机
电 工 程 技 术 第
５０卷 第０３期ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ ５０ Ｎｏ ０３
收稿日期：２０２０－０９－２０
ＤＯＩ：
１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２１ ０３ ０７９
车轮侧向刚度对整车路噪性能的影响
郭勇昌，张志达，谢 然，张 洋
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州
５１１４３４）摘要：为了在整车项目开发初期评估车轮路噪性能，采用车轮侧向刚度作为评价指标，研究了其对整车路噪性能的影响。阐述了车轮侧向刚度的基
本理论，推导了车轮侧向刚度公式；以某车型整车有限元模型仿真为例，验证了不同侧向刚度车轮对车内声振传递函数的影响；最后通过试验验证
了不同侧向刚度车轮对整车路噪性能的影响。仿真结果与试验结果基本吻合，均证明了车轮侧向刚度的提高对整车２００～４００Ｈｚ噪声有明显改善。
关键词：车轮侧向刚度；路噪；有限元；声振传递函数
中图分类号：Ｕ４６７；ＴＢ５３３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－９４９２（
２０２１）０３－０２７４－０４ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｓｏｆＬａｔｅｒａｌＷｈｅｅｌＳｔｉｆｆｎｅｓｓｏｎＲｏａｄＮｏｉｓｅｏｆＶｅｈｉｃｌｅ
ＧｕｏＹｏｎｇｃｈａｎｇ
，ＺｈａｎｇＺｈｉｄａ，ＸｉｅＲａｎ，ＺｈａｎｇＹａｎｇ
（ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＧｒｏｕｐＣｏ ，Ｌｔｄ ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１１４３４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｒｏａｄｎｏｉｓｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｗｈｅｅｌｉｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｅｈｉｃｌｅｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅｌａｔｅｒａｌｗｈｅｅｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｗａｓｕｓｅｄａｓａｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｔｏｓｔｕｄｙｉｔｓｅｆｆｅｃｔｓｏｎｔｈｅｒｏａｄｎｏｉｓｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｏｆｌａｔｅｒａｌｗｈｅｅｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｗａｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，
ａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｏｆｌａｔｅｒａｌｗｈｅｅｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｗａｓｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆａｖｅｈｉｃｌｅｗａｓｔａｋｅｎａｓａｎｅｘａｍｐｌｅｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗｈｅｅｌｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｅｒａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｎｎｏｉｓｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗｈｅｅｌｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｅｒａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｎｔｈｅｒｏａｄｎｏｉｓｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｅｒｅ
ｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｖｅｈｉｃｌｅｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｄａｔａ．Ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｌａｔｅｒａｌｗｈｅｅｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ２００～４００Ｈｚｒａｎｇｅｒｏａｄｎｏｉｓｅｏｆｖｅｈｉｃｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｔｅｒａｌｗｈｅｅｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｒｏａｄｎｏｉｓｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；
ｎｏｉｓｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ
０
引言
路噪是影响汽车乘坐舒适性的重要性能之一，随着用户
对汽车舒适性的要求越来越高，路噪作为最易被感知的ＮＶＨ
性能之一也不断遇到新的挑战［１
］。路噪主要分为空气传播噪
声和结构传播噪声，前者主要影响因素之一是轮胎辐射噪声，后者主要影响因素之一是路面与悬架系统产生的噪声振动，本文研究课题主要和后者相关。对于轿车，结构传播噪声主要频率范围一般是几十Ｈｚ～几百Ｈｚ甚至更高。乘客时常抱怨的路噪问题主要集中在粗糙路面，汽车在粗糙路面和光滑路行驶时的车内噪声差异主要集中在５０～８００Ｈｚ频段的结构声，１０００Ｈｚ以上差别非常小［２
］。董红亮等［３
］将乘用车结构声腔耦合系统应用在车内噪
声控制中。过学迅等［４
］对汽车车内噪声产生机理和传统控制
方法作了阐述。粗糙路面带来的激励主要是由轮胎和路面摩擦产生，轮胎的滤振作用也就影响着激励的大小。车轮作为轮胎的载体，如何确保轮胎能较好发挥其隔振性能是工程实际中需要研究的课题。国内外学者针对车轮及其对噪声影响问题做了一定的研
究工作。ＳａｍｕｅｌＳａｉｎｔｙ等［５
］通过在轮辋处增加弹性环和分隔片
的方式将轮胎空腔频率有效提高，进而改善整车
２００～２５０Ｈｚ频率段噪声问题。郑松林等［６
］通过车轮固有频率对比分析，
研究了镁合金材料车轮轻量化效果及对车辆的动力学特性影
响。于学华［７
东风标致608］尝试将轮辋制成椭圆形来降低轮胎空腔共振噪声。
本文为了研究车轮与整车噪声的相关性，提出用车轮侧
向刚度表示车轮系统刚度。首先推导了车轮侧向刚度的公式，其次通过整车ＣＡＥ模型仿真得到不同侧向刚度车轮对车内声振传递函数的影响，最后通过试验验证了不同侧向刚度车轮对整车路噪性能的影响。
１
车轮侧向刚度原理
车轮由轮辐与轮辋两部分组成，如图１所示。车辆运动时，路面的激励导致的结构噪声首先是作用到轮胎上，然后通过车轮上的轮辋传递到轮辐，进而通过悬架传递到车内。轮辐和轮辋之间的传递特性是整条传递路径的重要一环。如何在设计阶段有效控制车轮的传递特性非常重要。现如今，业内普遍采用控制车轮前几阶结构模态进行ＮＶＨ方面的约束，但大量结果表明，这种方法很单一且效果一般。本文提出结合车轮侧向刚度对车轮设计加以控制。车轮侧向刚度是
图１ 车轮
图２ 车轮两自由度无阻尼自由系统
威达描述车轮侧向抵抗形变的能力，侧向刚度越大抗变形能力越
强。车轮侧向刚度可以作为车轮传递特性重要指标之一，其大小能有效决定轮胎的隔振性能，同时影响结构噪声传递路径，进而影响到整车噪声。将轮辐和轮辋的质量分别用ｍ１
和ｍ２
表
示，这样自由状态的车轮就可以类比成两自由度无阻尼自由系统［８
］，如图
２所示。Ｆ１
和Ｆ２
为激励力，ｘ１
和ｘ２
panamera4为位移，ｋ为系统刚度。当激励力在车轮中心位置，方向为侧向（车轮轴向）时的刚度ｋ定义为车轮的侧向刚度。推导过程如下。两自由度无阻尼自由系统的运动方程式为：ｍ１¨ｘ
１＋ｋｘ１－ｋｘ２＝Ｆ１ｍ２¨ｘ２
－ｋｘ１
＋ｋｘ２
＝Ｆ
{２
（１）其阻抗矩阵为：
Ｚ（ω）＝
（ｋ－ω２
ｍ１
）－ｋ
－ｋ（ｋ－ω２
ｍ２[]）（２）系统频响函数矩阵为：
Ｈ（ω）＝Ｚ－１
（ω）＝（ｋ－ω２
ｍ２
）－ｋ－ｋ（ｋ－ω２
ｍ１
[]）（ｋ－ω２
ｍ１
）×（ｋ－ω２
ｍ２
）－ｋ２
（３）频响函数为（２×２）阶的矩阵，可写为：Ｈ（ω）[
＝
Ｈ１１（ω）Ｈ１２（ω）Ｈ２１
（ω）Ｈ２２
（ω]
）
（４）式中：任一元素Ｈａｂ
（ω）为第ａ点的响应与第ｂ点激励之间的频响函数，当ａ＝ｂ时，称为原点频响函数；当ａ≠ｂ时
，则称为跨点频响函数。
可知ｍ１
的
原点频响函数为：Ｈ１１（ω）＝
ｋ－ω２
ｍ
２
－ｋ（ω２ｍ１＋ω２ｍ２）＋ω４
ｍ１ｍ
２
＝
－（ｋ－ω２
ｍ２
）ω２（
ｍ１＋ｍ２）（ｋ－ω２
ｍｃ
）（５）式中：ｍｃ
＝ｍ１ｍ２
ｍ１＋ｍ２
。
两自由度无阻尼自由系统的幅频Ｈ１１
（ω）
示意图如图３所示。图３ 车轮两自由度无阻尼自由系统幅频Ｈ１１
（ω）示
意图图中：共振峰频率ω１
＝
ｋｍ槡ｃ
，反共振峰频率ω
２
＝
ｋ
ｍ槡２
。
可知，ｆ
１
＝
１
２π
ｋｍ槡ｃ
，ｆ２＝
１２π
ｋ
ｍ槡
２ｍｃ＝ｍ１ｍ２ｍ１＋ｍ２
，另外，车轮总质量Ｍ＝ｍ１
＋ｍ２
。丰田卡罗拉锐放2023款报价及图片
由上述已知条件可将车轮侧向刚度公式做如下推导：
ｍ１
＝Ｍｆ２２ｆ２１
，ｍ２
＝Ｍ１－
ｆ
２２ｆ()
２１
ｋ＝
１
２
（２π）２
ｆ２１
ｍｃ
＋１２（２π）２
ｆ２２
ｍ
２
＝１２（２π）２
ｍ１
ｍ２
ｍ１
＋ｍ２
＋１２（２π）２
ｆ２２ｆ
２１
ｍ[]２
ｆ
２１
＝（２π）２
ｍ１
ｍ
２
ｍ１
＋ｍ
g6001２
ｆ
２１
＝（２π）２
ｆ２２ｍ
２
＝（２π）２
ｆ２２
Ｍ１－
ｆ
２２ｆ()
２１
（６）最终推导出只包含车轮总质量Ｍ以及轮心位置原点频响曲线共振峰频率ｆ１
和反共振峰频率ｆ２
的
车轮侧向刚度公式：Ｋｗｈｅｅｌ
＝（２πｆ２
）２
×Ｍ－Ｍｆ
２２ｆ()[]
２１
÷１０
６
（７）仿真计算的某款车轮轮心侧向（轴向）幅频示意图如图４所示。 图
４ 某款车轮轮心侧向幅频示意图将共振峰频率ｆ１
，反共振峰频率ｆ
２
和质量信息Ｍ代入车轮侧向刚度公式，即可获得该车轮的系统刚度。同理，通过试
验也能很容易获得轮心处幅频曲线，进而求得对应车轮侧向刚度。进行上述过程推导，除了将车轮侧向刚度理论依据进行剖析外，另外的重要意义在于，车轮侧向刚度公式最终表达式中的质量信息仅用到了车轮整体的质量参数，而无需将整个车轮分割为轮辐和轮辋进行单独研究。事实上，轮辋和轮辐两个部分紧密相连，也无法确切地将两部分分割开。
２
整车仿真分析
２ １
车轮与整车仿真模型本节为了从仿真角度考察车轮侧向刚度对车内噪声的影响，特将车轮有限元模
型与整车有限元模型连接，计算不同侧向刚度车轮对整车声振传递函数的影响。图５所示为某款车型整车仿真模型。
图５ 某
款车型整车仿真模型郭勇昌，等：车轮侧向刚度对整车路噪性能的影响
２ ２
车轮侧向刚度对整车声振传递函数的影响声振传递函数（ＮＴＦ）表示，将单位振动激励力作用在车上某处，振动通过车身传递，然后辐射到车内形成噪声，
测试在车内产生噪声的大小［９
］，这就是典型的结构声传递。
在国内外的整车开发过程当中，整车声振传递函数是衡量一款车路噪性能表现优异与否的重要指标之一。声振传递函数幅值越低表示相同激励下传递到车内噪声值越低。本文分别将不同侧向刚度车轮与上述整车仿真模型相组合，计算了前后轮Ｘ、Ｙ、Ｚ３个方向的激励到驾驶员右耳和右后乘客左耳的噪声传递函数，结果如图６～９所
示。图６ 前轮心激励驾驶员右耳响应
图７ 前
轮心激励右后乘客左耳响
应图８ 后轮心激励驾驶员右耳响
应
图９ 后轮心激励右后乘客左耳响应
从上述整车声振传递函数对比结果可看出，在０～２００Ｈｚ频
段范围内，两者差别不明显；在２００～４００Ｈｚ频段范围内，侧向刚度为７５ｋＮ／ｍｍ的车轮普遍优于侧向刚度为３５ｋＮ／ｍｍ的车轮。侧向刚度大的车轮能有效改善中频段的整车声振传递特性。结合第１节可知，在整车开发前期，即可通过车轮单体与整车ＣＡＥ模型共同仿真，计算得出不同侧向刚度车轮对声振传递的影响，然后根据不同车型对路噪性能的定位及要求，去匹配不同的车轮侧向刚度，进而指导车轮的开发工作。
３
整车试验验证
３ １
车轮单体测试本节选用了车轮侧向刚度分别为２０ｋＮ／ｍｍ和３９ｋＮ／ｍｍ的两个同规格车轮，装配相同轮胎，在同等胎压情况下，测试了轮胎单体自由状态下从轮心侧向（轴向）到胎面的频响传
递函数，如图１０所示。通常情况下，频响传递函数幅值越低表示对应传递路径对激励的敏感度越低，越不容易被激励起来。从图中可看出，单体状态下，不同侧向刚度车轮的频响传递函数的幅值在２００～４００Ｈｚ范围内有明显的差别。侧向刚度大的车轮表现出了更优的传递特性。
图１０ 车轮单体频响传递函数
图１１ 粗糙路
２０２１
年
０３月
机电工程技术
第
５０卷 第０３期
３ ２
整车测试
为进一步验证车轮侧向刚度对整车路噪性能的影响，将上述车轮侧向刚度分别为２０ｋＮ／ｍｍ和３９ｋＮ／ｍｍ的同规格车轮，装配相同的轮胎，胎压相等的情况下进行了实车验证。
实验测试路面如图１１所示，工况为城市环境常用的６０ｋｍ／ｈ。试验结果如图１２所示。
图１２ 路噪声压值与频谱曲线对比
从实车路噪测试对比也可以得出与整车仿真类似的结果，
即车轮侧向刚度对整车路噪性能有显著的影响，影响频率段主要集中在２００～４００Ｈｚ的中频段。声压级总值，前排差别
１ １ｄＢ，后排１ ５ｄＢ，主观感受路噪也有较明显的差别。３ ３ 簧下质量影响测试侧向刚度相差较大的同规格车轮，往往质量也会有一些差别。为了排除簧下质量对路噪的影响因素，在上述实车上，基于同一款车轮，在靠近４个车轮的下摆臂上增加１ｋｇ质量块，测试对路噪是否有影响。结果如图１３所示。从图中可看出，在靠近轮心处增加１ｋｇ质量对路噪影响很小。进一步证明，车轮侧向刚度影响整车路噪的有效性
。
图１３ 簧下质量影响测试
４
结束语
本文推导了车轮侧向刚度的公式，并通过整车仿真和试验
验证了车轮侧向刚度对整车路噪性能的影响，主要结论如下。（１）在２００～４００Ｈｚ频段内，车轮侧向刚度对整车噪声传递函数有显著的影响，侧向刚度越大，声振传递函数幅值越低。（２）在２００～４００Ｈｚ频段内，车轮侧向刚度对整车路噪性能有显著的影响，侧向刚度越大，路噪表现越优异。
领克汽车（３）整车仿真结果与实车测试结果基本一致，可以证明本文车轮侧向刚度对路噪性能影响研究是可靠的。（４）车
轮侧向刚度可以在车型开发早期通过仿真手段计算得到并提出具体指标进行相应的控制。且对乘客乘坐舒适
性而言，２００～４００Ｈｚ频率段的噪声是经常被抱怨的问题点之一，故而本文车轮侧向刚度对路噪性能影响研究具有较大工程意义。（５）本文给出了车轮侧向刚度对路噪的影响，但是如何有效提升车轮侧向刚度并没有展开，后续可进一步研究。
参考文献：［１］ＳｍｉｔａＳｈｉｖｌｅ，ＧｙａｎＡｒｏｒａ．ＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｏｆＲｏａｄＮｏｉｓｅＡｎａｌｙｓｉｓ
ａｎｄＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＳｔｒａｔｅｇｙｆｏｒＰａｓｓｅｎｇｅｒＣａｒｓ［Ｃ］／／ＳＡＥ２００６ＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓ＆Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ，２００６．［２］庞剑，谌刚，何华．汽车噪声与振动－理论与应用［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００６．［３］董红亮，邓兆祥，高书娜．结构声腔耦合系统振型耦合机理
在车内噪声控制中的应用
［Ｊ］．汽车工程学报，２０１１（４）：２４８－２５３．
［４］过学迅，陈孟华．车内噪声控制技术的研究现状及发展趋
势［Ｊ］．汽车研究与开发，２００５（１）：１６－１８．
［５］ＳａｍｕｅｌＳａｉｎｔｙ，ＡｎｔｈｏｎｙＴａｗａｆ，ＪｏｎａｔｈａｎＲｉｃｈａｒｄ，ｅｔａｌ．
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｏｔｅｎｔｉａｌＳｏｌｕｔｉｏｎｓｔｏＡｕｄｉｂｌｅＴｉｒｅＣａｖｉｔｙａｎｄＲｉｍＣｏｕｐｌｉｎｇＲｅｓｏｎａｎｃｅＮｏｉｓｅ［Ｃ］
／／ＡＳＭＥ２０１２ＮｏｉｓｅＣｏｎｔｒｏｌ＆ＡｃｏｕｓｔｉｃｓＤｉｖｉｓｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ＮｅｗＹｏｒｋ：
ＡＳＭＥ．１０．１１１５／ＮＣＡＤ２０１２－０１１３．
［６］郑松林，郑钻玺，徐洪慧，等．汽车镁合金车轮动态特性分
析［Ｊ］．汽车工程，２０１１（２）：１４８－１５１．［７］于学华．轮胎空腔共振噪声的改进方法［Ｊ］．华
南理工大学学报
（自然科学版），２００９，３７（７）：９０－９３．［８］傅志方，华宏星．模态分析理论与应用［Ｍ］．上
海：上海交通大学出版社，
２０００．［９］庞剑．汽车车身噪声与振动控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社
，２０１５．第一作者简介：郭勇昌（１９９０－）
，男，山西临汾人，硕士研究生，研究领域为整车ＮＶＨ开
发。（编辑：刘诗寒）郭勇昌，等：车轮侧向刚度对整车路噪性能的影响
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