非結(jié)構(gòu)因素對(duì)半鋼子午線輪胎模態(tài)特性的影響

冷德新，羅 旭，王方程，孟祥龍

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 威海 264300]

輪胎作為汽車與路面接觸的唯一部件，其振動(dòng)特性直接影響整車的行駛平順性和乘坐舒適性。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及人們生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)汽車及輪胎振動(dòng)噪聲要求越來越高，減震降噪也愈發(fā)受到輪胎廠和整車廠的重視。

輪胎模態(tài)特性與振動(dòng)特性直接相關(guān)，因此也受到了國(guó)內(nèi)外企業(yè)、高校和科研院所研究人員的廣泛關(guān)注。田穎等[1]研究了7種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素對(duì)輪胎固有頻率和阻尼的影響，并判定各因素對(duì)模態(tài)頻率和阻尼的影響顯著程度。李慧敏等[2-3]研究了輪胎固有頻率的測(cè)算方法和影響因素。國(guó)外在此領(lǐng)域開展的研究較早，B.G.KAO[4]和M.MASAMI等[5]從輪胎剛度及參數(shù)化模型方面對(duì)輪胎振動(dòng)模態(tài)特性進(jìn)行了研究。

輪胎振動(dòng)特性研究一般在靜態(tài)和滾動(dòng)兩種工況下展開，影響因素包括胎面結(jié)構(gòu)、帶束層角度等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，也包括充氣壓力、邊界條件等非結(jié)構(gòu)因素。輪胎振動(dòng)模態(tài)按方向可分為徑向振動(dòng)模態(tài)、橫向振動(dòng)模態(tài)和周向振動(dòng)模態(tài)，徑向振動(dòng)模態(tài)與車輛乘坐舒適性直接相關(guān)，也是輪胎廠和主機(jī)廠最關(guān)注的。

本工作研究靜態(tài)工況下非結(jié)構(gòu)因素對(duì)輪胎徑向振動(dòng)模態(tài)特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

自由狀態(tài)下輪胎模態(tài)測(cè)試見圖1，用彈性繩將充氣輪胎豎直懸掛，得到近似自由-自由的邊界條件。加速度傳感器布置在胎面合適位置，根據(jù)輪胎尺寸及模態(tài)階數(shù)將輪胎均分，并在胎面做好標(biāo)記。本工作采用移動(dòng)力錘法對(duì)輪胎進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，利用Test.Lab軟件的PolyMax模塊進(jìn)行模態(tài)分析，得到輪胎徑向振動(dòng)模態(tài)各階固有頻率及振型。

圖1 自由狀態(tài)下輪胎模態(tài)測(cè)試

以205/50R16半鋼子午線輪胎為研究對(duì)象，選取溫度、裝配輪輞、邊界條件、測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)數(shù)量和充氣壓力6種非結(jié)構(gòu)因素，研究其對(duì)輪胎徑向振動(dòng)模態(tài)特性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行輪胎模態(tài)測(cè)試，一般控制測(cè)試環(huán)境為室溫，室溫定義通常包括（20±5），（23±2）和（25±5） ℃三種，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度的變化對(duì)輪胎各階固有頻率存在影響。不同溫度下輪胎徑向固有頻率對(duì)比見表1。

表1 不同溫度下輪胎徑向固有頻率對(duì)比 Hz

由表1可見，溫度降低3 ℃時(shí)各階固有頻率變化很小，但當(dāng)溫度降低7 ℃時(shí)，輪胎固有頻率明顯增大，且越高階頻率增大越多。因此，輪胎模態(tài)試驗(yàn)環(huán)境溫度波動(dòng)應(yīng)盡量控制在較小范圍內(nèi)，一般在（23±2） ℃溫度下比較合適。車輛在某些地區(qū)或極端天氣條件下出現(xiàn)振動(dòng)噪聲問題時(shí)，可以考慮是否為輪胎或其他部件因溫度變化引起固有頻率發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致耦合共振。

溫度變化對(duì)輪胎空腔模態(tài)頻率也有影響，溫度分別為14，18和21 ℃時(shí)，輪胎空腔模態(tài)頻率分別為229.94，231.08和232.34 Hz?？梢姕囟壬撸涨荒B(tài)頻率隨之增大，溫度每升高3～4 ℃，頻率增大約1 Hz。輪胎空腔模態(tài)頻率與聲速成正比，與波長(zhǎng)成反比，而聲速與腔體內(nèi)部溫度成正比，波長(zhǎng)近似等于輪胎內(nèi)腔中心周長(zhǎng)，受溫度變化影響很小，因此輪胎空腔模態(tài)頻率與溫度呈正相關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果與之相符。

2.2 裝配輪輞

通常所說的輪胎試驗(yàn)?zāi)B(tài)是對(duì)輪胎-輪輞組合體進(jìn)行測(cè)試得到的結(jié)果，因此裝配輪輞對(duì)組合體的振動(dòng)模態(tài)特性也有影響。汽車上的裝配輪輞一般為商用鋁合金輪輞，而實(shí)驗(yàn)室通常采用的是鋼質(zhì)試驗(yàn)輪輞。這兩種輪輞的模量相近，質(zhì)量卻相差很大。不同裝配輪輞的輪胎徑向固有頻率對(duì)比見表2。

由表2可以看出，不同裝配輪輞主要影響輪胎一階剛體模態(tài)頻率，對(duì)高階彈性體模態(tài)頻率的影響較小。

表2 不同裝配輪輞的輪胎徑向固有頻率對(duì)比 Hz

2.3 邊界條件

邊界條件影響結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布，從而影響輪胎固有頻率。將輪胎分別用彈性繩懸掛和安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，模擬輪胎自由懸掛及中心固定的邊界條件。不同邊界條件輪胎徑向固有頻率對(duì)比見表3。

表3 不同邊界條件的輪胎徑向固有頻率對(duì)比 Hz

由表3可見，輪輞中心固定后對(duì)剛體模態(tài)頻率影響較大，與自由懸掛輪胎相比，中心固定輪胎一階固有頻率明顯降低，其他高階彈性體模態(tài)頻率略有增大。

2.4 測(cè)點(diǎn)位置

常見的半鋼子午線輪胎有3或4條縱溝，本工作選取4條縱溝的半鋼子午線輪胎，在胎面不同位置布點(diǎn)測(cè)試，如圖2所示。不同測(cè)點(diǎn)位置輪胎徑向固有頻率對(duì)比見表4，不同測(cè)點(diǎn)位置頻響函數(shù)曲線如圖3所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意

圖3 不同測(cè)點(diǎn)位置的輪胎頻響函數(shù)曲線

由表4可見，整體來說不同測(cè)點(diǎn)位置固有頻率差異不大，均在1 Hz以內(nèi)。

表4 不同測(cè)點(diǎn)位置的輪胎徑向固有頻率對(duì)比 Hz

由圖3可見，不同測(cè)點(diǎn)位置的輪胎模態(tài)頻率差異雖然不大，但頻響函數(shù)曲線幅值有差異。響應(yīng)加速度傳感器固定在中間加強(qiáng)筋上，敲擊中間加強(qiáng)筋位置，能量傳遞較好，共振峰值較高，尤其是高階模態(tài)。敲擊胎肩處模態(tài)振型略差，且共振峰值普遍較低，能量傳遞過程中損失較多。

2.5 測(cè)點(diǎn)數(shù)量

不同測(cè)點(diǎn)數(shù)量的模態(tài)測(cè)試幾何模型見圖4，不同測(cè)點(diǎn)數(shù)量的輪胎徑向固有頻率對(duì)比見表5。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)數(shù)量模態(tài)測(cè)試幾何模型

由表5可見，測(cè)點(diǎn)數(shù)量對(duì)輪胎模態(tài)頻率沒有太大影響，頻率差異均在1 Hz以內(nèi)，但是對(duì)模態(tài)振型影響較大。只有8個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，由于測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，三階模態(tài)振型不明顯，五階模態(tài)振型與三階模態(tài)振型混疊而無法準(zhǔn)確分辨，如圖5所示。因此在模態(tài)測(cè)試時(shí)，如需分析前3階模態(tài)，則至少要做8個(gè)測(cè)點(diǎn)。36個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)振型略圓滑，但工作量明顯增大，工作效率降低，如果重點(diǎn)關(guān)注前8階模態(tài)，只需24個(gè)測(cè)點(diǎn)即可。

表5 不同測(cè)點(diǎn)數(shù)量輪胎徑向固有頻率對(duì)比 Hz

圖5 測(cè)點(diǎn)數(shù)量不足造成的模態(tài)振型混疊

2.6 充氣壓力

輪胎徑向固有頻率隨充氣壓力的變化如圖6所示。輪胎充氣壓力增大，徑向剛度增大，徑向各階固有頻率也會(huì)增大，測(cè)試結(jié)果很好地印證了這一點(diǎn)。由圖6可見，輪胎空腔模態(tài)頻率隨著充氣壓力的增大而增大，充氣壓力增大50 kPa，徑向各階固有頻率增大5%～14%，高階彈性體模態(tài)受充氣壓力影響更大。

圖6 輪胎徑向固有頻率隨充氣壓力的變化

3 結(jié)論

研究了溫度、裝配輪輞、邊界條件、測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)數(shù)量以及充氣壓力非結(jié)構(gòu)因素對(duì)輪胎固有頻率的影響，得到以下結(jié)論：

（1）輪胎各階固有頻率與溫度呈負(fù)相關(guān)，空腔模態(tài)頻率與溫度呈正相關(guān)；

（2）裝配輪輞與輪胎一階固有頻率相關(guān)，對(duì)高階彈性體模態(tài)影響不大；

（3）中心約束后輪胎一階固有頻率明顯降低，對(duì)高階彈性體模態(tài)影響不大；

（4）測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量對(duì)輪胎各階固有頻率影響不大，但要獲得準(zhǔn)確的高階模態(tài)振型，應(yīng)選擇合適的測(cè)點(diǎn)數(shù)量；

（5）充氣壓力與輪胎各階固有頻率呈正相關(guān)，且越高階模態(tài)受充氣壓力影響越大。

本研究尚有很多有待完善之處，如非結(jié)構(gòu)因素還包含加載條件、不同激勵(lì)方式等，另外，溫度變化范圍相對(duì)較小，充氣壓力變化范圍也相對(duì)較小，輪胎生命周期不同階段固有頻率的變化等都有待進(jìn)一步深入研究。