石宇鹏，张全逾，刘鹏

(1.汉腾汽车有限公司，江西上饶 334000；2.承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德 067000)

0 引言

伴随我国新能源汽车的快速发展，电动汽车将逐渐取代传统燃油汽车，发动机噪声、传动系统噪声、进排气系统噪声将不复存在，路面和轮胎引起的振动噪声将成为当前汽车NVH性能开发最重要的课题。轮胎空腔噪声是路面-轮胎噪声的一项主要关注项，由此成为汽车NVH开发工程师的主要研究工作。

轮胎空腔噪声由路面不平度和轮胎不均匀性激励，引起轮胎空腔模态共振并与轮辋耦合后通过车轴和车身部件的传递导致车内噪声，是路面-轮胎噪声的主要成分之一。轮胎空腔噪声频率通常在180～230 Hz之间，如图1所示。

图1 轮胎空腔噪声

研究表明，轮胎空腔模态是诱发轮胎空腔噪声的重要因素，如果能从根本上控制轮胎空腔模态的响应，即可消除轮胎空腔噪声，故本文作者通过阐述轮胎空腔模态的获取方法，研究轮胎空腔模态的影响因素，为轮胎空腔噪声的控制及性能提升提供参考。

1 轮胎空腔模态获取方法

轮胎空腔模态是由轮胎空腔结构尺寸决定的，一般在180～230 Hz之间，小型SUV轮胎空腔模态在210 Hz附近、中型SUV轮胎空腔模态在200 Hz附近、大型SUV轮胎空腔模态在190 Hz以下。轮胎空腔模态获取方法通常分为3种：经验公式法、仿真分析法、试验测量法。

1.1 经验公式法

轮胎空腔模态分自由状态下和轮胎变形工况下两种情况，由于变形工况所受影响因素繁多且难以定量分析，一般采用各种经验公式进行描述，这里介绍自由状态下轮胎空腔模态计算模型。轮胎内的空气可视为圆环状，如图2所示。

图2 轮胎空腔模态计算模型

空腔模态计算公式[1-2]为

Fi=i·c/L=i·c/2πR

(1)

式中：Fi为第i阶轮胎空腔模态；c为轮胎内声音传播速度(通常计算采用340 m/s，也可以根据声速与温度的经验公式计算c=331.4+0.6t，其中t为温度)；L为轮胎空腔周长(通常可采用2/3法计算)；R为轮胎空腔半径。

1.2 仿真分析法

仿真分析法以轮胎气密层和车轮轮辋为边界条件，建立轮胎空腔有限元模型，进行模态分析即可(基本当前通用的软件都可以完成)，主要表现为左右变形模态和上下变形模态，通常情况下进行自由状态和变形状态两种工况模态分析。

在自由状态工况下，由于轮胎圆周方向均匀，其左右变形模态和上下变形模态频率接近，模态振型如图3所示。在变形状态下，由于轮胎圆周方向不均匀，其左右变形模态和上下变形模态分散，且表现为先出现左右变形模态，再出现上下变形模态，模态振型如图4所示。由于汽车行驶过程中轮胎变形，故在实际工程应用中采用变形状态仿真分析居多。

图3 轮胎自由状态空腔模态仿真分析振型

图4 轮胎变形状态空腔模态仿真分析振型

1.3 试验测量法

由于轮胎空腔为闭合状态，试验测量法直接获得轮胎空腔模态比较困难，一般基于轮胎胎面至轴头的传递函数来识别空腔模态。试验测量法包括整车状态和台架状态，其中整车状态包含未变形状态和变形状态如图5(a)所示，台架状态包含自由悬挂状态、约束未变形状态和约束变形状态如图5(b)所示，轮胎传递函数测试的各种状态都可以识别空腔模态。

轮胎各种状态测试方法相同，通过锤头或激振器激励轮胎胎面(与地面或支架接触的位置)，获取车轮轴头响应，得到其传递函数[3]。图6为整车状态下两种工况的轮胎传递函数，当轮胎未变形时，由于左右模态和上下模态集中，仅在200 Hz显示一个峰值；当轮胎变形时，由于左右模态和上下模态分散出现182 Hz和200 Hz两个峰值。考虑汽车行驶过程中轮胎变形状态，故实际工程应用中采取整车变形状态和台架约束变形状态更好。

图5 轮胎传递函数试验示意

图6 轮胎传递函数

1.4 3种方法精度对比

基于某款SUV车型235/55R20轮胎，通过3种方法计算轮胎空腔模态结果见表1。由表1可知，经验公式法和仿真分析法与试验测量法都比较接近，具备一定的参考意义。

表1 3种方法获取的轮胎空腔模态

2 轮胎空腔模态的影响因素

基于经验公式(1)可知，轮胎空腔模态与R(空腔半径)和c(不同气体介质中声音传播速度)有关，R与轮胎结构尺寸和轮胎变形量有关，c与轮胎气体类型、压力等有关[4]。

2.1 轮胎结构尺寸的影响

轮胎结构尺寸是决定轮胎空腔模态的根本因素。如图7所示，整体趋势显示为轮胎尺寸越大，其轮胎空腔模态越小。由于轮胎型号差异化太大，有时会出现大尺寸轮胎模态与小尺寸轮胎模态接近，甚至超过小尺寸轮胎模态，但差距不会太大。

图7 不同尺寸轮胎模态分布

2.2 轮胎变形量的影响

基于第1.3节中阐述的轮胎变形量对模态的影响，轮胎未变形则模态集中，轮胎变形则模态分散。伴随轮胎变形量的增大，轮胎左右模态和上下模态逐步分散(且更多表现为左右模态频率的前移)，最大可以达到30 Hz以上。部分工程师也用行驶速度描述，行驶速度越快，轮胎变形越大，模态越分散。

2.3 轮胎气体类型的影响

轮胎充气气体类型不同，声音的传播速度不同，故会导致轮胎空腔模态不同；轮胎采用惰性气体，轮胎空腔模态灵敏度会降低。通常在轮胎充气也会采用氮气、氦气等比较稳定的气体，图8为空气轮胎和氦气轮胎(不是纯氦气)车内噪声对比，可以看出空气轮胎空腔模态在200 Hz附近，而氦气轮胎空腔模态后移至250 Hz左右。空气中声速为340 m/s，纯氦气中声速为1 058 m/s，则氦气轮胎空腔模态是空气轮胎的3倍左右，但日常中不会采用纯氦气，会采用混合氦气，其声速会大大降低，所以出现图8的现象。

图8 空气轮胎和氦气轮胎车内噪声对比

2.4 轮胎气体压力的影响

通常轮胎胎压位于0.18～0.24 MPa之间，针对某款车型轮胎进行不同胎压传递函数验证，如图9所示。轮胎空腔模态随着胎压降低逐渐降低，但降低幅度在2 Hz之内，可以认为维持不变，如图10所示。

图9 不同胎压传递函数对比

图10 不同胎压轮胎空腔模态分布

轮胎空腔模态灵敏度随着胎压降低逐渐降低，如图11所示。

图11 不同胎压轮胎空腔模态灵敏度分布

3 结论

通过经验公式法、仿真分析法、试验测量法3种方法计算轮胎空腔模态得到了比较接近的结果，同时通过分析得到了影响轮胎空腔模态的因素及变化规律，为汽车NVH开发工程师的研发工作提供参考，其结论如下：

(1)轮胎空腔模态是路面-轮胎噪声的主要成分，由路面激励轮胎空腔模态共振引起，以结构噪声传递为主；

(2)轮胎空腔模态振型主要包括左右模态和上下模态。轮胎左右模态出现在先，上下模态出现在后，当轮胎未变形时，左右模态和上下模态集中，当轮胎变形时，左右模态和上下模态分散；

(3)轮胎空腔模态伴随轮胎结构尺寸增大而降低；

(4)轮胎空腔模态伴随轮胎变形量加大而左右模态和上下模态分散；

(5)轮胎充气气体类型不同，轮胎空腔模态相异，其气体中声速度越高模态值也越大；

(6)轮胎空腔模态随着胎压降低逐渐降低，但降低幅度在2 Hz之内，轮胎空腔模态灵敏度随着胎压降低逐渐降低。