輪胎氣柱共鳴影響因素及改善措施

劉 杰

(賽科工業科技開發(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內燃機汽車的輪胎上普遍存在,由于發動機噪聲掩蔽效應,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汽車,因為沒有發動機噪聲,車輛行駛時的胎噪和路噪尤為突出。1999年,美國福特公司對電動車車內聲學特性進行了深入研究,并與傳統汽車進行了對比分析[1]。研究指出,由于缺乏發動機的掩蔽效應,在低速工況下,同樣聲壓級和響度的噪聲在純電動車內主觀感覺強烈。輪胎氣柱共鳴噪聲頻率范圍是人耳感知較為敏感的區域,因此輪胎氣柱共鳴噪聲差的車,乘客很容易發現,并引起不滿,特別是在平滑的路面上發生的輪胎氣柱共鳴噪聲,較容易察覺。研究電動汽車輪胎的氣柱共鳴噪聲形成機理及對策對提高駕乘舒適性有積極意義。

1 問題描述

某自主開發A級SUV純電動車型(BEV)采用的是某知名品牌輪胎供應商的255/50R17低滾阻輪胎。在小方磚路面行駛時,發現車輛的輪胎氣柱共鳴聲特別明顯,會引起乘客抱怨。經過測試,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 機理分析

圖1 某BEV車型在小方磚路面行駛時車內噪聲

共鳴代表空氣的共振,其中輪胎內空氣的共振稱之為“輪胎氣柱共鳴”。輪胎對路面的激勵力經過輪胎內空氣腔和輪輞的耦合系統傳遞到車軸,形成車軸或轉向節上的縱向力、側向力和垂直力,有時還有扭矩[2],并通過懸架系統傳遞到車身。輪胎內空氣腔的模態,在輪胎自由狀態下只有1個峰值,但輪胎與路面接觸變形后,胎面前后方向長度被拉長,該空氣腔的模態頻率變低,上下方向長度變短,頻率變高,空氣腔模態在接地后會分裂成2個峰值。同時,隨著車速的增加,該共鳴頻帶會變寬,原因是聲波在輪胎空腔內傳播,在接地點分裂成2個方向,1個順著車輛前進方向,1個逆著車輛前進方向。氣柱共鳴的頻率計算公式為

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表示車輪滾動半徑。

由式(1)可看出,隨著車速提高,該共振頻帶會變寬。圖2是該BEV車在小方磚路測試的滾動噪聲Campbell圖,發現在220 Hz附近存在共鳴帶。

輪胎內部的空氣形成了封閉的腔室,有著固有的模態。轎車輪胎聲腔模態頻率通常在210～240 Hz。當懸架的頻率和輪胎聲腔模態頻率一致時,發生共振現象,并將振動通過控制臂和懸架結構傳遞到車身[3]。路面激勵輪胎經懸架傳遞至車內產生噪聲可通過路面激勵力與輪心至車內的傳遞函數表示為

圖2 某BEV車型車內滾動噪聲Campbell圖

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

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[4]。

3 影響因素分析

3.1 溫度的影響分析

由振動共鳴頻率的計算公式可以得出,聲音在空氣中的傳播速度對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℃時候聲速是331 m/s,在15℃時聲速是340 m/s,在25℃時聲速是346 m/s。其計算公式如下

式中,t表示攝氏溫度。

輪胎在行走過程中因橡膠和地面發生擠壓和變形導致溫升明顯,可達到20～30℃。輪胎內溫度變化難以直接測量,但可對胎面溫度進行監控測量和修正。日產公司做過相關研究,在考慮溫度變化后共鳴頻率的精度可提高10～15 Hz。經過溫度修正后的輪胎聲腔共鳴頻率的計算公式可表示為

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比圖,實線是試驗值,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比圖

3.2 輪胎規格的影響分析

國際標準的輪胎規格,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、輪輞直徑、負荷指數、許用車速代號,比如195/65R15 91V。為了增加輪胎附著力和操控穩定性,輪胎一般會增加寬度。扁平率對輪胎的側偏剛度影響很大,扁平率越低的輪胎,接地面積會變寬,側偏剛度會提高,同時輪胎的變形會減少,輪胎接地變形后滯后損失會減低,從而降低行駛滾動阻力。對續航里程要求較高的電動車,其輪胎發展趨勢是低扁平率、大胎寬。圖4是用同樣花紋和周長但不同扁平率輪胎在小方磚路測試的滾動噪聲對比圖。

圖4 扁平率對輪胎空腔共鳴影響對比圖

從圖4可以看出,低扁平率輪胎對輪胎空腔共鳴噪聲的改善有利。某輪胎廠商采用大數據法,統計分析了輪胎扁平率對空腔氣柱共鳴的影響,測試結果如圖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,電動汽車輪胎氣柱共鳴噪聲有變差的趨勢。

圖5 扁平率對輪胎空腔共鳴影響對比圖

3.3 輪胎胎面模態影響分析

輪胎胎面模態、輪胎厚度、大小、寬度都會影響到振動傳遞率。輪胎的胎面振動模態可通過仿真的方法獲得。

由仿真結論可知,胎面偶數次模態對輪胎氣柱共鳴噪聲基本上沒有影響,但胎面奇數次模態對輪胎氣柱共鳴噪聲影響比較大(圖6),可考慮對輪胎奇數次模態使用避頻方法進行輪胎共鳴噪聲的改善。

圖6 輪胎奇偶數次模態對共鳴噪聲影響對比圖

3.4 輪輞影響因素分析

輪輞彈性體共振對空腔共鳴噪聲沒有影響,輪輞質量對空腔共鳴噪聲影響較大,輪輞轉動慣量對空腔共鳴噪聲影響不大。

考慮到空腔共鳴噪聲的主要貢獻量是上下方向的受力,質量對空腔共鳴噪聲影響比轉動慣量更為明顯。從測試結果來看,增大質量對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自左右方向,因此輪輞轉動慣量對空腔共鳴噪聲影響不大。

4 改善措施

圖7 不同輪輞質量下的空腔共鳴噪聲對比圖

從影響因素看,可從激勵源、傳遞路徑及響應尋求改進措施,分別對應輪胎、懸掛系統及車身。輪胎選型確定后,其空腔模態頻率已固定,對其空腔模態的優化可從降低幅值響應入手,研究從腔體處理(阻尼處理、腔體分割、吸振腔)進行改善。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。懸架結構設計應避開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。若出現空腔共鳴噪聲抱怨,可通過在懸架結構敏感位置安裝動態吸振器來進行優化。車身設計可考慮避開懸架的激勵頻率,車身接附點原點動剛度對懸架傳遞特性影響較大,要求達到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

主觀評價和客觀測試都表明,通過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題,如圖9所示。

5 結論

圖9 輪胎內增加吸音棉對空腔共鳴噪聲的改善

本文從機理上分析了輪胎空腔共鳴噪聲產生原因,并論述了空腔共鳴噪聲的幾種影響因素,得出電動汽車輪胎空腔共鳴噪聲較傳統車更為突出的結論。對于該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,改善了該電動汽車的行駛舒適性,并對電動汽車輪胎聲學性能改善有重要參考價值。