轮胎空腔模态预测方法研究

４５６　轮胎工业　２０１　８年第３８卷　轮胎空腔模态预测方法研究　刘　伟　一，韩腾飞　，刘二宝。。　（１．长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定０７１０００；２．河北省汽车工程技术研究中心，河北保定０７１０００）　摘要：介绍３种轮胎空腔模态预测方法，并与实车测试数据进行对比分析。结果表明，与实测结果相比，轮胎在自由　状态下理论公式计算及ＣＡＥ仿真模拟误差较大且仅能预测出１个共振峰值，而考虑轮胎接地变形的仿真预测方法能表征　出２个峰值且误差很小，可以更精准地对轮胎空腔模态进行前期预测，工程应用价值更高。　关键词：轮胎；空腔；模态；预测方法　中图分类号：ＴＱ３３６．１　１；Ｏ２４１．８２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６—８１７１（２０１８）０８—０４５６—０３　当前汽车工业发展迅速，汽车作为常用的交　度提高噪声增大，这种噪声现象即为轮胎空腔共　通工具已经走进千家万户，在大量普及的同时消　振噪声，通常称为轮胎共鸣音。该噪声对应于整　费者对其使用要求也逐步提升，其中对噪声、振动　车噪声频谱如图１所示。　和声振粗糙度（ＮＶＨ）关注度极高。车辆在行驶过　程中会产生很多噪声，其中轮胎是整车噪声贡献　度较大的部件，轮胎噪声水平直接影响车辆整体　的ＮＶＨ性能。汽车行驶速度超过一定值时，轮胎　兽　噪声即成为汽车噪声的主要来源　。轮胎噪声主　＼　出　要包含花纹噪声和路面激励引起的车内噪声，车　Ｈ￣　辆行驶时轮胎空腔共振引起的车内噪声也极大影　响整车ＮＶＨ。由于轮胎空腔固有频率主要由轮胎　规格决定，因此其固有特性很难改变，虽然有轮胎　内部添加吸声材料案例，但出于成本考虑推广性不　频翠／Ｈｚ　强。为了预防共振问题，车辆开发前期需要准确预　图１　车内空腔噪声对应于整车噪声频谱　测轮胎空腔固有频率，通过模态规划使轮辋及摆臂　１．２轮胎空腔噪声发生机理　和悬架等底盘系统部件避开轮胎固有频率。　由于路面不平激励轮胎空腔产生振动，该振　轮胎空腔固有频率预测有轮胎自由状态传统　动通过轮辋、转向节和悬架等部件传给车身，导致　公式计算、轮胎自由状态仿真分析预测和轮胎接　车内噪声增大。　地仿真分析预Ｎ３种方法，本工作对比研究３种方　空腔噪声属于单频噪声，与轮胎规格相关，一　法的预测精度和工程应用价值。　般频率在１７０￣２５０　Ｈｚ范围内，通常可以通过开关　车窗判断轮胎空腔噪声在车内的变化。有研究表　１　轮胎空腔噪声现象及发生机理　明　，当车窗开启时受风噪及轮胎花纹噪声影响，　１．１轮胎空腔噪声现象　车内噪声整体变大，但轮胎空腔噪声峰值无明显　在车辆行驶过程中受路面激励影响车内会出　变化，从而说明轮胎空腔噪声主要以结构振动形　现频率单一的“咚咚音”，且伴随车速及路面粗糙　式传递到车内。　轮胎空腔噪声传递路径为：轮胎（空腔振动激　作者简介：刘伟（１９８２一），男，河北保定人，长城汽车股份有限　公司高级工程师，学士，主要从事汽车ＮＶＨ性能研究与控制工作。　励）一悬架（摆臂、副车架、减震器振动）一车身（地　Ｅ—ｍａｌｌ：１ｗ１１５２００５＠１２６．ｃｏｍ　板、侧围、顶棚振动）一乘客（咚咚音）。　第８期　刘　伟等．轮胎空腔模态预测方法研究　４５７　２轮胎空腔固有频率预测　２．１轮胎自由状态传统公式计算　轮胎空腔模态同有频率主要与声音在轮胎内　部的传播速度和轮胎周长相关，常用计算公式为　．　＝ｉｃ／ｌ　（１）　式中，为第ｉ阶空腔固有频率，本研究主要考虑第　．　ｌ阶，ｃ为声音在轮胎空腔内传播速度，，为轮胎空腔　中心周长　。　该计算方法表征了轮胎不承受载荷无变形自　由状态下的特性，而实际上轮胎承受轴荷并有较　大变形，相关研究表明轮胎接触地面后空腔共振　图３轮胎自由状态仿真计算结果　频率会分解为２个　，因此该方法计算的结果与实　车数据有一定差距．不能精准反应实车状态。　２．２轮胎自由状态仿真分析预测　２．２．１仿真分析模型　该方法以有限元理论为基础，将轮胎内部　空腔进行有限元处理，轮胎状态为自由状态。以　图４轮胎接地仿翼计算有限元模型　２３５／５５Ｒ２０轮胎为例进行分析，其仿真模型如图２　所示　２．３．２仿真分析结果　轮胎与地面接触发生变形，导致轮胎失去圆　周方向的均匀性，空腔模态会分离成２个，一个为　垂直方向振动形态，另一个为水平方向振动形态，　仿真分析结果能够准确计算出同有频率并直观显　示振动形态，如图５所示。　３试验对比验证　以某款ＳＵＶ车内空腔噪声为例验证３种方法　的准确性和工程应用性。车辆以８０　ｋｍ·ｈ　的速　图２轮胎自由状态仿真计算有限元模型　度在粗糙路面上行驶时车内的轮胎空腔共鸣噪　声明显，测试轮胎空腔共振峰值频率为ｌ７２．６４和　ｌ８８．５６　Ｈｚ．如图６所示。　２．２．２仿真分析结果　由于有限元建模是基于自由状态，因此空腔　振动形态为标准的环状振动，与轮胎自由状态传　统公式计算结果基本一致，只能表征一种振动形　态，甫于无需进行轮胎尺寸数据转化．因此消除了　计算失误率，只需基于３Ｄ模型进行有限元建模，自　动化程度更高，计算结果如图３所示。　２．３轮胎接地仿真分析预测　２．３．１仿真分析模型　该车所配轮胎规格为２３５／５５Ｒ２０，轮胎胎面宽　度为２３５　ｍｍ，断面高宽比为５５％，轮辋直径为５０８　ｍｍ（２０英寸）。按常规计算如下：　产ｃ／ｌ＝３４０　０００／［３．１４（２３５×０．５５＋　２５．４×２０）】＝１７０（Ｈｚ）　轮胎自由状态传统公式计算、轮胎自由状态　仿真分析预测和轮胎接地仿真分析预测３种方法　在轮胎自南状态仿真分析预测的基础上充　分考虑轮胎装车状态承受载荷的变形，轮胎接地　仿真分析有限元模型空腔形状与实际状态更加吻　合，计算结果与实测值更接近，如图４所示。　的计算结果分别为１７０，ｌ７５，ｌ７ｌ／ｌ　８５　Ｈｚ，与试　验结果（１７２．６４／ｌ８８．５６　Ｈｚ）相比，误差分别约为　２～ｌ　８，３～１３．１～３　Ｈｚ。由此可见，轮胎接地仿真　分析预测的误差很小，预测精度最高。　４５８　轮胎Ｔ业　２０１　８年第３８８　Ｄｉ＊ｐｌａｅｅ￣ｍ￣ｍ（Ｍａｇ）　Ｅ　：｜２　０饕５　Ｌｌ∞％Ｌｏ　（ａ）垂直方向　频率／Ｈｚ　图６轮胎空腔共振频率测试结果　ｐｌ—　Ｍ　）　（３）建立轮胎接地状态下有限元模型，能够预　－Ｌ６　６６３ｃ　０５　测行驶轮胎空腔模态固有的２个峰值特性，与实测　卜４ｔ　　Ｌ３　９５］ｅ　１０　ｒ值误差较小，预测精度较高。　车辆开发前期精准预测轮胎空腔固有频率并　开展周边件模态频率规划避频，能够有效避免轮　一【＿ｚ　ｓ．曼＼赣陵罾　（ｂ）水平方向　胎空腔共振引起的车内空腔噪声。车辆质量和行　驶速度会影响轮胎的下沉量和接地面积，从而影　图５轮胎接地仿真计算结果　响预测精度，这是今后应继续深入研究的课题。　参考文献：　［１】殷瑞婧，雍占福，冯启章，等．电动汽车轮胎滚动阻力与噪声协调设　计及产品开发［ｎ轮胎工业，２０１７，３７（２）：６７—７４．　［２］沈伟，易斌，陆伟领．动力吸振器在降低车内路噪中的应用［Ｊ］＿汽　车工程：２０１０，３２（８）：１８－２２．　４　结论　本工作采用３种方法预测轮胎空腔固有特性　并进行实车对比研究，得出如下结论。　（１）利用理论公式及仿真软件都可以快速预　测轮胎空腔固有频率，计算精度有较大差异。　（２）轮胎自由状态下空腔固有频率只有１个峰　［３］文伟，张军，宫世超，等．轮胎空腔共振噪声工程控制及应用　［ｎ１．２０１５中国汽车工程学会年会论文集［ｃ】．北京：中国汽车工程　学会，２０１５：１８１５一Ｉ８Ｉ８．　值，而行驶状态下因受承载变形会产生２个峰值，　因此，轮胎自由状态下的特性模拟不适用于行驶　状态。　［４］于学华．轮胎空腔共振噪声的解决办法［Ｊ］华南理工大学学报（自　然科学版），２００９，３７（７）：９０—９３．　收稿日期：２０１８－０３—１０　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｔｉｒｅ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｍｏｄｅ　ＬＩＵ　Ｗｅｉ１，２，ＨＡＮ　Ｔｅｎｇｆｅｉ　一，ＬＩＵＥｒｂａｏ　（１　Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｇｒｅａｔ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７　１　０００．Ｃｈｉｎａ；２　Ｈｅｂｅｉ　Ｐｒｏｖｉｎｅ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　Ｂａｏｄｉｎｇ　０７　１　０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｎ　ｔｉｒｅ　ｃａｖｉｔｙ　ｍｏｄｅｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｒｅａ】ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｖａｌｕｅｓ，ｂｏｔｈ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＣＡＥ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｉｒｅ　ｉｎ　ｆｒｅｅｄｏｍ　ｓｔａｔｅ　ｈａｄ　ｌａｒｇｅｒ　ｅｒｒｏｒｓ．ａｎｄ　ｏｎｌｙ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ａ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｐｅａｋ．Ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｉｒｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｃｏｕｌｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ　ｔｗｏ　ｐｅａｋｓ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｒｒｏｒ　ｗａｓ　ｌｉｔｔｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｔｏ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｔｉｒｅ　ｃａｖｉｔｙ　ｍｏｄｅｓ．　ａｎｄ　ｈａｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｒｅ；ｃａｖｉｔｙ；ｍｏｄｅ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ