輪胎在方案2輪胎的基礎(chǔ)上貼上吸音海綿。采用室內(nèi)測試方法對不同方案輪胎噪聲進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)分析要求如下。

（1）采用連續(xù)增速法44～70 km·h-1測量（速度范圍及速度選擇可以根據(jù)需要自行確定）。

（2）數(shù)據(jù)分析選取4種不同頻率區(qū)間（198～315 Hz，217～244 Hz，最大值頻率±4.8/6.4 Hz）。

（3）測試結(jié)果提供兩種能量值的計(jì)算方式：最大值和均方根值。不同解決方案輪胎室內(nèi)空腔共鳴噪聲測試結(jié)果見表6，傳遞函數(shù)曲線見圖7。

表6 不同解決方案輪胎室內(nèi)空腔共鳴噪聲測試結(jié)果 dB（A）

圖7 傳遞函數(shù)曲線

從表6和圖7可以得出如下結(jié)論。

（1）方案3和方案4輪胎的空腔共鳴噪聲明顯低于輪胎A[（3～7 dB（A）]，噪聲最大值由小到大為方案3輪胎、方案4輪胎、輪胎A、方案2輪胎、輪胎B、方案1輪胎，但方案1輪胎噪聲均方根值比輪胎B減小。

（2）方案3和方案4輪胎在198～315 Hz頻率范圍內(nèi)空腔共鳴噪聲最大值對應(yīng)的速度變化與空腔共鳴噪聲消失有關(guān)（為其他頻率下的最大值）。

（3）施工方案改進(jìn)可使空腔共鳴噪聲最大值減小0.5～2.5 dB，說明調(diào)整施工設(shè)計(jì)可減小空腔共鳴噪聲，但效果不大。

（4）方案3和方案4輪胎198～315 Hz頻率范圍內(nèi)模態(tài)峰值減小。

3 結(jié)論

（1）輪胎室內(nèi)噪聲模擬試驗(yàn)結(jié)果與輪胎室外噪聲測試結(jié)果之間具有相關(guān)性，可以采取多種方案先進(jìn)行室內(nèi)模擬測試，優(yōu)選方案再進(jìn)行室外測試，可以縮短輪胎開發(fā)時間及節(jié)約成本，從陣型來看，室內(nèi)噪聲模擬試驗(yàn)頂端位置的麥克風(fēng)能更好地反映輪胎空腔共鳴噪聲輻射特性。

（2）輪胎空腔共鳴噪聲與規(guī)格選型有關(guān)，輪胎花紋和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對模態(tài)的影響不大，尤其是施工的調(diào)整對輪胎空腔共鳴噪聲的影響不大。

（3）從室內(nèi)噪聲結(jié)果來看，輪胎模態(tài)與空腔共鳴噪聲存在相關(guān)性，模態(tài)出現(xiàn)峰值的情況下空腔共鳴噪聲也明顯偏大。

（4）通過充入氦氣及貼吸音海綿的方式，可以明顯減小輪胎空腔共鳴噪聲。