子午线轮胎的振动分析与噪声控制研究

摘要

现如今，汽车的NVH研究（Noise、Vibration、Harshness）逐渐发展起来。对于汽车而言，轮胎的振动特性对汽车乘坐舒适性起着至关重要的作用。轮胎对汽车的影响主要分为两个方面：振动与噪声，其中，辐射噪声，正是因为行驶中的轮胎因受到外部激励和自身响应引起的，因此本文以降低轮胎振动辐射噪声为目的，从而提高整车性能，对轮胎的振动特性和辐射噪声展开了研究。 本文首先应用三维制图软件SolidWorks绘制子午线轮胎二维截面图，并在此基础上进行旋转操作得到轮胎三维实体模型，然后借助SolidWorks与有限元仿真软件ABAQUS的接口，将模型导入ABAQUS环境中，通过对模型进行定义单元类型、材料属性和划分网格等操作建立与实际相符的轮胎有限元模型。在有限元模型建模过程中采取Neo-Hookean本构模型对胎体橡胶进行模拟，而对于帘布层、钢丝层和带束层的帘线采用rebar单元进行定义。 首先，在轮胎有限元模型基础上，结合实际受载情况，模拟轮胎充气和受载工况，对轮胎进行了模态分析，并探讨了充气压力对模态参数的影响；其次，通过建立轮胎静态接地和滚动轮胎模型对轮胎接地性能展开研究。对于静态轮胎，分析了不同下沉量状态下静态接地轮胎的变形与应力变化规律；对于动态轮胎，通过模拟轮胎制动、驱动和稳态滚动探讨了滚动轮胎在三个状态下的应力分布情况。最后以轮胎结构动态特性分析结果为基础，建立轮胎声学模型，研究轮胎的振动辐射噪声。 研究发现，本文充气、受载和接地工况下轮胎的变形与应力分布结果与实际情况相符。通过对充气轮胎进行模态分析，得到充气压力的增大使轮胎固有频率升高，而对固有振型影响不大。对静态接地轮胎而言，受载工况下，轮胎接地部位变形大致呈对称分布，且在同一充气压力状态下，随着轮胎下沉量的增加，接地区域变形和支反力增大；接地区域应力呈现由中心部位逐渐向两边扩展减小的趋势，且在相同载荷状态下，随着充气压力增大，应力分布逐渐从椭圆形向矩形过渡。另外，与静态接地时轮胎接地区域法向应力分布相比，滚动轮胎处于制动状态时法向应力分布呈现前移，而驱动时应力分布后移，且驱动与制动时的应力最大值大于稳态滚动状态的应力值。利用有限元法对轮胎声学模型进行研究，得到轮胎的辐射噪声主要来自胎面和胎侧的振动，除了可以适当 改善充气压力和材料属性控制辐射噪声，本文还提出了在胎面和胎侧添加阻尼材料的低噪声轮胎设计方案，并通过分析现行轮胎与添加阻尼材料轮胎胎面和胎侧的振动加速度响应，得到添加阻尼材料可以有效降低胎面和胎侧的振动，进而可以有效降低轮胎振动辐射噪声，验证了此设计方案的可行性。

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