V ol 41No.3
Jun.2021
噪
声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第41卷第3期2021年6月
文章编号：1006-1355(2021)03-0192-05
某车型轮胎高速均匀性与引起的异响问题分析
张浩，张
光，罗
挺，左跃云，黄
帅
(东风汽车集团股份有限公司技术中心，武汉430056）
摘要：针对某车型在中高速行驶过程中出现的嗡嗡异响问题，通过加速和匀速工况的振动和噪声测试分析，识别车内异常噪声产生的原因为车轮径向16阶振动。结合轮胎不同状态下的空腔模态分析和轮胎均匀性检测，确认问题原因是轮胎RFV （Radial force variation ）H16偏大，在高速时与轮胎空腔共振导致轮胎径向16阶振动偏大，从而引起异常轮胎噪声。通过对轮胎的生产制造工艺分析，提出了生产优化和质量监控的方法，改善后的轮胎在高速下的RFV H16明显降低，实车道路验证了控制方法的有效性，可为后续排查此类问题提供参考。上海大众新领驭
关键词：声学；轮胎均匀性；空腔模态；共振；径向力波动
中图分类号：TB535
文献标志码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2021.03.033
江淮瑞风报价及图片Study on Abnormal Noise Induced by Tire Uniformity of Vehicles
ZHANG Hao ,ZHANG Guang ,LUO Ting ,ZUO Yueyun ,HUANG Shuai
(Technical Center,Dong Feng Motor Co.,Ltd.,Huhai 430056,China )
Abstract :Identification of the buzzing noise of a vehicle operating at high-speed is studied.Vibration and noise test is done under the driving modes of acceleration and constant speed.The results confirm that the 16th order vibration of the wheel is the main influencing factor.According to the tire cavity modal analysis under different states and the tire uniformity detection,the 16th order radial force vibration (RFV)of the tire is further confirmed to be the major cause of the buzzing noise,which resonates with the tire cavity at high speed and then leads to the buzzing noise.Through the analysis of tire manufacturing process,the method of production optimization and quality monitoring is proposed.The 16th order RFV of the tire at high speed after the improvement is significantly reduced.The effectiveness of the control method is verified by road test.This work provides a reference for the identification of buzzing noise of vehicles.
Key words :acoustics;tire uniformity;cavity mode;resonance;radial force vibration (RFV)
轮胎噪声是车辆行驶过程中轮胎和道路间相互作用产生的噪声，其产生机理比较复杂，包含了直接噪声和间接噪声，直接噪声分为胎面花纹噪声、道路凹凸噪声、弹性振动噪声和自激振动噪声等，间接噪声是轮胎直接或间接成为激励源，振动传递至车身产生的噪声[1]。轮胎噪声是车辆噪声的主要来源之一，对整车乘坐舒适性具有重要影响，在中高速行驶时更为明显[2]。
研究表明，轮胎径向力波动（RFV ）和空腔模态对轮胎振动噪声具有重要影响。文献[3]对汽车垂向振动响应进行了研究，发现轮胎径向尺寸不均匀性是重要影响因素。文献[4]通过在实验室进行轮胎均匀性试验，分析了轮胎噪声和均匀性的关系，指
收稿日期：2020-07-10
作者简介：张浩（1991-），男，重庆市云阳人，硕士，主要研究
方向为车辆振动噪声控制。E-mail:*********************
出径向跳动是引起轮胎噪声异常的主要原因。文献[5]分析了轮胎径向力八次谐波引起轮胎噪声的原因，提出了降低8次谐波的具体方法。
轮胎空腔共振噪声是路面激励下，轮胎和轮毂之间的气体振动频率与轮胎结构振动频率一致时产生[6]。文献[7]对轮胎自由状态和接地状态下的空腔固有频率进行了计算，文献[8]并提出了通过椭圆形轮圈来降低轮胎噪声的改进方法并加以验证。目前研究主要针对轮胎空腔噪声的产生机理、数值分析和改善方法，通过对轮胎的胎面硬度、结构刚度和传递路径等参数来达到改善噪声的目的[8–11]。针对高速下轮胎径向力波动（RFV ）16次与轮胎空腔共振引起的轮胎噪声研究还较少。
本文针对某车型高速行驶时出现的异响问题，通过主观评价和振动噪声测试，确认异响是由于轮心径
向16阶振动在高速时偏高导致。结合轮胎RFV 台架测试和轮胎空腔固有频率分析表明，轮胎RFV H16超标，与轮胎空腔共振产生了异常轮胎噪
第3期声。通过对轮胎生产工艺进行提升，改善后的轮胎RFV 明显降低，整车道路下无异常轮胎噪声，为高速工况下的轮胎异常噪声控制提供一定的参考。
1问题描述
某车型在开发过程中，部分车辆在中高速下（60km/h ～120km/h ）行驶时车内出现持续性的嗡嗡异响，并伴有车身抖动。通过主观评价，发现车辆在某特定车速下出现“嗡嗡”异响，与车速（车轮转速）相关，与档位和油门开度等因素无关，结合经验主观判断为传动系统、轮胎等旋转件的激励导致。
凯美瑞的缺点为进一步明确异响源，在平直的光滑沥青路上，利用LMS Test.Lab 测试了异响车驾驶员内耳噪声，左前轮心、三角臂安装点、前减振器安装点、地板和座椅的振动数据。试验在1/4油门开度下进行，得到60km/h ～120km/h 车内噪声结果如图1所示。轮心振动结果如图2（左至右依次为X 、Y 、Z 三向）
所示。
图1加速工况下车内噪声测试结果
通过数据分析，发现车内噪声和轮心径向振动（X 和Z 向）均在185Hz 和210Hz 附近存在明显共振
带。该车型轮胎规格为225/60R18，可以从图2看出，轮心径向振动存在车轮转速的16阶峰值，随着车速上升，先后分别与185Hz 和210Hz （对应车速分别为95km/h 和110km/h ）共振带耦合产生明显峰值，同时车内噪声也出现该阶次峰值。其它振动测点结果与轮心振动结果一致，均在185Hz 和210Hz 附近明显偏高。
2异响源识别
2.1匀速工况试验
由于车辆在95km/h 和110km/h 附近出现了明显的异响，且主观评价110km/h 时更为明显，本文利用异响车（后称A 车）和无异响车（后称B 车），在同一路面分别进行了110km/h 下的匀速试验（两车轮胎装配前均已进行动平衡试验检查）。
两车轮心振动数据处理后的结果分别如图3和图4所示，可以看出两车轮心径向振动均在185Hz 和210Hz 出现了明显峰值，但A 车幅值明显大于B 车，其中210Hz 尤为明显，频率对应为轮胎旋转的16阶次。
图5和图6分别为A 车和B 车轮心、三角臂安装点和减振器安装点的振动，可以明显看出，A 车轮心振动在185Hz 和210Hz 均明显大于B 车，并导致传递至减振器安装点的振动也明显偏大。
表1为A 车与B 车在轮心、三角臂安装点和减振器安装点的振动对比，可以看出，同一位置上A 车的振动均大于B 车。通过数据分析表明A 车轮心振动异常为源头，并导致传递路径上也出现振动偏高
的问题。
图2
加速工况下轮心振动测试结果
图3A 车匀速工况下轮心振动测试结果
某车型轮胎高速均匀性与引起的异响问题分析193
第41卷
噪声与振动控
制图5A 车110km/h
时各点振动测试结果
图6B 车110km/h 时各点振动测试结果
表1A 车与B 车各测点对比测点轮心三角臂安装点减振器安装点
振动加速度/(m ∙s -²dB -1)
A 车13.22-0.36-3.08
B 车11.57-1.48-4.76
综上信息，判断A 车异响为轮胎RFV H16值偏大，高速时在210Hz 与轮胎空腔共振从而引起异常噪声，后续将从轮胎RFV 和空腔模态两个方面进行验证。
2.2轮胎RFV 检测
苏州宝马会轮胎RFV 对车辆高速行驶时的振动噪声影响较大，与轮胎均匀性相关，主要受质量、刚度和尺寸3个因素相关，涉及胎面厚度、帘线密度不均匀、生产制造工艺等多因素的影响[3，12]。
轮胎的RFV 在生产过程中不容易控制，偏大会加剧汽车的振动。对于不均匀的轮胎，其径向力波动随轮胎转动圈数呈周期性变化，可以展开成傅里叶三角级数进行谐波分析，各谐阶量对汽车垂向振动有显著的影响[12]。
轮胎质量不均匀可通过轮胎动平衡进行控制，尺寸和刚度的均匀性通过均匀性检测设备进行检测，可分为低速均匀性和高速均匀性检测。车轮转
动过程中，其径向力波动阶次和频率关系如下[13]：
f =nv 2πr
(1)
式中：f 为不平衡激励频率，n 为阶次，v 为车速，r 为轮胎半径。
试验结果表明，轮胎异常振动噪声与轮胎RFV H16相关。由于轮胎转速对RFV 谐波有重要影响[14]，本文测试了A 车和B 车轮胎不同速度下的RFV 值，其中低速下的RFV 测试结果如图7所示。A 车轮胎在RFV H8值约为B 车轮胎的2倍，RFV H16值基本相等，
未发现明显差异。
图7低速工况下A 车轮胎RFV 检测结果
高速状态下测试了两车轮胎在50km/h ～95km/h 的RFV 结果，分别如图8和图9所示。可以看出，A 车轮胎高速下，其RFV 的H8和H16值远大于无异响轮胎，同时H16值随着转速升高明显增加，但H8值与转速上升无明显规律。
轮胎RFV 检测说明A 车异响与轮胎高速下RFV 16H 偏高有重要关系，需要重点监测轮胎在高速下的RFV
值。
图4B 车匀速工况下轮心振动测试结果
194
第3
期图8A 车轮胎高速工况下RFV
检测结果
图9B 车轮胎高速工况下RFV 检测结果
2.3轮胎空腔模态
（1）轮胎自由空腔模态
轮胎内存在封闭的环形空气，自由状态下，其模态频率主要受轮胎中心周长和内部气体介质的影响，可通过理论公式计算、仿真和试验得到。轮胎第i 阶自由空腔模态固有频率可按照公式（2）进行计算[7]。
f =
ic
l
（2）
式中：c 为声音在轮胎空腔介质中的传播速度，l 为轮
胎空腔中心周长。
A 车轮胎规格为225/60R18，通过式（2）计算自由状态下空腔模态为193Hz 。试验时将轮胎充气至标准气压，用弹性绳悬吊模拟自由状态，测得空腔模态频率为197Hz 。
仿真时，在HyperMesh 中建立该轮胎空腔的有限元模型，网格单元基本尺寸采用10mm 。通过仿真计算轮胎自由状态下空腔模态结果为188Hz ，与理论计算和试验所得结果基本一致。轮胎空腔有限元模型和1阶振型如图10所示。
（2）轮胎接地空腔模态
轮胎受载荷与地面接触产生发生变形时，其空腔模态与自由状态存在明显差异，会分解为一大一小2阶频率，其振型形状相同，但相位不同[7，11]。此时，其理论计算公式如下[7]：
f 1,2=
c
l +()1-m l p
（3
）
图10轮胎空腔有限元模型及模态振兴图
式中：m 为接地状态下轮胎截面积与自由状态截面
积之比，l p 为轮胎接地长度。
本文根据轮胎所受载荷，引入轮胎装车状态下变形量，建立对应的接地仿真模型，计算得到空腔模态仿真结果为185Hz 和191Hz ，与按照式（3）计算得到的192Hz 和196Hz 差异很小，其振型分别为前后方向和垂直方向，如图11所示。试验以车辆正常停放状态进行，测试结果为191Hz 和198Hz
。
图11轮胎接地状态空腔模态振型
（3）轮胎滚动空腔模态
轮胎滚动时，多普勒效应会使轮胎空腔模态频率产生变化，其1阶固有频率可按照公式（4）进行计算[7]。
f 1,2=
c l ±()1-m l p
±v
L （4）
式中：v 为车辆行驶速度，L 为轮胎外周长。
按照式（4）计算和试验得到110km/h 的轮胎空腔模态结果如表2所示，两者误差较小。可以看出，该车型轮胎在110km/h 时存在185Hz 和210Hz 两个空腔模态。
表2轮胎各状态下空腔模态
状态自由状态接地状态滚动状态
公式计算/Hz
193192/196179/208
188185/191
仿真/Hz 试验/Hz 197191/198185/210
通过上述分析表明，由于前期未对轮胎高速下RFV 值进行管控，导致部分轮胎（如A 车）在高速下的RFV H16值偏大，与轮胎空腔共振导致车内出现异常噪声。因A 车型轮胎结构尺寸已经确定，需要对轮胎高速下的RFV 值进行重点控制和监测。
某车型轮胎高速均匀性与引起的异响问题分析195
第41卷
噪声与振动控制3问题验证
该车型轮胎胎面成型模具为8等宽拼接而成，生产工艺导致轮胎的H8和H16成分明显高于其它阶次。
通过轮胎模具及设备精度提升，硫化工艺改善，胎面和胎侧压出断面稳定性提升等措施，有效改善了轮胎RFV 的H8和H16成分。同时，设定了低
速和高速下的RFV 检测目标值（企业保密）进行监控，95km/h 下轮胎RFV 改善前后对比结果如表3所示。
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改善后轮胎高速舒适性得到明显改善，在110km/h 匀速工况下的试验结果表明轮心径向振动16阶明显降低，如图12所示。主客观均达到满意
效果。
图12改善后轮胎110km/h 轮心振动测试结果
表3轮胎RFV 改善前后对比
阶次H8H16
A 车20.690.7
轮胎1#1517.8
轮胎2#13.419.4
轮胎3#16.412.6
轮胎4#20.713.2
4结语
本文针对某车型高速轮胎异常噪声，通过试验
发现轮心径向振动的16阶偏高是主要原因。进一步分析得到，轮胎高速RFV H16偏大，与空腔模态共振导致车内异常噪声。
（1）轮胎空腔固有频率在自由状态下为一个峰值，在滚动状态下会出现两个峰值。
（2）高速下，轮胎RFV H16值与轮胎空腔模态一致时会产生共振，造成整车异常振动和噪声。
（3）轮胎低速和高速下的RFV 具有明显差异，高速下轮胎的均匀性控制对降低车辆振动噪声具有重要意义。
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