某车型轮胎高速均匀性与引起的异响问题分析

张浩，张光，罗挺，左跃云，黄帅

(东风汽车集团股份有限公司技术中心，武汉 430056）

轮胎噪声是车辆行驶过程中轮胎和道路间相互作用产生的噪声，其产生机理比较复杂，包含了直接噪声和间接噪声，直接噪声分为胎面花纹噪声、道路凹凸噪声、弹性振动噪声和自激振动噪声等，间接噪声是轮胎直接或间接成为激励源，振动传递至车身产生的噪声[1]。轮胎噪声是车辆噪声的主要来源之一，对整车乘坐舒适性具有重要影响，在中高速行驶时更为明显[2]。

研究表明，轮胎径向力波动（RFV）和空腔模态对轮胎振动噪声具有重要影响。文献[3]对汽车垂向振动响应进行了研究，发现轮胎径向尺寸不均匀性是重要影响因素。文献[4]通过在实验室进行轮胎均匀性试验，分析了轮胎噪声和均匀性的关系，指出径向跳动是引起轮胎噪声异常的主要原因。文献[5]分析了轮胎径向力八次谐波引起轮胎噪声的原因，提出了降低8次谐波的具体方法。

轮胎空腔共振噪声是路面激励下，轮胎和轮毂之间的气体振动频率与轮胎结构振动频率一致时产生[6]。文献[7]对轮胎自由状态和接地状态下的空腔固有频率进行了计算，文献[8]并提出了通过椭圆形轮圈来降低轮胎噪声的改进方法并加以验证。目前研究主要针对轮胎空腔噪声的产生机理、数值分析和改善方法，通过对轮胎的胎面硬度、结构刚度和传递路径等参数来达到改善噪声的目的[8-11]。针对高速下轮胎径向力波动（RFV）16次与轮胎空腔共振引起的轮胎噪声研究还较少。

本文针对某车型高速行驶时出现的异响问题，通过主观评价和振动噪声测试，确认异响是由于轮心径向16阶振动在高速时偏高导致。结合轮胎RFV台架测试和轮胎空腔固有频率分析表明，轮胎RFV H16超标，与轮胎空腔共振产生了异常轮胎噪声。通过对轮胎生产工艺进行提升，改善后的轮胎RFV明显降低，整车道路下无异常轮胎噪声，为高速工况下的轮胎异常噪声控制提供一定的参考。

1 问题描述

某车型在开发过程中，部分车辆在中高速下（60 km/h～120 km/h）行驶时车内出现持续性的嗡嗡异响，并伴有车身抖动。通过主观评价，发现车辆在某特定车速下出现“嗡嗡”异响，与车速（车轮转速）相关，与档位和油门开度等因素无关，结合经验主观判断为传动系统、轮胎等旋转件的激励导致。

为进一步明确异响源，在平直的光滑沥青路上，利用LMS Test.Lab测试了异响车驾驶员内耳噪声，左前轮心、三角臂安装点、前减振器安装点、地板和座椅的振动数据。试验在1/4油门开度下进行，得到60 km/h～120 km/h车内噪声结果如图1所示。轮心振动结果如图2（左至右依次为X、Y、Z三向）所示。

图1 加速工况下车内噪声测试结果

通过数据分析，发现车内噪声和轮心径向振动（X和Z向）均在185 Hz和210 Hz附近存在明显共振带。该车型轮胎规格为225/60R18，可以从图2看出，轮心径向振动存在车轮转速的16阶峰值，随着车速上升，先后分别与185 Hz和210 Hz（对应车速分别为95 km/h和110 km/h）共振带耦合产生明显峰值，同时车内噪声也出现该阶次峰值。其它振动测点结果与轮心振动结果一致，均在185 Hz和210 Hz附近明显偏高。

图2 加速工况下轮心振动测试结果

2 异响源识别

2.1 匀速工况试验

由于车辆在95 km/h和110 km/h附近出现了明显的异响，且主观评价110 km/h时更为明显，本文利用异响车（后称A车）和无异响车（后称B车），在同一路面分别进行了110 km/h下的匀速试验（两车轮胎装配前均已进行动平衡试验检查）。

两车轮心振动数据处理后的结果分别如图3和图4所示，可以看出两车轮心径向振动均在185 Hz和210 Hz出现了明显峰值，但A车幅值明显大于B车，其中210 Hz尤为明显，频率对应为轮胎旋转的16阶次。

图3 A车匀速工况下轮心振动测试结果

图4 B车匀速工况下轮心振动测试结果

图5和图6分别为A车和B车轮心、三角臂安装点和减振器安装点的振动，可以明显看出，A车轮心振动在185 Hz和210 Hz均明显大于B车，并导致传递至减振器安装点的振动也明显偏大。

图5 A车110 km/h时各点振动测试结果

图6 B车110 km/h时各点振动测试结果

表1为A车与B车在轮心、三角臂安装点和减振器安装点的振动对比，可以看出，同一位置上A车的振动均大于B车。通过数据分析表明A车轮心振动异常为源头，并导致传递路径上也出现振动偏高的问题。

表1 A车与B车各测点对比

综上信息，判断A车异响为轮胎RFV H16值偏大，高速时在210 Hz与轮胎空腔共振从而引起异常噪声，后续将从轮胎RFV和空腔模态两个方面进行验证。

2.2 轮胎RFV检测

轮胎RFV对车辆高速行驶时的振动噪声影响较大，与轮胎均匀性相关，主要受质量、刚度和尺寸3个因素相关，涉及胎面厚度、帘线密度不均匀、生产制造工艺等多因素的影响[3，12]。

轮胎的RFV在生产过程中不容易控制，偏大会加剧汽车的振动。对于不均匀的轮胎，其径向力波动随轮胎转动圈数呈周期性变化，可以展开成傅里叶三角级数进行谐波分析，各谐阶量对汽车垂向振动有显著的影响[12]。

轮胎质量不均匀可通过轮胎动平衡进行控制，尺寸和刚度的均匀性通过均匀性检测设备进行检测，可分为低速均匀性和高速均匀性检测。车轮转动过程中，其径向力波动阶次和频率关系如下[13]：

式中：f为不平衡激励频率，n为阶次，v为车速，r为轮胎半径。

试验结果表明，轮胎异常振动噪声与轮胎RFV H16相关。由于轮胎转速对RFV谐波有重要影响[14],本文测试了A车和B车轮胎不同速度下的RFV值，其中低速下的RFV测试结果如图7所示。A车轮胎在RFV H8值约为B车轮胎的2倍，RFV H16值基本相等，未发现明显差异。

图7 低速工况下A车轮胎RFV检测结果

高速状态下测试了两车轮胎在50 km/h～95 km/h的RFV结果，分别如图8和图9所示。可以看出，A车轮胎高速下，其RFV的H8和H16值远大于无异响轮胎，同时H16值随着转速升高明显增加，但H8值与转速上升无明显规律。

图8 A车轮胎高速工况下RFV检测结果

图9 B车轮胎高速工况下RFV检测结果

轮胎RFV检测说明A车异响与轮胎高速下RFV 16H偏高有重要关系，需要重点监测轮胎在高速下的RFV值。

2.3 轮胎空腔模态

（1）轮胎自由空腔模态

轮胎内存在封闭的环形空气，自由状态下，其模态频率主要受轮胎中心周长和内部气体介质的影响，可通过理论公式计算、仿真和试验得到。轮胎第i阶自由空腔模态固有频率可按照公式（2）进行计算[7]。

式中：c为声音在轮胎空腔介质中的传播速度，l为轮胎空腔中心周长。

A车轮胎规格为225/60R18，通过式（2）计算自由状态下空腔模态为193 Hz。试验时将轮胎充气至标准气压，用弹性绳悬吊模拟自由状态，测得空腔模态频率为197 Hz。

仿真时，在HyperMesh中建立该轮胎空腔的有限元模型，网格单元基本尺寸采用10 mm。通过仿真计算轮胎自由状态下空腔模态结果为188 Hz，与理论计算和试验所得结果基本一致。轮胎空腔有限元模型和1阶振型如图10所示。

（2）轮胎接地空腔模态

轮胎受载荷与地面接触产生发生变形时，其空腔模态与自由状态存在明显差异，会分解为一大一小2阶频率，其振型形状相同，但相位不同[7，11]。此时，其理论计算公式如下[7]：

图10 轮胎空腔有限元模型及模态振兴图

式中：m为接地状态下轮胎截面积与自由状态截面积之比，lp为轮胎接地长度。

本文根据轮胎所受载荷，引入轮胎装车状态下变形量，建立对应的接地仿真模型，计算得到空腔模态仿真结果为185 Hz和191 Hz，与按照式（3）计算得到的192 Hz和196 Hz差异很小，其振型分别为前后方向和垂直方向，如图11所示。试验以车辆正常停放状态进行，测试结果为191 Hz和198 Hz。

图11 轮胎接地状态空腔模态振型

（3）轮胎滚动空腔模态

轮胎滚动时，多普勒效应会使轮胎空腔模态频率产生变化，其1阶固有频率可按照公式（4）进行计算[7]。

式中：v为车辆行驶速度，L为轮胎外周长。

按照式（4）计算和试验得到110 km/h的轮胎空腔模态结果如表2所示，两者误差较小。可以看出，该车型轮胎在110 km/h时存在185 Hz和210 Hz两个空腔模态。

表2 轮胎各状态下空腔模态

通过上述分析表明，由于前期未对轮胎高速下RFV值进行管控，导致部分轮胎（如A车）在高速下的RFV H16值偏大，与轮胎空腔共振导致车内出现异常噪声。因A车型轮胎结构尺寸已经确定，需要对轮胎高速下的RFV值进行重点控制和监测。

3 问题验证

该车型轮胎胎面成型模具为8等宽拼接而成，生产工艺导致轮胎的H8和H16成分明显高于其它阶次。通过轮胎模具及设备精度提升，硫化工艺改善，胎面和胎侧压出断面稳定性提升等措施，有效改善了轮胎RFV的H8和H16成分。同时，设定了低速和高速下的RFV检测目标值（企业保密）进行监控，95 km/h下轮胎RFV改善前后对比结果如表3所示。

改善后轮胎高速舒适性得到明显改善，在110 km/h匀速工况下的试验结果表明轮心径向振动16阶明显降低，如图12所示。主客观均达到满意效果。

图12 改善后轮胎110 km/h轮心振动测试结果

表3 轮胎RFV改善前后对比

4 结语

本文针对某车型高速轮胎异常噪声，通过试验发现轮心径向振动的16阶偏高是主要原因。进一步分析得到，轮胎高速RFV H16偏大，与空腔模态共振导致车内异常噪声。

（1）轮胎空腔固有频率在自由状态下为一个峰值，在滚动状态下会出现两个峰值。

（2）高速下，轮胎RFV H16值与轮胎空腔模态一致时会产生共振，造成整车异常振动和噪声。

（3）轮胎低速和高速下的RFV具有明显差异，高速下轮胎的均匀性控制对降低车辆振动噪声具有重要意义。