基于有限元仿真的轎車輪胎噪聲研究

曹 慧,阿達依·謝爾亞孜旦

(新疆大學機械工程學院,新疆 烏魯木齊 830047)

1 引言

輪胎噪音反應出的是輪胎制造工藝的高低,同時也關乎到舒適感,同時也影響著社會環境。根據相關的數據調查發現,城市中的70%的噪音由行駛中的車輛產生[1,2]。因此應當找到更加優質的輪胎品牌,提高駕駛舒適感,減少駕駛當中的噪音污染。

近年來,許多國內外研究學者用不同的方法分析輪胎噪聲。Seki K[3]提出了小波分析方法,闡述了胎面花紋與輪胎噪聲之間的相關性。Hwang S w[4]利用小波變換對花紋塊和花紋槽的沖擊波進行了研究,證實了輪胎花紋節距序列對輪胎噪聲的影響。Chen X[5]利用小波變換的方法來分析在不同速度下的輪胎噪聲。包秀圖[6]等通過有限元分析來計算輪胎表面節點的振動速度,并將其設置為聲學計算的頻域邊界條件,再利用聲學邊界元理論計算輪胎的低頻振動噪聲。

本文基于有限元分析軟件Abaqus以及聲學仿真軟件LMS Virtual.Lab,以205/55R16的雪地胎和四季胎為研究對象,如圖1所示,結合慣性滑行法進行對比分析。該方法在一定程度上降低了研究成本,提高了研究的精確性,并為我國低噪化輪胎提供新的設計和研發思路。

圖2 橡膠的本構關系曲線

2 理論知識

2.1 輪胎噪聲分類

對于輪胎噪聲如何產生,它的原理十分的復雜,能夠產生噪聲的原因有很多,但是所有的輪胎噪聲都是由于輪胎和地面發生摩擦產生相互作用,或者輪胎和空氣發生相互影響和輪胎發生形變而產生的[7]。輪胎噪聲可以分為很多種,主要可以分為輪胎花紋噪聲、輪胎空氣振動噪聲和輪胎滾動噪聲。輪胎花紋噪聲主要包括:花紋塊擊地噪聲、花紋槽的泵浦發聲、氣柱共鳴噪聲、光面胎的隨機沙聲。輪胎空氣振動噪聲主要包括:道路激振噪聲、敲打噪聲、重擊噪聲、崎嶇噪聲、空氣渦流噪聲、彈性振動噪聲、道路摩擦噪聲[8]。輪胎在行駛過程中會產生多種噪聲,這些噪聲相互作用傳入人耳就是人們所聽到的輪胎噪聲。

2.2 輪胎滾動噪聲

輪胎與路面及空氣相互作用產生激勵,激勵中的一部分從車輛懸架擴散到車身,從而使車身底板產生振動,影響汽車的NVH性能[9]。而另一部分輪胎激勵和空氣振動用空氣作為媒介向外傳遞,從而生成輪胎的滾動噪聲。有兩種因素影響輪胎滾動噪聲,分別是輪胎的設計因素和輪胎的使用因素[10]。輪胎的結構和花紋都屬于它的設計因素。汽車的行駛速度,輪胎內部的氣壓和載荷,道路的情況和輪胎的磨損,這些都屬于使用因素。現階段降低輪胎的滾動噪聲主要采用措施是建立隔音板來減少聲音傳播,這種方法并不能從根本上解決交通運輸噪聲的產生,需要從輪胎設計因素入手,從根源上來降低輪胎滾動噪聲。

2.3 材料模型

在進行相關測試的時候,輪胎的力學行為與材料的選擇之間有著非常密切的關系。這兩者之間的相互影響,在有限元的仿真當中,最終的仿真成果情況跟獲取相關參數之間也有著直接關系。這些相交參數的具體情況,需要在整個模擬之前就獲取相應的精確參數。在模擬之前就應該進行拉伸、剪切和雙軸拉伸等等。這類實驗在型微控電子萬能試驗機上就可以做,在檢測靜態數據的時候,相關的模擬整個過程需要相對比較緩慢。應變速率控制在1%·s-1,這樣就可以更加深入地完善整體的綜合教學訓練。其中整個實驗需要進行重復幾次拉伸的循環,確保拉伸曲線的穩定和超彈性本構關系曲線情況。

在檢測當中有著一些基本的要求,其中這些條件是檢測該數值的基礎。只有滿足以下這些相應的條件,才能夠完成整個問題的檢測。

1)分子鏈由相同的連接組成,這種情況下鏈角可以相互變化,而且整體是不受限制的狀態。

2)在整個檢測當中,交聯點在平均位置附近的統計情況有著一定的漲落變化,但是可以忽略不計。

3)鏈接的末端跟向量的變形和橡膠材料之間的變形情況要一致,也可以看做是其服從性比較好,仿射變換規律。

4)在綜合計算交互網絡的應變儲能時,能夠不考慮分子的互動作用。

5)在橡膠材料變形的過程當中,變形的熵是分子熵的綜合。

這些條件是完成材料檢測的重要基礎,需要同時滿足這些相應的條件,才能夠保證整個檢測的基本正確性情況。這樣才能夠讓檢測更加高效,確保整體檢測情況更加符合整體的要求。在這個檢測過程當中,能夠更好地完善相關的工作。在材料模型確定之后,才能夠開始輪胎噪聲仿真分析。

3 輪胎噪聲仿真分析

3.1 輪胎有限元模型

目前,對于輪胎的有限元模型建立大多都是基于Abaqus進行的。輪胎結構復雜且建模過程十分繁瑣,因此建立輪胎有限元模型可以簡化成建立輪胎幾何模型和輪胎材料模型[11,12]。輪胎材料模型可以通過Hypermesh軟件建立,而輪胎幾何模型則是通過Hypermesh和Abaqus軟件共同作用。首先用利用CAD繪制二維模型圖,將二維模型圖導入Hypermesh中生成二維有限元幾何模型,如圖3所示。其中模型采用CGAX3H單元和CGAX3H單元來模擬橡膠部分,采用SFMGAX1單元來描述簾布層部分,采用ACAX3和ACAX4來表示空腔結構,用Neo-Hooke超彈性模型來替代橡膠材料,路面用解析剛體表示。

圖3 輪胎有限元二維模型

將在Hypermesh軟件中建立的二維有限元幾何模型導入Abaqus有限元仿真軟件,對輪胎進行充氣旋轉,生成輪胎三維有限元模型,如圖4所示。其中該模型的單元總數75782,節點總數為135002。輪胎分析標準充氣壓力為0.9MPa,額定負荷為3150kg,滾動速度為70 km/h。

圖4 輪胎有限元三維模型

圖5 輪胎接地壓力云圖

根據輪胎三維接地壓力分布圖可以看出,輪胎與地面接觸壓力最大,輪胎接地前端接觸壓力小于輪胎接地后端,而通過輪胎噪聲產生機理可以知道輪胎輪胎接地前端噪聲聲壓級小于輪胎接地后端。

3.2 輪胎聲學模型

本文運用LMS Virtual.Lab中的一種新型聲學有限元方法AML進行輪胎滾動噪聲的聲學仿真[13-15]。以某品牌的四季胎作為研究對象,將有限元仿真得到的輪胎結構振動響應文件導入LMS Virtual.Lab中建立聲學仿真建模型,如圖6所示。

圖6 輪胎聲學仿真模型

輪胎噪聲聲場如圖7所示,結合圖6 輪胎聲學仿真模型,A點是輪胎接地前端,B點是輪胎接地后端,從圖中可以看出:隨著頻率逐漸增大輪胎噪聲也逐漸擴散;在同一頻率下A點噪聲始終小于B點噪聲,從側面印證了輪胎聲學仿真模型的可靠性。

圖7 輪胎聲場分布云圖

4 慣性滑行法分析

輪胎滾動噪聲試驗主要有三種:慣性滑行法、實驗室轉鼓法和拖車法。慣性滑行法是測試汽車在發動機關閉、空擋滑行時,輪胎處于自由滾動狀態下的噪聲。慣性滑行法所測結果能夠很好地表征輪胎/路面噪聲向外部遠場輻射的實際情況,測量精度較高。實驗室轉鼓法轉鼓表面有一定曲率,不能完全模擬路面。拖車法對比慣性滑行法需要進行兩倍的重復測試。因此本文采用慣性滑行法來對輪胎噪聲進行測量。

4.1 試驗場地

一個連續的水平區域的半自由聲場構成了試驗場地。試驗場地需滿足的聲場條件:在該場地的中心位置放置一個無指向小聲源時,半球面上各方向的聲壓級偏差不超過1dB(A)。應滿足在試驗區域中心50m以內的范圍沒有大的聲音反射物體的條件。

在整個測量過程中試驗路面應該是干靜、整潔的,試驗區域和道路表面應符合ISO 10844的要求。測量區域如圖8所示。

圖8 輪胎噪聲測量區域

4.2 試驗儀器及試驗前準備

符合GB/T 15173--2010中對第I類型設備要求的聲級儀,使用前需按照儀器生產廠的說明書要求進行校正,測量時應使用“A”頻率計權特性和“F”時間計權特性;精度在1攝氏度以內的溫度測量儀測量空氣和試驗路面溫度;精度在1m/s以內的風速儀測量風速及風向,且風速儀應該在聲級儀高度,如圖p點所示位置;試驗前,車輛應被清洗干靜,沒有泥土、污染物或在車輛行駛前無意加入的吸音材料;汽車的車窗和天窗在試驗期間應關閉;輪胎的平均負荷應是其負荷指數能力的75%。

試驗前, 輪胎與輪轂之間需要保持良好的動平衡。輪胎需要按照試驗滾動方向進行磨合,磨合公里數不低于100km。在磨合過程中磨損胎面時應注意輪胎必須保持完整的花紋。在試驗開始前,試驗車輛與要進行預熱,即車輛以參考速度行駛10min。

4.3 試驗方法

車輛以規定試驗速度沿行駛中心線勻速行駛,當車輛前端到達測試區域起始線時,駕駛員選擇空檔,關閉發動機,使車輛滑行通過測試區間,如圖8所示。首先用聲級計測量環境噪聲,用溫度測量儀測量空氣溫度,在聲級儀附近測量風速及風向。當車輛到達PP′ 線時,同時記錄車輛左右兩側車輛通過時最大聲壓級,隨后立即測量車輛行駛過后路面溫度。車輛從AA′ 到BB′ 以一種車速行駛,參考車速的上下分別至少有4個測量結果。

4.4 輪胎滾動噪聲測試

對于轎車而言,需將測試結果歸一化到同一路面參考溫度下的噪聲,用如下公式進行校正

Lm=Lp+K(θr-θ)

(1)

式中,LP為實測噪聲測量值;θ為測試路面的測量溫度;θr=20 ℃,為參考溫度;K為系數。

輪胎滾動噪聲測試如圖9所示,對于轎車輪胎滾動噪聲通過回歸法進行校正

圖9 輪胎噪聲測試

LR=L-aV

(2)

式中:L為溫度修正后聲壓級的算術平均值,用單位dB表示。

(3)

其中n是修正的聲壓級個數,n必須大于16,在同一個回歸分析中,使用兩個傳聲器數據。

速度對數的算數平均值見式(4)

(4)

a是回歸曲線的斜率,其單位用dB(A)表示。

(5)

考慮系統測試誤差,得到的噪聲等級Lm應減去1.5d B(A),并且最后的測試結果保留小數點后一位。

為了更好的研究速度對輪胎滾動噪聲的影響,對某品牌的205/55R16雪地胎和四季胎進行輪胎滾動噪聲測試,得到的輪胎滾動噪聲隨速度變化如圖10所示。從圖10可以看出:車輛行駛速度在70km/h以上時,雪地胎和四季胎的輪胎滾動噪聲隨著速度的增大而增大;整體來看,P點和P’點噪聲值相差不大,在行駛速度為78km/h時,四季胎P點和P’點噪聲產生最大聲壓級差值,差值為0.8dB(A),符合實驗要求;雪地胎噪聲從78km/h—80km/h出現激增現象,該現象表明,隨著速度增大雪地胎噪聲相較于四季胎變化更劇烈,因此建議駕駛員行駛時平均車速不超過75km/h。

圖10 不同速度下輪胎滾動噪聲

不同類型的輪胎滾動噪聲變化趨勢如圖11所示。由圖11可以看出,在同一速度下行駛,雪地胎噪聲明顯高于四季胎噪聲,雪地胎最大噪聲聲壓級為83.7dB(A),而四季胎最大噪聲聲壓級為78.5dB(A),兩者噪聲聲壓級相差5.2dB(A)。造成這一現象的原因主要是:雪地胎的胎面剛度比四季胎的要小,而一般情況下不同的胎面剛度對輪胎噪聲的影響可以達到5dB(A)。雪地胎胎面剛度滿足雪地使用性能,在其它路面行駛時,輪胎噪聲聲壓級增高,所以合理選擇輪胎也能有效降低輪胎噪聲。

圖11 速度與輪胎滾動噪聲關系

以205/55R16四季胎為研究對象,選取72km/h和82km/h行駛速度下的噪聲聲壓級。頻率對輪胎滾動噪聲仿真和測試結果的影響如圖12所示。

圖12 不同頻率下輪胎滾動噪聲

從圖12可以看出,隨著頻率增大輪胎噪聲聲壓值處于穩定的一個區間范圍,行駛速度在82km/h胎噪聲聲壓值明顯比72km/h要大;頻率在2000-3000HZ時,輪胎噪聲聲壓級下降。造成這一變化的主要原因是:在輪胎振動傳遞過程中,當頻率在0-500HZ時,駕駛員能感受到的振動主要是機械振動;500-2000HZ,主要表現為輪胎噪聲;2000-3000HZ,主要是輪胎噪聲和機械振動共同作用。仿真和試驗結果相差不大,這表明有限元模型和聲學仿真模型有較強可靠性。由于試驗時有一定的外部環境干擾,導致試驗結果略小于仿真結果。

5 轎車輪胎的選擇建議

本文在輪胎噪音研究當中,主要是研究不同氣候類型下轎車輪胎噪音情況的分析,同時分析的方法主要是從增速情況來檢測輪胎的噪音情況,從得到的結果來看,全天候四季輪胎噪音率更低,同時雪地胎在不同速度之下的噪音反應,在選擇的時候必須要充分考慮。

5.1 雪地胎選擇應當重視自然環境

從整體的噪音評測當中可以看出,雪地胎的剛度是造成其噪音較高的主要原因。雪地胎的剛度更加適合冰雪環境,因此應該更深層考慮自身所處環境的應用頻率,確保輪胎選擇當中的整體效益。

5.2 雪地胎在行駛中應當重視速度控制

在駕駛當中通過對轎車噪音的反饋,可以對車輛行駛情況有個初步的判斷。這是駕駛員經驗在行駛安全中的重要依據之一。雪地胎在速度達到了80Km/h時,整體的噪音會呈現顯著上升的情況。同時在達到這個速度之后,已經不再是單純的輪胎噪音,還出現了車身噪聲的影響。這些將會影響駕駛者的判斷,所以應當重視速度的控制。

6 結論

本文中通過試驗和仿真研究了C1類汽車輪胎滾動噪聲輻射的影響規律,得出以下主要結論。

1)同一車輛在相同速度下行駛,四季胎噪聲明顯低于雪地胎噪聲,這是由于雪地胎的胎面剛度比四季胎的要小,而一般情況下不同的胎面剛度對輪胎噪聲的影響可以達到5dB(A)。雪地胎胎面剛度滿足雪地使用性能,在其它路面行駛時,輪胎噪聲聲壓級增高,所以合理選擇輪胎也能有效降低輪胎噪聲。

2)通過改變車輛行駛速度可以看出,隨著車輛行駛速度的增長,輪胎噪聲聲壓級也隨之提高。雪地胎噪聲隨速度變化更劇烈,78km/h-80km/h時,出現聲壓級激增現象,為了駕駛安全性和行駛舒適性,建議駕駛員行駛時速度不超過75km/h。