輪輞側(cè)向剛度對(duì)路噪提升相關(guān)性研究

戴大力　張寧

摘 要：為優(yōu)化某款電動(dòng)汽車(chē)路噪，采用仿真結(jié)合測(cè)試的方法，以輪輞側(cè)向剛度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其輪輞進(jìn)行模態(tài)仿真和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了輪輞側(cè)向剛度可以在車(chē)型開(kāi)發(fā)前期通過(guò)仿真計(jì)算，并提出具體指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)控制，驗(yàn)證不同側(cè)向剛度對(duì)噪聲傳遞函數(shù)的影響，優(yōu)化前后輪輞側(cè)向剛度道路測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果顯示，在200～400Hz頻段內(nèi)，輪輞側(cè)向剛度對(duì)整車(chē)路噪有顯著影響。文章開(kāi)展輪輞側(cè)向剛度對(duì)路噪提升相關(guān)性研究驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了輪輞側(cè)向剛度提高對(duì)路噪改善的影響，為優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的NVH路噪提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：路噪 對(duì)標(biāo) 輪輞側(cè)向剛度 噪聲傳遞函數(shù)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，舒適性更佳的純電動(dòng)汽車(chē)已成為汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的主流方向。相較于傳統(tǒng)汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)，純電動(dòng)汽車(chē)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，由于沒(méi)有動(dòng)力總成噪聲的掩蔽作用，其路噪在中低頻噪聲中顯得尤為突出[1]。

客戶(hù)抱怨路噪問(wèn)題通常是由粗糙路面30～500Hz頻段的低頻結(jié)構(gòu)聲所致，路噪激勵(lì)由輪胎摩擦產(chǎn)生，輪胎的濾振性能優(yōu)劣對(duì)路噪提升至關(guān)重要。車(chē)輪系統(tǒng)剛度越大，車(chē)輪結(jié)構(gòu)的阻抗越大，傳遞至輪心的激勵(lì)越小，從而越有利于整車(chē)路噪通過(guò)結(jié)構(gòu)的控制[2]。

本文通過(guò)輪輞側(cè)向剛度對(duì)路噪提升相關(guān)性研究，提出了用輪輞側(cè)向剛度做為前期路噪控制重要指標(biāo)的合理性，為優(yōu)化某款電動(dòng)汽車(chē)路噪，采用仿真與試驗(yàn)方法，以輪輞側(cè)向剛度為路噪評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其輪輞側(cè)向剛度進(jìn)行仿真和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了輪輞側(cè)向剛度可以在車(chē)型開(kāi)發(fā)前期通過(guò)仿真計(jì)算，并提出具體指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)控制優(yōu)化，驗(yàn)證不同側(cè)向剛度對(duì)噪聲傳遞函數(shù)的影響。

2 輪輞側(cè)向剛度

車(chē)輪系統(tǒng)由輪輻與輪輞兩部分組成，如圖1所示。

車(chē)輪系統(tǒng)質(zhì)量將輪輻和輪輞的質(zhì)量分別用和表示，這樣自由狀態(tài)的車(chē)輪就可以類(lèi)比成兩自由度無(wú)阻尼自由系統(tǒng)[3]。和為激勵(lì)力，和為位移，為車(chē)輪系統(tǒng)剛度。當(dāng)激勵(lì)力在車(chē)輪芯位置，方向?yàn)檐?chē)輪軸向時(shí)的剛度定義為車(chē)輪系統(tǒng)的側(cè)向剛度。

推導(dǎo)過(guò)程如下，兩自由度無(wú)阻尼自由系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為：

其阻抗矩陣為：

系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣為：

頻響函數(shù)為（2×2）階矩陣，可表達(dá)成：

式中：任一元素為第點(diǎn)的響應(yīng)與第點(diǎn)激勵(lì)之間的頻響函數(shù)，當(dāng)時(shí)，稱(chēng)為原點(diǎn)頻響函數(shù)；當(dāng)時(shí)，則稱(chēng)為跨點(diǎn)頻響函數(shù)。

的原點(diǎn)頻響函數(shù)為：

式中

兩自由度無(wú)阻尼自由系統(tǒng)的幅頻如圖2所示。

圖中：共振峰頻率，反共振峰頻率。可知，

其中，車(chē)輪總質(zhì)量

由此，可將車(chē)輪側(cè)向剛度公式做如下推導(dǎo)：

最終只有車(chē)輪總質(zhì)量以及輪心位置原點(diǎn)頻響曲線共振峰頻率和反共振峰頻率的車(chē)輪側(cè)向剛度公式：

某款車(chē)輪輞側(cè)向幅頻仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。將仿真共振峰頻率，反共振峰頻率及車(chē)輪總質(zhì)量代入側(cè)向剛度計(jì)算公式，求得44kN/mm，依據(jù)GMW14876規(guī)范試驗(yàn)，某款車(chē)輪輞側(cè)向幅頻測(cè)試結(jié)果如圖4所示，并求得44kN/mm，仿真和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證了仿真模型準(zhǔn)確性，結(jié)果均未滿(mǎn)足目標(biāo)≥60kN/mm。通過(guò)優(yōu)化輪心直徑、輪輻減重窩深度、輪輻布置、輪心厚度、輪心減重窩深度，在單車(chē)輪總質(zhì)量?jī)H增加0.3kg情況下，提升輪輞側(cè)向剛度至60kN/mm[4]，優(yōu)化后車(chē)輪輞側(cè)向幅頻仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

3 整車(chē)仿真分析

3.1 車(chē)輪與整車(chē)仿真模型

噪聲傳遞函數(shù)模型包括TB車(chē)身模型和聲腔模型，如圖6、圖7所示。TB車(chē)身模型白車(chē)身鈑金件均采用8mm的殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，非鈑金件采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，點(diǎn)焊在模型中采用ACM的一維單元模擬焊點(diǎn)，單元類(lèi)型為acm（equivalenced），焊點(diǎn)直徑為5mm，焊縫通過(guò)剛性單元RBE2連接，焊接時(shí)兩個(gè)面上應(yīng)有相互匹配的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)；車(chē)身上拼接焊的地方采用共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行模擬；通過(guò)剛性單元RBE2進(jìn)行螺栓連接，連接時(shí)將washer上所有節(jié)點(diǎn)均選上；粘膠連接采用實(shí)體單元模擬，實(shí)體單元與被連接的鈑金件的單元共用節(jié)點(diǎn)。大質(zhì)量件采用集中質(zhì)量活均布模擬。車(chē)內(nèi)聲腔模型需涵蓋座椅聲腔并單獨(dú)建模賦予流體屬性。

3.2 輪輞側(cè)向剛度對(duì)噪聲傳遞函數(shù)的影響

噪聲傳遞函數(shù)（NTF）表示，將單位激勵(lì)力作用在底盤(pán)關(guān)鍵接附點(diǎn)或者軸頭輪芯處，振動(dòng)通過(guò)車(chē)身與底盤(pán)關(guān)鍵接附點(diǎn)傳遞，然后由車(chē)身鈑金與聲腔耦合輻射至車(chē)內(nèi)形成噪聲，測(cè)試在駕駛員右耳產(chǎn)生聲壓級(jí)大小，整車(chē)開(kāi)發(fā)前期，噪聲傳遞函數(shù)是衡量該款車(chē)路噪性能表現(xiàn)優(yōu)劣的核心指標(biāo)，其噪聲峰值越低表示相同單位激勵(lì)下傳遞到車(chē)內(nèi)聲壓越低，路噪水平越優(yōu)秀。

噪聲傳遞函數(shù)分析邊界無(wú)任何約束，TB車(chē)身為自由狀態(tài)，在前后軸頭輪芯處分別施加 X，Y，Z? 3個(gè)方向大小為1N的單位掃頻激勵(lì)，模態(tài)截取頻率范圍是20～400Hz，模型截取頻率范圍是0～800Hz，計(jì)算單位載荷下駕駛員右耳側(cè)的噪聲傳遞函數(shù)。本文分別將不同輪輞側(cè)向剛度的車(chē)輪與上述TB車(chē)身模型連接，分別計(jì)算前后輪激勵(lì)到駕駛員右耳NTF，前輪輪芯&駕駛員右耳NTF X、Y、Z向結(jié)果如圖8～圖10所示。

從上述整車(chē)聲振傳遞函數(shù)對(duì)比結(jié)果可看出，在0～200Hz頻段范圍內(nèi)基本無(wú)影響；在200～400Hz頻段范圍內(nèi)，側(cè)向剛度為60kN/mm的車(chē)輪前輪輪芯&駕駛員右耳NTF普遍優(yōu)于側(cè)向剛度為44kN/mm的車(chē)輪，由此側(cè)向剛度大的車(chē)輪系統(tǒng)能有效改善中頻段的整車(chē)路噪特性。在整車(chē)開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)階段，輪輞側(cè)向剛度可以在車(chē)型開(kāi)發(fā)前期通過(guò)仿真計(jì)算，并提出具體指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)控制優(yōu)化，根據(jù)不同車(chē)型產(chǎn)品定位來(lái)匹配不同的車(chē)輪側(cè)向剛度需求，以滿(mǎn)足路噪性能開(kāi)發(fā)，進(jìn)而支持車(chē)輪系統(tǒng)前期輕量化工作。

4 整車(chē)測(cè)試驗(yàn)證

4.1 整車(chē)路噪測(cè)試

將該車(chē)換上優(yōu)化后的輪輞進(jìn)行40 km/h粗糙路測(cè)試。對(duì)時(shí)域測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，并進(jìn)行A 計(jì)權(quán)。得到如圖11、圖12所示的該車(chē)優(yōu)化后前排路噪聲壓值與頻譜曲線對(duì)比，實(shí)車(chē)路噪測(cè)試結(jié)果顯示車(chē)輪側(cè)向剛度優(yōu)化對(duì)整車(chē)路噪性能有顯著影響，且影響頻率段主要集中在200～400Hz范圍內(nèi)，OA值前排降低1.6dB（A），后排降低1.0dB（A），主觀感受優(yōu)化方案樣件路噪前后排均有較明顯提升。

5 結(jié)論

本文通過(guò)輪輞側(cè)向剛度對(duì)路噪提升相關(guān)性研究，提出了用輪輞側(cè)向剛度做為前期路噪控制重要指標(biāo)的合理性，為優(yōu)化某款電動(dòng)汽車(chē)路噪，采用仿真與試驗(yàn)方法，以輪輞側(cè)向剛度為路噪評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要結(jié)論如下：

1、單件輪輞側(cè)向剛度CAE仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了CAE輪輞側(cè)向剛度模型的準(zhǔn)確性，輪輞側(cè)向剛度可以在車(chē)型開(kāi)發(fā)前期通過(guò)仿真計(jì)算，并提出具體指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)控制。

2、對(duì)其輪輞側(cè)向剛度進(jìn)行仿真和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了輪輞側(cè)向剛度可以在車(chē)型開(kāi)發(fā)前期通過(guò)仿真計(jì)算，并提出具體指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)控制優(yōu)化，驗(yàn)證不同側(cè)向剛度對(duì)噪聲傳遞函數(shù)的影響，可以證明本文車(chē)輪系統(tǒng)側(cè)向剛度提升對(duì)路噪性能影響研究是切實(shí)有效，輪輞側(cè)向剛度越大，整車(chē)路噪表現(xiàn)越優(yōu)異。

3、輪輞側(cè)向剛度對(duì)客戶(hù)抱怨的200～400Hz范圍內(nèi)的路噪有顯著影響，故本文輪輞側(cè)向剛度對(duì)路噪性能影響研究具有實(shí)際工程意義，可指導(dǎo)后續(xù)車(chē)型開(kāi)發(fā)。

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