輪胎均勻性引發輪胎振動噪聲的研究

熊冉

摘 要：文章介紹了輪胎均勻性的產生原因、分類及評價方法。研究了輪胎均勻性對整車低頻、中頻和高頻振動噪聲的影響。結合輪胎的實際生產，詳細分析了輪胎各生產工藝環節對輪胎均勻性的影響。運用相關理論，分析和解決了兩個輪胎均勻性噪聲的實際問題。

關鍵詞：輪胎噪聲;輪胎均勻性;輪胎生產

中圖分類號：TQ366.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-97-04

Study on tire Vibration and Noise Caused by tire Uniformity

Xiong Ran

（ Beijing Benz Automotive Co， Ltd.， Beijing 100176 ）

Abstract： This paper illustrates the root causes， classifications and evaluation methods for tire uniformity. The influences of tire uniformity on vehicle noise and vibration have been deeply studied， regarding low frequency， intermediate frequency and high frequency. Based on tire production， make detail analysis of Uniformity influencing factors for the whole production process. Applying the theory of this paper to successfully analyze and solve two tire noise problems caused by tire uniformity problem.

Keywords： Tire noise; Tire uniformity; Tire production

CLC NO.： TQ366.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-97-04

引言

汽車噪聲是交通噪聲的主要載體，包括動力系統噪聲、傳動系統噪聲、車身氣動噪聲和輪胎噪聲等。輪胎振動噪聲是車輛高速行駛噪聲的主要成分，影響乘坐舒適性，引發環境噪聲污染，近年來得到整車制造廠與輪胎企業越來越多的關注。輪胎靜音性的研究是一個涉及車輛、輪胎及道路的綜合性課題，具有較高的研究價值。

本文針對輪胎均勻性振動噪聲展開了詳細研究。對質量不均勻、剛度不均勻和尺寸不均勻三類典型的輪胎均勻性問題進行詳細闡述，介紹了輪胎均勻性的評價指標，分析了輪胎均勻性對車輛振動的影響。詳細研究了輪胎生產過程中對均勻性的控制要素。最后，結合兩個實際案例，闡述了低階諧波和高階諧波輪胎振動噪聲問題的分析過程和解決方法。

1 輪胎均勻性的定義

輪胎在制造過程中容易出現材料厚度或密度的不均勻、質量偏差、零部件外形尺寸誤差、裝配誤差以及結構形狀超差等現象，在輪胎高速旋轉過程產生徑向力、側向力和切向力波動。力的波動幅度大到一定程度時，將引起汽車的振動噪聲。GB/T 6326《輪胎術語與定義》中對均勻性的定義為：在靜態和動態條件下，輪胎圓周特性恒定不變的性能。輪胎的不均勻性表現在質量不均勻、剛度不均勻和尺寸不均勻三個方面[1]。

1.1 質量不均勻

質量不均勻即輪胎旋轉中心與幾何中心不重合，不平衡質量在輪胎旋轉時會產生離心力，根據不平衡質量所處位置的不同，可分為靜不平衡和動不平衡。不平衡力可由以下方程計算：

（1）

式中，F為不平衡力，m為不平衡質量，r為不平衡質量到轉軸中心距離，ω為旋轉速度

1.2 剛度不均勻

輪胎是一個彈性體，沿著輪胎圓周會出現徑向剛度不同的情況，這種現象稱之為輪胎的剛度不均勻。剛度不均勻的輪胎可用一系列剛度不同的徑向彈簧來模擬。由于剛度各不相同，在一定載荷下其壓縮長度的不同導致車輪滾動的不均勻（承載徑向偏差），引發輪胎振動噪音[1][2]。

圖1 ?輪胎徑向彈簧模型

1.3 尺寸不均勻

輪胎尺寸不均勻也叫做輪胎不圓，即輪胎圓周上各點到圓心的距離不完全相等。這種情況在輪胎生產過程中是無法完全避免的，如接頭量偏大或偏小，接頭定點分布的偏移等都會對輪胎尺寸造成影響。輪胎表面徑向的“凹凸不平”會成為整車振動的一個激勵F=K??R，式中K為輪胎剛度。

圖2 ?輪胎尺寸不均勻示意圖

1.4 車輪總成不均勻

圖3 ?車輪與輪輞剛度對點裝配

車輪總成由輪胎和輪輞組成，車輪總成的不均勻量與各單獨元件不均勻量及裝配的相對位置有關[2]。輪胎與輪輞的裝配有兩種方式：質量平衡和剛度平衡。質量平衡即氣門嘴與輪胎質量輕點裝配。剛度平衡即輪胎徑向剛度最大點與輪輞徑向剛度最小點裝配。通過選擇合理的裝配方法，保證車輪總成的均勻性。

2 輪胎均勻性的評價方法

不均勻的輪胎在滾動時將引起輪胎作用在地面上力和力矩的變化，通過測量這些值可以用來評價輪胎的均勻程度，表征輪胎內部缺陷在輪胎旋轉運動時的力學影響。下面列舉了常用的輪胎均勻性評價指標：

2.1 剛度均勻性的主要評價指標

（1）徑向力波動（RFV）：指受負荷的輪胎在固定負荷半徑和恒定速度下，每轉一周自身反復出現的徑向力最大波動值。RFV偏大會使汽車振動噪聲增大，乘坐舒適度下降，引起汽車零部件的早期損壞。

（2）側向力波動（LFV）：指受負荷的輪胎在固定負荷半徑和恒定速度下，每轉一周自身反復出現的側向力最大波動值。LFV偏大易使車輪發生搖擺，操縱穩定性和高速行駛安全性變差，輪胎的耐磨性能下降。

（3）錐度效應力（CON）：指受負荷的輪胎在旋轉是不因旋轉方向改變而改變方向的側向力偏差值。CON偏大易使汽車向錐度效應力正方向跑偏。

圖4 ?RFV與LFV指標

圖5 ?錐度效應力示意圖

2.2 尺寸均勻性的主要評價指標

（1）輪胎徑向尺寸偏差（RRO）：指以輪胎的固定軸線為基準，最大半徑與最小半徑的差值。

（2）輪胎側向尺寸偏差（LRO）：指輪胎胎側與垂直于固定軸線的中心平面之間最大與最小尺寸之間的差值。

圖6 ?RRO與LRO指標

2.3 質量均勻性的主要評價指標

（1）靜平衡（SB）：輪胎靜止狀態下，周向的不平衡質量。

（2）動平衡（DB）：充氣輪胎旋轉時，上下平面的不平衡質量。

圖7 ?車輪靜不平衡 ? ? ? ? 圖8 ?車輪動不平衡

3 輪胎均勻性對車輛振動的影響

汽車上有許多具有一定共振頻率的部件，輪胎不均勻性產生的激振力會使這些部件產生各種各樣的振動[3]。

（1）低頻振動（簧上部件振動）

車輛簧上部件的振動形式有垂直振動、俯仰振動、左右搖擺振動等，振動的頻率大都在1Hz左右。若車輛上裝配有不均勻度1次（或2次）成分較大的輪胎時，當車輪以每秒1轉（對于2次成分每秒1/2轉）的低速滾動時，車身就會發生搖晃和振動，由于各車輪的激勵可能存在相位差，于是便產生上述各種振動合成的異常振動。

（2）中頻振動（簧下部件振動）

車輛簧下部件的模態頻率主要分布在10～15Hz，因此對于不均勻度1次成分較大的輪胎，以每秒10～15轉的速度行駛即相當于轎車的速度為70～110km/h，對于2次成分較大的輪胎相當于35～55km/h的速度下行駛時，將發生簧下部件的共振。該振動會使人感覺到路面凸凹不平，所以又稱為“凸凹不平”振動。

（3）高頻振動（輪胎或車身振動）

在輪胎不均勻度的高次諧波中，若有一個諧波較大，很容易到達輪胎的共振頻率，使汽車產生劇烈振動。且車身上具有高頻共振點的部件非常多，在輪胎不均勻度的高次成分中，若有一個成分較大，且該成分的頻率與車室內發生的駐波頻率一致的速度下就會發生異常的噪聲。若當其與發動機爆發音的周期接近時，還會出現敲打聲，使噪聲變得更加復雜。車輛在高速行駛時，易產生此類噪聲。

4 影響輪胎不均勻的主要因素

輪胎均勻性問題主要由輪胎徑向尺寸和剛度的偏差導致，輪胎生產制造工藝對輪胎均勻性有較大影響，主要涉及材料偏差、成型和硫化工藝，在生產制造過程中需要嚴加控制[4][5][6]。表1列出了常見的影響均勻性的因素。

表1 ?影響輪胎均勻性的因素

5 行駛速度對輪胎均勻性的影響

在輪胎旋轉一周的過程中，徑向力是一個復雜的波形，可通過傅里葉級數的方法將其分解為多個諧波的疊加，如圖9所示。

設徑向力波形為f（t），周期為T，角頻率Ω=2πf，則可將其分解為[7]：

（2）

式中，an和bn的計算方法如下：

（3）

輪胎轉速對各階次諧波有顯著的影響，同一條輪胎在不同轉速下的力學特性存在較大差異。圖9為不同車速下的徑向力曲線，從中可以看出各條曲線間存在著明顯的差異。圖4反映了徑向力各諧波的RFV隨車速的變化，不同車速下出現不同諧波的最大波動值，例如當車速為100km/h時，第5階諧波的RFV達到最大值，而第3階諧波的RFV最大值在速度到達160km/h后才出現[8]。在進行輪胎均勻性分析時需要考慮車速對輪胎力學性能的影響。

圖9 ?徑向力的諧波分析

6 輪胎均勻性噪聲解決實例

6.1 徑向力高階諧波引發輪胎噪音

輪胎徑向力高次諧波中，若有一個諧波的RFV較大，很容易達到輪胎的共振頻率，使輪胎產生振動噪聲。

某試裝車輛在測試廠內，以60Km/h至80km行駛時，出現明顯的低頻轟鳴聲，乘員有明顯不適感。通過多組零部件互換試驗，鎖定右前輪為噪音源。

該輪胎的高速均勻性測試結果顯示，在60km/h到80km/h的速度范圍內，輪胎的八階RFV明顯高于正常輪胎。通過對硫化工藝中損傷的八塊拼裝模具的修復，顯著改善了輪胎噪音中的八次諧波成分，車輛乘坐者的舒適性得到明顯改善。

圖10 ?噪音輪胎與優化后輪胎的對比圖

6.2 徑向力低次諧波引發輪胎噪音

某車輛以50km/h以上速度在彎道內轉向時，出現明顯噪音，直線行駛時噪音消失彎道半徑約50m，路面坡度30～40度。

經過對問題輪胎的測試，在RFV的波形圖上存在一個不正常點，每當輪胎滾動到該點時徑向力明顯增大。通過對輪胎該位置進行剖切，發現該點的胎體橡膠厚度異常。檢查輪胎生產工藝，發現膠片卷收器的張緊力低于規定值，導致簾布層發生褶皺。通過調整張緊力，有效解決了輪胎噪音問題。

圖11 ?RFV檢查結果

圖12 ?橡膠堆積現象

7 結語

本論文介紹了輪胎均勻性的產生機理和評價方法，詳細闡述輪胎均勻性對車輛振動噪聲的影響。結合輪胎的實際生產過程，分析了輪胎各生產工藝環節對輪胎均勻性的影響。詳細分析了車輛行駛速度對輪胎均勻性的影響。針對徑向力高階諧波和低次諧波產生的輪胎振動噪聲問題，分別提供了一個實際案例。

參考文獻

[1] 李曉雷，余德孚，孫逢春.機械振動基礎[M].北京：北京理工大學出版社， 1994.

[2] 莊繼德.汽車輪胎學[M].北京：北京理工大學出版社，1995.

[3] 沈偉，易斌，陸偉領.動力吸振器在降低車內路噪中的應用[J].汽車工程， 2010（32）： 690-693.

[4] 文偉，張軍，宮世超等.輪胎空腔共振噪聲工程控制及應用[A]. 2015中國汽車工程學會年會論文集[C].北京：中國汽車工程學會， 2015： 1815.

[5] A.M.Jessop， J.S.Bolton.輪胎腔體模式產生的表面振動和噪聲輻射[J]. 輪胎工業， 2013.3（9）： 521-524.

[6] 許津，宋年秀，張敬輝等.汽車室內噪聲分析及動力吸振器的降噪措施[J].路與汽運. 2016（175）： 12-14.

[7] 于學華.輪胎空腔共振噪聲的改進方法[J].華南理工大學學報. 2009.37（7）： 90-105.

[8] 張孝祖，武鵬.裝有動力吸振器的汽車懸架性能分析[J].江蘇大學學報.2004.25（5）：389-392.