轮胎磨损对车内振动和噪声影响的分析研究

何剑峰，靳晓雄，靳 畅，彭 为，何 海

(同济大学汽车学院，上海 201804)

前言

车内振动和噪声作为影响汽车乘坐舒适性的重要因素之一，已受到越来越多的关注。研究车内振动和噪声的方法主要有软件仿真分析方法和试验测试方法，研究内容有车身板件振动对车内噪声的贡献量分析［1-2］、振动和噪声的传递路径分析［3-4］以及使用不同花纹轮胎时车内振动和噪声分析［5］等。轮胎是汽车与地面接触的唯一部件，它在路面激励作用下引起的悬架和连接件振动会对车内振动和噪声产生很大影响，同时轮胎在高速运转过程中产生的高频辐射噪声也会通过气隙或者板件透射传递到车内而形成车内噪声［6-7］。

轮胎在整个使用寿命过程中是不断磨损的，本文中以不同磨损程度的轮胎代表轮胎的整个使用寿命过程，并以其为试验对象，以整车为试验平台，在消声室内测试不同工况下的车内振动和噪声信号，以研究轮胎磨损对车内振动和噪声的影响。

1 轮胎引起的车内振动噪声传递途径

汽车在运行过程中有多个振动源和噪声源，如发动机的振动和噪声、进排气系统的振动和噪声、风噪声、轮胎噪声和悬架与转向系统噪声等［8］。为了研究磨损后轮胎与车内振动噪声的关系，在试验中只考虑以轮胎路面系统作为振动源和噪声源。

轮胎在路面激励作用下，一方面由于空气泵浦效应、号筒效应和轮胎振动等因素产生的高频噪声会通过车身缝隙经空气传播到车内，也会通过车身板件透射到车内而影响车内噪声。泵浦效应是轮胎在转动的过程中，由于轮胎接地前缘处产生压缩变形和接地后缘处压缩恢复而造成的花纹沟槽内的空气被突然挤出和吸入而引起的噪声，它是一种单极子声源，与沟槽内的气流大小有关。号筒效应是由轮胎胎面和地面间形成的类似于号筒状的半封闭空间对轮胎辐射噪声产生的放大作用，与轮胎转速和号筒状区域面积有关［9-10］。另一方面，路面激励通过轮胎传递到悬架系统和连接部件，从而引起车身板件振动，也会向车内辐射噪声［5，8，11］，如图 1 所示。

车内噪声的大小和振源与噪声源的幅值和频率均有关系，且受到板件振动模态的声辐射效率、结构模态和声学模态的影响［8］。整车平台下，4个轮胎接地点作为4个振源和4个噪声源，则车内某个目标点的声压p可以表示为结构传播噪声和空气传播噪声之和，即

2 车内振动和噪声测试试验

在对车内振动和噪声传递路径分析的基础上，进行试验设计并确定车内振动和噪声测点，测试在不同工况下测点的信号。

2.1 试验对象

试验以同型号但具有不同磨损程度的轮胎为研究对象，轮胎尺寸为195/65 R15，胎面花纹形式如图2所示。因以整车为试验平台，所以每组为4个磨损量相当的轮胎，共计3组12个轮胎，分为未磨损轮胎组(新胎)、中度磨损轮胎组和完全磨损轮胎组。不同磨损程度的轮胎胎面对比如图3所示。

以花纹沟槽的深度来衡量轮胎的磨损程度。花纹沟槽的深度是指花纹块外表面到沟槽底部的垂直距离，测量时在轮胎周向的每个磨损标记两边共取12个测点，然后取平均值表示该轮胎的磨损程度，值越小则轮胎磨损量越大。测量结果如表1所示。

表1 轮胎平均花纹沟槽深度

2.2 试验步骤

整车车内振动和噪声测试在消声室内进行，试验时关闭发动机和电气系统，车辆由转鼓拖动。

试验现场如图4所示。由于整车顶棚是和车内空腔相连的面积较大的板件，辐射贡献量大，所以振动信号测点A1布置于顶棚中心;噪声测点M1布置于驾驶员头部位置。测点布置如图5所示，其中噪声测点布置按照 GB/T 18697—2002［12］。

整车测试前，检查车内确保无异物和异响，且门窗关闭，并确保消声室背景噪声对测量的影响在容许范围内。正式测试开始前，先用转鼓拖动车辆运行一段时间，使轮胎达到正常工作温度。每组轮胎进行测试前，都须做轮胎动态平衡，然后安装到整车上，4个轮胎气压均为2.0MPa。测试工况如下:(1)60km/h匀速稳态工况;(2)120km/h匀速稳态工况;(3)车速从140km/h降至20km/h模拟道路滑行工况。以上每个工况均测3次，然后取平均值。

2.3 实测信号

振动信号的采样频率为10240Hz，噪声信号的采样频率为40960Hz。未磨损轮胎组的相关实测信号如图6所示。从图中可以看出，低车速工况下顶棚中心点振动加速度幅值和车内噪声声压幅值都比高速工况要小。

3 车内振动和噪声信号分析

对各组轮胎进行整车测试，得到不同工况下测点的振动信号和噪声信号，并做信号处理，结果如图7～图10所示。图中纵坐标值，对于振动信号为振动加速度级La，dB;对于噪声信号为声压级Lp，dB。

式中:A为某一频域内加速度均方根值;A0为加速度参考值，A0=10-6m/s2;p为声压值;p0为参考声压值，p0=2 ×10-5Pa。

图7(a)和图7(b)分别为60km/h匀速工况下振动信号测点A1的频谱和噪声信号测点M1的自功率谱。由图可见:顶棚振动在2000Hz以上频段，未磨损轮胎组要低于中度磨损组和完全磨损组，在2000Hz以下频段，各组差异小，但完全磨损轮胎组要低于其他两组;驾驶员头部噪声在1000Hz以下频段3组无明显差异，在1000Hz以上频率内，中度磨损轮胎组明显较高。

图8为120km/h匀速工况的测试结果。

由图8可见:高速工况下，不同轮胎组的振动和噪声信号变化规律同低速工况一致;完全磨损轮胎组的顶棚振动在2000Hz以上要明显高于另外两组，而在2000Hz以下要稍低于其他两组;中度磨损轮胎组的车内噪声在800Hz以上要明显高于其他两组;3组轮胎的车内中低频噪声变化不明显。这主要是由于轮胎纵向花纹的号筒效应和泵浦效应引起的。轮胎未磨损时，花纹沟槽较深而泵浦效应不明显，也具有较浅的纵向沟槽，能够在一定程度上抑制高频噪声;随着磨损程度加剧，号筒效应和泵浦效应变明显，较浅的纵向沟槽被磨损掉，辐射到车内的空气噪声会增大;当轮胎近乎完全磨损时，横向和纵向沟槽已非常浅，这时泵浦效应被削减，车内高频噪声减弱。

图9和图10为车速从140km/h降至20km/h模拟道路滑行工况下的振动信号测点A1的频谱瀑布图和噪声信号测点M1的自功率谱瀑布图。由图可见:随着速度的升高，振动信号和噪声信号的幅值均增加;中度磨损轮胎组振动信号幅值的谱峰要比其他两组密集，未磨损轮胎组的幅值峰值是3组中最低的，完全磨损轮胎组由于磨损加剧而胎面花纹块体积减小抑制了花纹块高频振动，所以该组振动信号峰值集中在100～300Hz的中低频域;3组轮胎的车内噪声信号自功率谱峰值都集中在200Hz以下的低频域内，同时未磨损轮胎组的幅值峰值要比其他两组的小，而中度磨损轮胎组的幅值峰值最大。

4 结论

在分析轮胎引起的车内振动和噪声传递途径的基础上，确定车内振动和噪声测点，以不同磨损程度的轮胎为研究对象，以整车为试验平台，在消声室内测量了不同工况下振动测点和噪声测点的信号，从信号分析可以得到如下结论。

(1)车内振动和噪声信号幅值随着车速的升高而增大。

(2)对于60和120km/h匀速工况，车内振动幅值在2000Hz以上频域内随着磨损程度的增加而增加，而在2000Hz以下频域内完全磨损轮胎组的车内振动幅值最小，中度磨损轮胎组的最大;车内噪声信号在800Hz以上的频域内中度磨损轮胎组要高于未磨损和完全磨损的，而在800Hz以下的频域内轮胎磨损对车内噪声的影响不明显。

(3)对于车速从140km/h降至20km/h滑行工况，中度磨损轮胎组的车内振动和噪声信号幅值要高于未磨损和完全磨损的，且中度磨损轮胎组的谱峰更为密集。

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