关于高速车内嗡嗡声问题分析与研究

耿聪聪，苏丽俐，万心东，许增满，陈玉明

(1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300； 2.吉利汽车研究院(宁波)有限公司，浙江宁波 315336)

0 引言

随着汽车生产工艺不断提升，消费者对舒适性要求越来越高，零部件的质量问题越来越凸显重要性，特别是轮胎。与轮胎相关的NVH问题不仅仅有低速路噪、胎噪问题，也有高速抖动、摆动和异响等问题。随着国内NVH技术不断地发展，零部件级别的NVH研究也越来越深入。

现阶段国内外针对轮胎引起的高速嗡嗡声问题研究多集中于台架试验和理论分析，而整车方面遇到的轮胎高速均匀性导致高速嗡嗡声问题研究特别少。熊冉等人[1]通过研究轮胎径向力八次谐波对轮胎高速噪声的影响，提出了优化生产和质量监控的具体方法，解决了径向力八次谐波引起的轮胎噪声问题。当前，提升轮胎高速均匀性、改进生产工艺等方法是解决高速嗡嗡声问题的新趋势，值得深入研究。

本文作者针对试生产阶段某车车速在90～100 km/h时车内存在的明显、间断嗡嗡声问题，做了一系列针对性分析，并提出相应改进方案，对改进方案进行了试验验证。

1 问题源排查

车辆在高速行驶时，主要激励源有发动机和轮胎。为了便于查找噪声源，特意挑选嗡嗡声最明显的车辆进行排查。

1.1 排查思路

(1)另外找一台状态正常车辆，与问题车进行频谱对比，从频谱图中识别高速嗡嗡声问题频率，确定问题；

(2)依据问题频率，在传递路径上布置振动传感器，进一步识别噪声源；

(3)确定噪声源后，对问题进行工程可行性方案整改；

(4)对工程可行性方案进行验证，确定问题是否得到解决。

1.2 试验设计

在正常车和问题车的驾驶员内外耳、副驾驶员外耳、左后乘员外耳、右后乘员外耳位置分别布置传声器；在问题车上左右转向节、左右后轮轮心、发动机壳体、变速箱输出轴等分别布置振动传感器。

测试道路选择光滑平整沥青路；测试设备有LMS 数据采集前端、北智加速度传感器、PCB传声器；测试工况为匀速98 km/h和120～70 km/h滑行工况。

2 理论分析

理想状态的轮胎形状为正圆，刚度、尺寸、质量分布等都是均匀的。由于轮胎是由橡胶、钢丝、纤维等复合材料制成，容易出现构造及工艺上的缺陷，这使得轮胎刚度、尺寸、质量分布等不可能是完全均匀的。

均匀性差的轮胎在光滑路面上转动时，在受到来自路面对轮胎旋转方向周期性的反向力时，会使轮胎轴沿轮胎径向力、轴向力、周向力产生变动。这些变动的力，就是车辆行驶时簧下振动激励源。

轮胎的均匀性用力的变动大小及轮胎晃动的振幅大小来评价。表征均匀性的物理量分别为径向力的变动(FRV)、轴向力的变动(FLV)、周向力的变动(FTV)[5]，如图1所示。

图1 表征高速均匀性的3个方向力示意

生产轮胎时需要将带状的帘布层及胎面胶制作成圆环状，所以两端必须要进行搭接，形成接头，接头是导致轮胎内部刚度及尺寸不均匀的主要原因，从而引起FRV。其他非主要因素有如下几点：

(1)部件的波动，包括：胎面胶厚度的波动；胎面胶的长度的不足；帘布纤维的端部的散乱。

(2)成型精度的波动，包括：帘布纤维的端部的散乱；拼接量过多；各部材的拼接位置不合适；帘布纤维拼接的不均匀。

(3)生胶的变形。轮胎硫化机模具一般由8块圆弧模具拼接而成，轮胎硫化机如图2所示，模具如图3所示。轮胎属于旋转件，高速行驶时噪声呈现阶次特性，若生产制造工艺不满足设计要求，会造成轮胎FRV值偏大，高速行驶时会有相对应的8阶、16阶、24阶等噪声成分出现。

图2 轮胎硫化机

图3 轮胎硫化机模具

3 试验分析

3.1 问题频率查找

对比测试问题车和正常车，从彩图中识别出车内嗡嗡声主要频率为106、212 Hz，利用回放滤波分析，确定对车内嗡嗡声影响较大的频率为212 Hz，分析结果如图4所示。

图4 问题车与正常车车内噪声彩图对比

3.2 噪声源排查分析

对问题车做传递路径振动信号采集分析，分析结果如图5和图6所示。从分析结果可知，只有左右转向节振动和左右后轮心振动有响应，发动机壳体和变速箱输出轴均无响应，因此初步判噪声源在车轮系。

由于振动传感器布置在轮心处，此处的零部件有制动总成和轮胎总成，故需进一步对噪声源进行分析识别。

将问题车和正常车的制动总成和轮胎总成分别对调进行主观评价，对调制动总成嗡嗡声未改善，对调轮胎总成后车内嗡嗡声改善明显，且正常车出现了较明显的嗡嗡声，由此进一步判定轮胎总成是主要噪声源。分析结果如图7所示。

图5 车内噪声和发动机壳体、变速箱输出端振动彩图对比

图7 原状态和更换正常车轮胎后车内噪声频谱图对比

通过一系列试验分析最终判定问题根源在轮胎总成，接下来，对轮胎总成本身进行进一步分析。

4 轮胎空腔模态分析

4.1 轮胎空腔模态计算

自由状态下轮胎空腔模态计算模型，轮胎内的空气可视为圆环状，轮胎空腔模态经验计算公式：

式中：fi为第i阶轮胎空腔模态；c为轮胎内声音传播速度(通常计算采用340 m/s，也可以根据声速与温度的经验公式计算c=331.4+0.6×t，其中t为温度)；L为轮胎空腔周长(通常可采用2/3法计算)；R为轮胎空腔半径。

问题车轮胎型号为215/50 R17，通过计算得出轮胎一阶空腔模态频率为210 Hz。对比第3.2节分析结果可知，210 Hz刚好是问题频率，因此，可确定轮胎空腔模态与某一激励频率发生了共振。

借鉴世界著名轮胎厂家解决轮胎空腔模态问题方法，在轮胎空腔内增加吸音棉进行试验验证。

4.2 空腔模态验证分析

在4个轮胎空腔内侧分别粘贴一圈2 mm吸音棉，如图8所示。做匀速验证，验证结果显示：问题频率由212 Hz降低到了200 Hz，但问题依然存在。由此，确定胎内加吸音棉只是问题频率发生了转移，分析结果如图9所示。

图8 轮胎内加一圈吸音棉示意

图9 原状态与胎内加吸音棉车内噪声频谱图对比

对问题车进一步作120～70 km/h滑行试验分析，确定问题阶次。分析试验结果可知，驾驶员内耳噪声和轮心振动的16阶明显。由此，可以确定轮胎16阶激励频率与轮胎空腔模态发生了耦合。分析结果如图10所示。

图10 滑行工况车内噪声和轮心振动对比

更换马牌CC6轮胎(只换胎不换轮辋)作进一步验证，通过试验分析可知，车内噪声有明显改善，分析结果如图11所示。

图11 原状态与马牌CC6轮胎车内噪声频谱图对比

由以上分析可最终确定，问题根源是轮胎，且主要是轮胎径向力波动引起，因此，对轮胎本身进一步作高速均匀性分析，轮胎均匀性分析结果如表2所示。

表2 轮胎高速均匀性径向力FR16H测试值 N

由表1可知，问题车轮胎FR16H值在30～40 N之间，正常车轮胎在10～20 N之间，马牌CC6轮胎FR16H值在3～5 N之间，问题车的轮胎FR16H值比正常车大很多，说明轮胎FR16H不正常。

5 轮胎优化及优化结果验证

5.1 轮胎优化

对轮胎花纹块模具进行检测，发现侧板不平，导致错位花纹块组装上下错位。针对模具存在的问题，做以下生产工艺改进：

大梁睁大眼睛瞄着我，脸上木木的，半天不说话。发了会儿怔，又转过头，瞅着对面的山墙，眉头皱成一堆儿。我说你累了几天了，早点儿歇息吧。说完我就带上了门，想出去转转。

(1)硫化压力控制。通过硫化试验确定合理的硫化压力，并采用压力自动检测设备进行峰值压力的实时监控。

(2)胎坯尺寸控制。优化成型工艺过程，提高成型设备精度，合理设置抽检频率。

(3)硫化模具清理。增加自动吹风设备，清除硫化过程中缝隙间的杂质。

(4)模具运输与存储。采用专用储物箱对八瓣模具进行隔离存储[1]。

为降低轮胎高速均匀性径向力FRV值，继续改进轮胎冠带缠绕张力控制系统，以保证轮胎冠带侧张力恒定。

为了确保优化后轮胎生产稳定性，现对改进后轮胎进行合格率调查，调查结果如表3所示。

表3 轮胎高速均匀性径向力FR16H合格率

从以上200条轮胎各挑出2条胎(FR16H<10 N)进行整车主观评价和整车客观试验验证。

5.2 主观评价

NVH部门组织研究院轮胎专业部门、生产基地质量部、生产基地技术部门、SQE部门等共计10名工程师进行主观评价，从评价结果可以看出，优化后轮胎主观评价基本都在及格线以上，证明优化方案有效。主观评结果如表4所示。

表4 主观评价结果 分

备注：评分为10分制，6分及格，6分以下不可接受。

5.3 试验验证

从客观测试结果分析可知，98 km/h匀速工况和120～70 km/h轮心振动有明显改善，对应的车内噪声亦有明显改善，分析结果如图12—图14所示。

图12 匀速工况下优化前后车内噪声彩图对比

图13 匀速工况下优化前后轮心振动对比

图14 滑行工况下优化前后车内噪声16阶对比

6 结论

通过一系列的问题排查，锁定到轮胎本身问题，并通过高速均匀性测试证明了此轮胎存在高速均匀性径向力FRV值偏高问题。通过改进生产工艺和优化冠带侧缠绕张力控制系统等，降低了轮胎高速均匀性径向力FRV值，从而解决了高速嗡嗡声问题。

此文只是抛砖引玉，提出了解决该问题的其中一个方向，其他方面需要在工程实际中，针对问题点进行针对性分析，因此，读者可对文中内容持开放性态度。