汽车轮胎振动噪声性能分析方法及低噪声轮胎结构设计研究

摘要

交通噪声为噪声污染的主要来源，研究表明，70%的交通噪声由行驶车辆产生。当载重车辆行驶速度超过60km/h时，轮胎噪声占整车噪声30%以上。近年来，欧盟、美国等实施的轮胎标签法对轮胎的滚动噪声性能提出了明确要求和实施期限，但目前中国生产的轮胎50%达不到欧盟轮胎标签法第二阶段标准的要求。此外，部分国家和地区针对我国轮胎产品设置的贸易壁垒以及近期美国对我国轮胎产品开展的“双反”调查，均给我国轮胎行业的发展带来了巨大冲击。因此，开展轮胎噪声性能研究对中国绿色轮胎制造与企业转型升级具有重要现实意义。　　研究表明，全钢载重子午线轮胎的噪声主要由其结构振动引起。为研究载重汽车子午线轮胎振动噪声的分析方法，本文以295/80R22.5WSL60轮胎为研究对象，通过定伸循环放置后扯断法对轮胎各部件胶料的力学性能进行单轴拉伸测试，选取Yeoh本构模型描述轮胎各部位胶料的力学特性，以Rebar单元模型模拟橡胶．帘线复合材料的力学性能，采用ABAQUS软件建立了轮胎三维有限元模型。通过接地压力分布、外轮廓特征对比和刚度试验验证了所建三维有限元模型的有效性。　　通过试验测试与有限元分析方法对轮胎自由模态特征进行了对比分析，结果表明，二者得到的轮胎前六阶模态固有频率和振型具有较好的一致性。进而，对轮胎的振动噪声进行了数值计算。通过ABAQUS/Explicit方法模拟轮胎滚动；提取轮胎在滚动过程中受到的路面径向激励力，并求在该力作用下的轮胎振动模态参与因子；结合模态声学传递向量技术和声学边界元理论研究了轮胎在路面径向激励力作用下的振动噪声特性，形成了轮胎振动噪声性能的分析方法。　　利用轮胎振动噪声计算方法分析了载荷、滚动速度、充气压力对轮胎振动噪声的影响，并从轮胎径向振动模态特征、振动噪声频谱特性以及胎面和胎侧表面振动加速度方面，阐述了使用因素对轮胎振动噪声的影响规律。结果表明，随载荷和滚动速度的增加，轮胎振动噪声增加，且二者与振动噪声呈正相关关系；随充气压力的增加，轮胎径向刚度明显增大，但充气压力与轮胎振动噪声间并无明显的相关性，适当的充气压力有助于降低轮胎的振动噪声。　　为探索轮胎结构设计对其振动噪声的影响，建立了不同胎体轮廓、胎面结构、带束层结构和胎冠形状的轮胎振动噪声计算模型，并从轮胎径向振动模态特征、振动噪声频谱特性以及胎面和胎侧振动加速度方面，阐明了结构设计对轮胎振动噪声的影响规律。结果表明，新非自然平衡轮廓设计可显著降低轮胎的振动噪声峰值；胎面结构的合理设计降低了轮胎的振动噪声；通过优化带束层结构，胎面和胎侧的振动加速度降低，轮胎振动噪声减小；随行驶面宽度的增加，轮胎振动噪声先增加后减小再增加；随行驶面弧度高的增加，轮胎振动噪声逐渐减小。　　为辨别各阶模态对轮胎振动噪声的影响程度，将结构模态特征与声学贡献度分析方法相结合，提出了轮胎结构模态声学贡献度分析方法，分析了峰值声压对应频率处各阶模态对轮胎振动噪声的声压贡献和相位贡献，并根据声压和相位贡献的大小辨别出对轮胎振动噪声性能影响最显著的敏感模态。结果表明，固有频率为440Hz和488Hz的径向振动模态对轮胎振动噪声峰值影响最显著。　　为阐明轮胎各部件与敏感模态间的关联关系，利用灵敏度分析方法研究了轮胎各部件质量变化对敏感模态固有频率和广义质量的影响及其规律。根据质量变化对固有频率和广义质量的灵敏度确定轮胎各部件影响敏感模态的主次顺序及其参与模态振动的程度及趋势，进而辨别出胎面、胎侧、内衬层和胎体层为显著影响敏感模态特征的结构部件，其中，胎面的影响最为明显。　　以灵敏度分析方法确定的通过减小胎面质量可降低轮胎振动噪声为指导，结合蝗虫脚掌特殊的几何形态和接地特征，对胎面进行了仿蝗虫脚掌特征的轻量化设计。结果表明，与现行设计轮胎相比，仿蝗虫脚掌胎面轮胎的质量减少0.49kg，振动噪声降低2.74dB，滚动阻力降低2.6%，抓地力增加1.5%，摩擦能量损失降低8.1%，实现了通过胎面的轻量化设计达到轮胎振动噪声与其他性能协同提升的目的。最后，从面板声学贡献度方面揭示了低噪声轮胎的降噪机理，仿蝗虫脚掌胎面轮胎通过降低声学正贡献部件的声压幅值，增加声学负贡献部件的数量达到降低轮胎振动噪声的目的。

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