（机械设计及理论专业论文）某轮胎的结构振动特性分析与实验研究.pdf

导师： 合肥工业大学 教授( 博导) 独创性声明 本人声明所警交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j 二作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金日曼工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同t 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字高泡怠签字日期：砂“年4 月飚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目墨王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金目墨些厶 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：南海慧 签字日期：纠1 年牛月2 9 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 某轮胎的结构振动分析与实验研究 摘要 汽车的振动( v i b r a t i o n ) 、噪声( n o i s e ) 以及舒适性( h a r s h n e s s ) ，是衡量 汽车品质的一个重要标准。轮胎是汽车和地面之间唯一接触的部件，其振动特 性以及辐射噪声直接影响汽车的行驶平顺性与乘坐舒适性。另外，汽车行驶噪 声是当前交通噪声的丰要来源之一。当行驶速度较高时，轮胎噪声就成为汽车 行驶噪声的丰要成分。所以研究轮胎的动态特性，有利于减轻轮胎的振动，对 于提高车辆的乘举舒适性，降低车内外噪声都具有重要意义。 本文在总结国内外轮胎振动特性以及噪声研究状况基础上，对轮胎n v h 性能从计算模态和试验模态两个方面进行研究。计算模态的研究主要是在有限 元分析的基础上展开：首先，建立2 9 5 8 0 r 2 2 5 型轮胎与2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎的有限 元模型；然后，通过b l o c kl a n c z o s 法提取模态参数，并研究气压与载荷因素对 模态参数的影响，从而为后续研究打下基础。 试验模态方面主要是根据试验模态理论，建立2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎的模态试验 系统；通过单输入单输出法识别轮胎的模态参数，研究实际的振动特性规律并分 析产牛的原因，包括不同模型、悬置方式与胎压对模态参数的影响。然后，将 2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎的计算与试验模态分析结果进行对比，发现计算模态的固有频率 低于试验模态，在低频时大约相差2 0 h z ，高频时相差稍大。于是，提出一个基于橡 胶材料模型的修正方法，对原有限元模型进行了修正。修正以后计算模态与试 验模态结果吻合的比较好。 最后，基于v i r t u a l l a b 对轮胎辐射噪声的计算进行了探索性研究，并 得到一种比较简单的计算轮胎振动噪声的方法。 关键词：轮胎振动；轮胎噪声；计算模态：试验模态；固有频率 v i b r a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fat i r e a b s t r a c t a u t o m o b i l en v hp e r f o r m a n c ei st h e i m p o r t a n tm e a s u r eo fi t sq u a l i t y s t a n d a r d s t i r ei st h eo n l yc o n t a c tb e t w e e ng r o u n da n dac a r ，w h o s ev i b r a t i o na n d n o i s eh a v ead i r e c ti m p a c to ns m o o t h n e s sa n dc o m f o r to fac a r i na d d i t i o n ， a u t o m o b i l en o i s ei sam a j o rs o u r c eo fc u r r e n tt r a f f i cn o i s e w h e ns p e e di s h i g h ，t h e t i r en o i s eb e c o m e st h em a i nc o m p o n e n to fv e h i c l en o i s e t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft i r e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i s i m p o r t a n tf o rt h ei m p r o v e m e n to fv e h i c l ec o m f o r t ，t h e r e d u c t i o no fv i b r a t i o na n dt h en o i s eb o t hi n s i d ea n do u t s i d et h ec a r b a s e do ns u m m a r i z e so ft h er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e r h a sas t u d yo nn v hp e r f o r m a n c eo ft h et i r ef r o mc o m p u t a t i o n a lm o d a la n dt h e e x p e r i m e n t a lm o d a l t h es t u d yo fc o m p u t a t i o n a lm o d a li sc o n d u c t e do nt h eb a s i so f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f i r s tt i r ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f2 9 5 8 0 r 2 2 5a n d 2 0 5 5 5 r16a r ee s t a b l i s h e d t h e nt h eb l o c kl a n c z o si su s e dt oe x t r a c tp a r a m e t e r so f t h em o d a l ，a n dt h ei m p a c to fa i rp r e s s u r ea n dl o a do nm o d a lp a r a m e t e r sa r e d i s c u s s e d b a s e do ne x p e r i m e n t a lm o d a lt h e o r y , e x p e r i m e n t a ls y s t e mo f2 0 5 5 5 r16t i r e i se s t a b l i s h e d t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e a c t u a lt i r ei s s t u d i e d i n c l u d i n g t h ei m p a c to fd i f f e r e n tm o d e l s ，p r e s s u r ea n ds t a t eo ff r e es u s p e n s i o no nm o d a l p a r a m e t e r so ft i r e t h e n ，c o m p u t a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i sr e s u l t so f 2 0 5 5 5 r16t i r ea r ec o m p a r e d ，a n di ti sf o u n dt h a tt h en a t u r a l f r e q u e n c yo f c o m p u t a t i o n a lm o d a li sl e s st h a nt h ee x p e r i m e n t a lm o d a l ，s oam e t h o di sp r o p o s e d t om o d i f yt h eo r i g i n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l a f t e rt h em o d i f i c a t i o n ，t h er e s u l t so f c o m p u t a t i o n a lm o d a la n dt h ee x p e r i m e n t a lm o d a la g r e eb e t t e r f i n a l l y , b a s e do nv i i 盯u a l l a b ，ar e l a t i v e l ys i m p l em e t h o df o rt h et i r en o i s e c a l c u l a t i o ni sp r o p o s e db ye x p l o r a t o r yr e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i o no ft i r er a d i a t e d n o i s e k e yw o r d s ：t i r ev i b r a t i o n ；t i r en o i s e ；c o m p u t a t i o n a lm o d a l ：e x p e r i m e n t a lm o d a l ； n a t u r a lf r e q u e n c y i l 致谢 在此论文完成之际，将最诚挚的敬意献给我的导师陈剑教授，感谢老师对 我的关心和培养。本课题的研究工作一直得到导师悉心的指导和热情的关怀， 导师广博的知识和严谨的科研态度让我受益很多，他对教育科研事业的奉献精 神令人钦佩，他对我学习，生活上的关心给了我前进的信心和动力。 还要感谢合肥工业大学噪声振动工程研究所。感谢所里的陈心昭老师，毕 传兴老师等所有的老师，三年来我在噪声振动工程研究所学习实践，所内各位 老师渊博的知识，敏锐的学术思维以及积极进取的科研精神都深深的感染了我。 在此我向各位老师表示衷心的感谢。 感谢佳通轮胎有限公司的高煜和鲍旭清两位师兄对我工作的关心和指导。 同样感谢我的同学郭附洋、江俊、张波、陈勇敢、许文清、张猛、龚兵、 修磊、骆钰祺、赵轮桥、张绒斌、付东旭、赵永光、刘涛，以及实验室所有其 他成员，是他们共同在实验室中营造了一个浓厚的学术氛围和舒适的工作环境， 与他们相处的日日夜夜历历在目。在与实验室同学的长期讨论和相互学习中， 结下了深厚的友谊，特别感谢郭附洋和许文清在工作和学习方面给予的帮助。 最后感谢我的亲人和同学，是他们的关怀和支持给了我前进的动力。正是 他们的理解和付出，帮助我顺利完成学业。在将近三年的时间里，我学到了很 多，这些将使我终生受用。最后，在此向他们表示深深的谢意! 作者：高海慧 2 0 1 0 年0 3 月15 日 目录 第一章绪论l 1 1 课题的来源、目的和意义l 1 2 轮胎振动与噪声的国内外发展状况2 1 2 1轮胎振动特性研究2 1 2 2 轮胎噪声研究现状4 1 3 本文的丰要研究内容5 第二章轮胎n v h 特性研究7 2 1轮胎噪声产生机理7 2 2 影响轮胎噪声的因素8 2 3轮胎n v h 测试与评价方法1 0 2 3 1 轮胎噪声测试1 0 2 3 2 轮胎噪声评价方法。1 1 2 4 轮胎n v h 分析方法1 1 2 5 降低轮胎噪声的途径。1 2 2 6 本章小结1 3 第三章轮胎计算模态分析1 4 3 1 有限元法的基本过程1 4 3 2 轮胎有限元模型的建立。1 4 3 2 1轮胎基本有限元模型的建立1 5 3 2 2 轮胎的非线性有限元分析1 6 3 3 有限元模态分析理论1 8 3 4 a b a q u s 模态分析求解1 8 3 4 1 轮胎计算模态分析流程1 8 3 4 2 轮胎固有频率的提取1 9 3 5 轮胎计算模态分析结果2 0 3 5 1轮胎的自由模态计算结果2 0 3 5 2 载荷对轮胎振动固有频率的影响2 3 3 5 3气压对轮胎振动固有频率的影响2 5 3 6 本章小结2 6 第四章轮胎试验模态分析2 7 4 1试验模态分析基本原理。2 7 4 1 1 模态分析理论基本假设2 7 4 1 2 模态参数识别方法2 7 4 1 3 频响函数与模态参数的关系2 9 4 1 4 轮胎模态试验理论模型2 9 4 2 轮胎模态试验系统3 0 4 3 轮胎模态试验方法。3 1 4 3 1悬置系统3 2 4 3 2 测量点布置3 3 4 3 3 试验模型的建立3 3 4 4 试验内容与结果分析。3 3 4 4 1模型精度对径向振动频率的影响3 4 4 4 2 悬置方式对径向振动频率的影响3 4 4 4 3气压对轮胎模态径向振动频率的影响3 5 4 4 4 气压对轮胎模态阻尼的影响3 5 4 4 5 轮胎试验模态振型3 5 4 5 计算模态与试验模态对比3 6 4 5 1计算模态分析与试验模态分析的联系3 6 4 5 2 两种模态分析的频率比较3 7 4 5 3 两种模态分析的振型比较3 7 4 5 4 有限元模型修正3 9 4 6 本章小结4 l 第五章轮胎噪声计算的探索。4 2 5 1轮胎噪声的计算流程一4 2 5 2 轮胎振动响应分析4 2 5 2 1 a b a q u s 显式与隐式算法4 2 5 2 2 显示求解流程4 3 5 2 3 a b a q u s e x p l i c i t 中轮胎参数的确定4 3 5 2 4a b a q u s 显示求解4 5 5 3 计算辐射噪声的几种方法4 5 5 4 声学间接边界元的计算原理4 7 5 5 轮胎辐射噪声计算4 8 5 6 本章小结4 9 第六章全文总结与展望5 0 6 1 全文总结5 0 6 2展望5 0 参考文献5 2 攻读硕士学位期间发表的论文5 4 2 插图清单 图1 1 汽车振动传递过程1 图2 1 轮胎噪声产牛机理示意图7 图2 2 轮胎噪声测试的转鼓法简图1 0 图2 3 轮胎噪声测试拖车设计图1 0 图2 4 轮胎噪声试验机与半消声室1 1 图3 1 有限元分析流程1 4 图3 2a b a q u s 轮胎建模过程1 5 图3 3 轴对称分析的r e b a r 单元定义图1 7 图3 4 轮胎的模态分析流程1 9 图3 5 径向振动模态固有振型2 1 图3 6 轴向振动模态固有振型2 1 图3 7 径向振动模态固有振型2 2 图3 8 轴向振动模态固有振型2 3 图3 9 接地轮胎径向振型2 4 图3 1 0 接地轮胎轴向振型2 4 图3 1 1 载荷对径向振动频率的影响2 5 图3 1 2 载荷对轴向振动频率的影响2 5 图3 13 载荷对径向振动频率的影响2 5 图3 1 4 载荷对轴向振动频率的影响2 5 图3 1 5 气压对轮胎径向振动频率的影响2 5 图3 16 气压对轮胎轴向振动频率的影响2 5 图3 1 7 气压对轮胎径向振动频率的影响2 6 图3 18 气压对轮胎轴向振动频率的影响2 6 图4 一l 单输入一一单输出系统2 8 图4 2 频响函数与模态参数的关系2 9 图4 3 轮胎模态试验系统示意图3 0 图4 4 轮胎自由悬置状态3 2 图4 5 支架3 3 图4 6 平面离散化模型3 3 图4 7 三维离散化模型3 3 图4 8 频响函数特性曲线3 4 图4 9 模型精度对径向振动频率的影响3 4 图4 1 0 悬置方式对径向振动频率的影响3 4 图4 1 1 气压对径向振动频率的影响3 5 图4 1 2 径向振动各阶模态振型一3 6 图4 一1 3 计算模态与试验模态径向振动频率3 7 图5 一l 轮胎噪声计算流程4 2 图5 2a b a q u s 显示求解流程4 3 图5 3 轮胎表面振动响应4 5 图5 4 声学无限元计算轮胎噪声4 6 图5 5 瞬态声学有限元计算轮胎噪声的网格模型4 6 图5 6 轮胎的边界元模型4 8 图5 7 轮胎的场点网格一4 9 图5 8 轮胎的声压云图4 9 4 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表4 2 表4 3 表格清单 径向振动模态固有频率( 单位h z ) 轴向振动模态固有频率( 单位h z ) 径向振动模态固有频率( 单位h z ) 轴向振动模态固有频率( 单位h z ) 模态激振试验设备3 2 气压对轮胎径向振动阻尼比的影响3 5 计算模态与试验模态径向振型一3 8 o o 2 2 2 2 2 2 第一章绪论 1 1课题的来源、目的和意义 本文所研究的课题来源于“国家8 6 3 项目一一轿车集成开发技术一一汽车 n v h 控制技术”。 本文目的：( 1 ) 对轮胎振动、噪声和舒适性( n v h ) 进行研究，并介绍轮 胎各种噪声的来源和机理，提出降低噪声的途径；( 2 ) 通过对2 9 5 8 0 r 2 2 5 型轮 胎与2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎的计算模态分析其振动特性；( 3 ) 针对2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎进 行模态实验，验证计算结果，同时为将实验结果应用于轮胎后续研究打下基础； ( 4 ) 探索计算轮胎噪声。 汽车的振动( v i b r a t i o n ) 、噪声( n o i s e ) 以及舒适性( h a r s h n e s s ) ，即汽车 n v h ，是衡量汽车品质的一个重要的标准。轮胎是汽车和地面之间唯一接触的 部件，其振动特性以及辐射噪声直接影响汽车行驶的平顺性与乘坐的舒适性以 及其他性能，如图1 1 所示为汽车振动传递过程，人们意识到对于预测汽车产生 的噪声以及乘坐的舒适性来说，研究轮胎的动态特性，比如说轮胎振动模态， 是十分必要的。 振源 传递 接收 图1 1 汽车振动传递过程 由于路面不平整等一些原因，汽车在行驶的过程中产生振动，对于汽车的 振动，汽车悬架和轮胎吸收一部分，其它则传入到汽车上，从而影响到汽车的 操纵稳定性，行驶平顺性以及车内噪声特性。对轮胎吸收振动能力研究的需求， 促使人们开展对轮胎振动特性的研究，因此使用模态参数的轮胎力学模型越来 越受到人们的重视，研究这些力学模型的基础就是轮胎模态分析，包括计算模 态分析和实验模态分析。在传统的轮胎振动理论模型中常常用线性的弹簧模型 来表示轮胎振动特性，但这样的简化模型精度比较低，与实际的差别比较大，不 能应用于实际的工程问题，于是人们发展出研究轮胎振动特性的有限元方法， 对轮胎进行有限元分析可以比较精确的描述轮胎的结构，并且能考虑到轮胎和 地面，轮胎和轮辋的接触约束，也可以同时考虑到轮胎非线性的特性，且模型 精度比较高，更加符合实际工程问题。 当前，汽车行驶噪声是交通噪声的主要原因之一，随着人们对生活品质要 求的不断提高，对交通环境噪声提出了越来越严格的要求，轮胎作为汽车的必 要部件，汽车丰要行驶性能受到其力学参数和结构特性的影响非常大。有试验 表明，轮胎的噪声是构成汽车的行驶噪声的主要因素，当汽车行驶的速度大于 5 0k m h 时候，轮胎噪声就逐渐显现：当速度超过8 0k m h 时候，轮胎噪声就成 为汽车行驶噪声的主要成分【l 】。一般情况下，汽车行驶产牛的轮胎噪声以及轮 胎噪声在车辆行驶噪声中的比例随附加载荷增大而增大，随车速的增大而增大。 因此建立轮胎的力学模型，获取轮胎动态特性参数，有利于降低轮胎的振 动，改善车辆的动态特性，同时对于提高车辆的乘坐舒适性，研究轮胎噪声， 降低车内车外噪声都具有很重要的意义。 1 2 轮胎振动与噪声的国内外发展状况 ， 1 2 1轮胎振动特性研究 对于轮胎的振动特性，人们早在上世纪六十年代的时候就开始关注，研究 认为车辆的噪声以及行驶平顺性很大程度上受到轮胎振型和固有频率的影响。 然而轮胎结构十分复杂，研究需要涉及许多方面的知识，包括材料力学、滚动 接触力学、空气动力学、非线性特性等等，这就严重影响到轮胎模型的建立及 进一步的研究，导致研究进展比较缓慢。 1 9 6 6 年，b o h m 将轮胎简化为由径向弹簧支持的圆环梁，用此模型分析了 子午线轮胎的自由振动、静态变形以及产生驻波时的临界速度【2 】。以圆环一弹簧 模型理论为基础，p a c e j k a r 考虑了轮胎旋转离心力张力和轮胎气压的作用，通 过在径向弹簧上增加切向弹簧建立了梁( 轮胎胎面) 与轮辋之间的刚度，改进 了轮胎模型，并且由此得到了轮胎面内径向振动固有频率的计算公式【3 j ： 如j 型s 2 + 1 捌+ 等s 2 ( s 2 - 1 ) 2 + 矿s o 如+ 等寸吉墨 女t ， 式中国一一轮胎胎面径向振动的固有频率；q 一一轮胎的转速； s 一一轮胎的周向波数( 阶数) ；日一一轮胎胎面的抗弯刚度； p 一一胎面单位长度的质量；，一一轮胎的半径； 墨一一轮胎的径向刚度；k 一一轮胎的纵向刚度； 鼠一一轮胎胎面张力；p 一一轮胎的气压； 2 b 一一1 2 轮胎接地宽度 这里圆环一一弹簧模型结构简单，易于求解，但是求解精度不高，可以作 为有限元解法的参照。 1 9 7 5 年s o e d e l 用旋转的等效薄壳模拟轮胎，通过三维动态格林方程研究滚 动轮胎动态响应，探讨了阻尼对固有频率，振型以及驻波现象的影响，得到更 高周向波数的固有频率和振型【4 j 。 1 9 8 2 年，h u n c k l e r 等通过一个具有非线性刚度，正交的各向异性材料特性， 几何双曲率的轴对称有限元模型，研究非线性大变形对称壳结构的平衡状态并 在此平衡状态的基础上，进行小振幅振动分析，计算轮胎的固有频率，结果与 实际测试结果非常接近垆j 。 1 9 9 8 年，d o h r m a n n 联合轮胎、悬架和车轮，建立了轮胎一一车轮一一悬 架动态系统模型，其中把轮胎视为不能扩展的圆环，把悬架支座视为限制轮胎 外部件与车轮相对运动的粘弹性环，把该圆环置于悬架支座上，把悬架简化为 切向与径向分布的缓冲块和线性弹簧，悬架与轮胎由固定转速的刚性车轮相连， 此模型中轮胎的变形不是旋转坐标函数而是固定坐标函数，因此，可用定时间 的线性系统表示其运动方程，这种方法的优点是：( 1 ) 固有频率值而不是f l o q u e t 分析中数值时间的积分决定系统的稳定性；( 2 ) 可 比较容易获取接地滚动轮胎的模态特征【6 j 。 固特异轮胎公司的s v s u n d a r a m 与福特公司的b 。g k a 等，采用有限元方 法建立了轮胎模型，即把轮胎划分为若干的壳单元，用大量的弹簧一一阻尼系 统等效轮胎胎体来表现胎体的复合材料特性，模型建立后，根据轮胎模型的非 线性特性进行预加载，在软件m s c n a s t r a n 中计算，提取模态参数，最后加 入到对整车的研究分析中。在整车分析中综合轮胎模态分析，体现出有限元方 法的充分优势，这个方法也有一个严重的不足，就是对带阻尼模型来说，有限 元方法难以确定其模态阻尼。 a m b u r k e 用各向异性的复合材料模型来模拟帘线对橡胶加强作用，在 m s c n a s t r a n 里进行轮胎模态分析，但这种均匀化的处理和实际不相符， 因为橡胶基体与帘线的模量相差比较大，且帘线所占的体积比比较小，近期在 轮胎结构分析中已经较多的使用r e b a r 单元来模拟帘线的加强作用【7j 。 二十世纪九十年代初，结构动力学的概念由清华大学管迪华教授引入到对 轮胎的研究中，得出轮胎模型可以直接通过实验模态参数来建立的结论，即把 工况条件以及路面对轮胎的作用作为输入参数和约束，同时认为自由悬置轮胎 模态参数是轮胎自身固有特性，从而建立不同工况下轮胎的力学模型。因此， 可以通过提取轮胎实验模态参数来表征轮胎的动态特性，建立轮胎模型，从而 计算轮胎的高频动态特性。 2 0 0 0 年，上海轮胎橡胶研究所的白秀荣、王卫防、葛剑敏等利用m a r c 3 有限元软件建立轮胎的三维实体模型，研究子午线轮胎的固有频率和模态【8 1 。 王卫防与葛剑敏等还建立了轮胎模态实验系统，对各种类型轮胎固有频率特性 进行了测试，分析了轮胎质量、胎面花纹以及胎压对固有频率特性的影响【9 1 。 1 2 2轮胎噪声研究现状 二十世纪初，人们只是简单的测试轮胎噪声，并没有深入的研究轮胎噪声 产生的机理，二十世纪七十年代以后，人们提出了模拟计算的概念，才开始对 轮胎噪声进行理论上的研究。 1 9 7 1 年，首先是h a y d e njre 提出轮胎主要的噪声机理是空气泵浦原理， 他简单的将轮胎花纹的沟槽视为一个单极子源，给出了计算轮胎花纹沟声压的 半经验公式，但用此公式来进行轮胎花纹的噪声预测，仍然存在许多问题【l 。 1 9 8 5 年，通用汽车研究实验室的l a w r e n c ej 等人以研究横向的花纹沟槽为 基础，得出泵浦作用和气柱共鸣是横向的花纹沟槽噪声产生的两大机理，他们 认为当花纹间距频率和气柱固有频率一致的时候，气柱共鸣的现象就会发生， 从而加剧轮胎噪声【1 1 | 。 二十世纪8 0 年代以后，在不断发展的振动与物理学理论的基础上，人们开 始把模拟仿真和实验测试相结合的方法引入到对轮胎噪声的研究。根据结构一 一流体相互作用的原理可以得出：结合轮胎的辐射边界条件，如果己知轮胎振 动的方式，可以通过克希霍夫一一亥姆霍兹积分公式来计算轮胎的振动噪声。 所以，边界元和有限元等方法就开始在轮胎振动与噪声研究中应用起来。 1 9 9 2 年，n a k a j i m ay 等将模态分析与有限元，边界元相结合，预测了轮胎 振动与噪声，这是在计算轮胎振动噪声时，联合使用边界元与有限元方法，先 通过有限元方法求解轮胎振动的响应，再通过边界元方法计算轮胎的声强与声 压，但是有一个缺点：在中低频段，边界元与有限元方法预测轮胎的噪声比较 准确，而在高频段，计算量迅速增加，致使结果误差也很增大，于是人们开始 用一种新的方法即统计能量法来分析来计算高频段的轮胎噪声【l 2 1 。 二十世纪晚期，路面与轮胎作为一个整体的思想被应用于轮胎噪声的研究， 日本的轮胎噪声研究者在研究轮胎一一路面系统时，发现路面不平整引起轮胎 胎面振动，从而影响轮胎噪声，这是轮胎噪声产生的主要原因，为了便于计算 路面不平对于轮胎振动的影响，轮胎一一路面接触模型的理论就被提出来了。 2 0 0 2 年，h i r o s h iy 等人通过研究轮胎内部的空腔共鸣声，认为轮胎内部空 腔的共振噪声是引起在2 5 0h z 左右出现峰值的汽车内部噪声的主要原因，并提 出控制轮胎内部的空腔共振噪声的方法，即通过改变轮胎的结构来改变其固有 频率的方法【j 川。 在计算机仿真方面，国际上开始采用逆边界元法【1 4 j ( i n v e r s eb o u n d a r y e l e m e n tm o d e l i n g ) 对轮胎进行分析与计算，然后与实验结果进行比较；在实验 4 方面，新的轮胎实验方法也不断的出现，例如可以在时域进行分析，比在频域 分析更为直观。 目前，国外轮胎噪声的研究主要有以下几个方面：轮胎模态试验分析和有 限元分析；轮胎振动和噪声关系试验研究；轮胎的节距和花纹排列顺序对轮胎 噪声影响的研究等。他们没有提供具体实验方法和计算方法，只是提供了图表， 曲线与一些文字材料，对于驱动轮胎的噪声，至今还没有专门的研究文献。 国内对轮胎噪声的研究是在8 0 年代有了企业现代轿车的投产与正式的高 速公路之后才开始重视和发展轮胎低噪声研究。国内最早的轮胎噪声实验室是 由上海轮胎橡胶股份有限公司建立的，该公司从二十世纪9 0 年代就开始研究轮 胎噪声，并且一个专门的轮胎噪声研究中心“上轮一一同济轮胎噪声与振动技 术中心”在2 0 0 3 年由该公司与同济大学声学研究所联合成立，这个研究中心配 有专门的轮胎噪声试验机，并且建立了一个半消声室，专门用来进行轮胎的噪 声测试。 十多年来，随着对引进的子午线轮胎生产技术不断的消化吸收，对轮胎的 噪声研究工作已经有了很大的进步。当前，黑龙江、辽宁、山东、广东、湖北、 北京、上海等地的子午线轮胎研究机构与生产企业，都开展了轮胎与汽车配套 的各种牛产研究工作；北京橡胶工业研究设计院与武汉理工大学研究花纹沟与 花纹块的噪声产牛机理，发现了轮胎花纹噪声的一些规律，提出了花纹沟与花 纹块的噪声理论模型；上海轮胎橡胶集团研究所研发了产生低噪声轮胎花纹的 专业软件；北京轮胎厂制造出了仿生轮胎；山东成山橡胶集团和北京橡胶院合 作研制了5 5 与5 0 系列低噪声v 级轮胎。 总的来说，国内轮胎企业牛产技术比不上国外的大型轮胎公司，对于轮胎 噪声的研究和测试工作，没有充足经费来支持，也没有雄厚的技术力量，企业 的自丰研发能力比较薄弱，虽然目前已有不少科研院所与大专院校在进行轮胎 噪声的研究，但基本上都是进行纯理论上的应用与分析研究，没有进行实验验 证，数据的准确性不高。 1 3 本文的主要研究内容 我国对轮胎振动特性及噪声的研究起步比较晚，当前一些通过建立动态模 型得到的结果与实际结果有差异，正确性比较低，本文以在总结轮胎振动特性 与辐射噪声的国内外研究现状的基础上，建立2 9 5 8 0 r 2 2 5 型轮胎与2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎两个不同型号轮胎的有限元模型，进行计算模态分析，从有限元方面分 析轮胎的振动特性，同时搭建轮胎模态实验系统，对2 0 5 5 5 r 16 型轮胎进行试 验模态分析，研究实际轮胎振动特性的同时，对有限元结果进行实验验证。 本文主要的工作内容如下： ( 1 ) 简述本课题的来源，背景与意义，总结轮胎振动特性与轮胎辐射噪声 的国内外研究现状； ( 2 ) 简述轮胎n v h 特性研究，论述轮胎噪声产生的机理、影响轮胎噪声 的因素、轮胎测试与评价方法以及轮胎n v h 分析方法等，提出降低轮胎噪声 的途径； ( 3 ) 建立2 9 5 8 0 r 2 2 5 型轮胎与2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎的有限元模型，利用 a b a q u s 软件对轮胎进行模态分析，讨论充气压力、荷载因素对轮胎模态参数 的影响，从有限元仿真方面了解轮胎的振动特性； ( 4 ) 建立针对2 0 5 5 5 r 1 6 型轮胎的试验模态测试系统，进行试验模态分析， 研究模型精度、悬置方式与胎压变化等对轮胎模态参数的影响，将试验模态与 计算模态的结果进行对比，验证有限元结果，提出修正有限元模型的方法，使 修正结果与实验结果匹配； ( 5 ) 探索轮胎辐射噪声的计算，得到一个简单的计算轮胎噪声的方法，即 利用a b a q u s 对轮胎进行显示分析，提取出表面振动响应，作为声学计算边 界条件，然后采用v i r t u a l l a b 软件声学模块计算轮胎噪声； ( 6 ) 总结本文研究内容，展望轮振动特性与噪声研究的未来发展方向。 6 第二章轮胎n v h 特性研究 振动( v i b r a t i o n ) 是物体在运动时候产生的，通常振动强度用振级来表示， 单位是h z ；噪声( n o i s e ) 是指特定的环境下，非周期性的，多余的，不规则 的声音，通常强度用声级来表示，单位是d b ；舒适性( h a r s h n e s s ) 描述人体对 振动与噪声的主观感受，不能通过客观直接的测量方法来度量，三者联系紧密， 相互影响。源是振动，结果是噪声，两者的响应是舒适性，联合起来就是n v h ， 轮胎n v h 研究就是对轮胎的噪声，振动以及舒适性的研究。随着轮胎需求量 的增大，各轮胎生产企业，政府以及用户也越来越重视轮胎的n v h 特性。 2 1轮胎噪声产生机理 轮胎是一种十分复杂结构体，由多种材料与部件构成，加上轮胎行驶时复 杂的外部条件，如路面，天气等因素，因此轮胎噪声的产生机理有很多，其中 最主要的是轮胎振动，空气泵气效应与空气动力学效应三种。随着胎面花纹几 何特征、道路状况、车辆工况、噪声频率范围等的变化，各种轮胎噪声机理的 起的作用也随之变化，有些对轮胎噪声的影响比较大，有些比较小，图2 1 为 轮胎噪声产生机理示意图。 图2 1 轮胎噪声产生机理示意图 ( 1 ) 轮胎振动 轮胎运动时与路面接触，胎体振动噪声由不规则路面与胎面之间的碰撞以 及不连续的花纹块与路面之间的碰撞产生，有研究表明这是轮胎噪声产生的最 主要原因之一。其中，当胎面元素离开地面时，切向力就在轮胎与路面的接触 7 区域产生，部分的切向力引起轮胎在路面的滑移以及外胎形变的摩擦粘滞力， 导致轮胎表面振动，从而使轮胎产生振动噪声【l 引。 ( 2 ) 空气泵气效应 轮胎和路面开始接触的时候，载荷引起的轮饴变形使轮胎花纹和路面间的 空气受到压挤，随着轮胎向前滚动，在胎面离开接触面的时候，受挤压的空气 又被释放出来，这就是轮胎的空气泵气效应。空气泵气效应的理论目前已经由 许多的试验结果证明，人们认为这种由“泵气”效应而导致的压力波动是轮胎 噪声产生的一个主要原因。 ( 3 ) 空气动力学效应 轮胎向前滚动时扰动周围的气流，导致空气气流的不稳定，使空气的压力 发生变化，从而产生了空气动力噪声，在汽车行驶的一定速度范围内，轮胎周 围的空气动力噪声对汽车噪声不起丰导作用，当汽车速度较大的时候，空气动 力噪声比较大，对汽车噪声起主导作用。 2 2影响轮胎噪声的因素 影响轮胎噪声的因素有很多，可以分为两大类：外部因素与内部因素，外 部因素主要有路面状况、气压、轮胎载荷以及汽车的行驶速度等；内部因素主 要有轮胎磨耗，轮胎花纹，轮胎材料，轮胎的质量均匀性等等，其中影响轮胎 噪声最丰要的因素是路面状况和轮胎花纹。下面列举了几个影响轮胎噪声的主 要因素： ( 1 ) 路面 轮胎和路面直接接触，路面直接对轮胎噪声产生影响，其干净平整性有利 于轮胎噪声的降低。目前，平整的沥青路面上轮胎的噪声特性比较好，经过磨 光的高级柏油路面上轮胎的噪声特性更为理想，轮胎在柏油路上行驶比在水泥 路上的噪声要低十分贝，比在砂石路上行驶的噪声要低几十分贝，此外，轮胎 噪声也受到路面的粗糙程度以及湿滑性的影响。 ( 2 ) 轮胎花纹 胎面花纹噪声( p a t t e r nn o i s e ) 是轮胎噪声的主要成分，各种类型花纹产牛的 噪声大小按光滑胎面一一纵沟花纹一一混合花纹一一砌块花纹一一横沟花纹顺 序依次递增，因此降低轮胎花纹噪的第一步就是先了解花纹噪声产生的机理， 然后联系花纹结构参数，建立起轮胎花纹噪声数学模型进行分析研究。 花纹的空气泵吸效应产生轮胎花纹噪声，这样的花纹噪声声压级可近似为 下式： l p = 6 8 5 + 2 0 l g a d l + l o l g i n ，+ 2 0 1 9 a v + 4 0 1 9 n ，一2 0 l g r ( 2 一1 ) 其中：d 一一花纹沟槽深度；a 一一花纹沟槽宽度； l 一一花纹沟槽周向长度；i 一一花纹沟槽轴向槽数； 8 n l 一一轮胎转速；广一声源距离； a v 一一轮胎