整车路噪性能提升的轮胎优化设计分析

张泽民 宋海龙 马世涛

摘要：针对轮胎进行优化设计的最终目的是帮助提升整车路噪性能，其中针对轮胎的参数以及模型的基础上进行优化设计，能够获得较为精准的数据。本文将从整车路噪性能提升的角度出发，过集成试验场扫描所得路谱、CDTire轮胎模型和整车声固耦合模型，建立了整车路噪仿真环境。采用当前发展较为超前的模型设计方式，在轮胎参数的技术上进行变量设计，对轮胎进行优化设计，提升其整体使用性能，帮助减少轮胎在行驶过程中产生的噪音问题，为广大学者提供借鉴。

关键词：路噪性能提升;轮胎优化设计;虚拟试车场技术

引言：随着人们生活水平的不断提升，使用汽车作为自己的出行工具已经成为一项十分常见的普及工具。汽车在行驶的过程种轮胎与地面摩擦所产生的噪音与驾驶者的心境有着很大的关系，同样汽车的性能噪音、振动和舒适性（NVH）已经成为汽车生产企业不断追求的性能指标。轮胎在这个过程中扮演者较为重要的角色，在行驶的过程中路面噪音对整车噪声级的贡献更为显著。笔者通过调查研究发现，路噪性能、传递机理以及降噪技术能够提升汽车用户的使用感受，同时对于提升自己产品的整体性能也有较大的帮助。为了提升用户的使用感受，国内多个学者在这一领域进行了大量的研究和实验，利用参数和模型进行处理，能够帮助较好的降低路噪。轮胎是汽车整体构造中不可缺少的一部分，作为与地面接触时间最长的一个构造，在传递路径上对路噪响应有非常重要的贡献，本文将从汽车轮胎自身NVH的角度出发探讨在轮胎优化设计的基础上如何提升路噪性能，帮助整车减振降噪。

一、基于虚拟试验场的整车路噪仿真方法

虚拟试验场（VPG）是很多汽车生产厂家在进行技术开发和使用之前普遍使用的一种整车仿真软件，VPG能够对整车系统进行全部试验，有着较为成熟和丰富的经验，更加系统完整的进行仿真实验[1]。检测路噪性能主要采用的是NVH数字路谱、轮胎模型和整车声固耦合模型，建立相应的虚拟试验场进行实验论证。

1.1NVH路谱建模

NVH路谱建模主要是在汽车整体性能比较的基础上进行建立的，有较为直观的感受，同时也是汽车仿真技术中最为常见的一种，前期的仿真模型建立可以帮助改善和提升整车性能。在建模之初，需要对路面进行激光扫描，得到相应的路面空间功率谱密度，将得到的参数作为后期建模的数据，有利于提升整体建模的精准度。

1.2基于 CDTire的轮胎建模

CDTire是一种基于经验的轮胎模型，对于一个已经有实物的轮胎，给轮胎做各种各样的实验，通过仿真曲线和实验曲线进行参数的对于，这些实验数据和结果，使用软件拟合得到一个轮胎模型，这个轮胎模型可以适用的范围比较广泛，根据实验的不同拟合出来的轮胎也是不同的，但完备的实验数据和结果，能够得到多体动力学的轮胎模型。CDTire的轮胎建模具有较好的动力学特征，能够帮助识别不同层次的声腔模态，得出的实验数据和差异并不大。

1.3整车声固耦合建模

整车声固耦合建模的最终目的是利用模型声场和结构场之间相互作用的影响力而建立的一种模型，建模的过程中需要将汽车结构的组织内部振动与空腔流体介质耦合起来考虑耦合体统的模态参数，能够帮助汽车建模和各个部件之间的数据分析提供更加精准的数据。结合本文需要建立相应的整体车身、动力系统、转向系统、底盘系统以及其他系统之间的模型，将其整合在一起，进行耦合建模和数据分析。

1.4初始仿真结果与分析

通过以上的几种建模方式和实际轮胎模型的建造，能够体现出两种参数之间轮胎模型的整车路面振动噪声响应结果。得出同款轮胎的物理参数直接决定了该轮胎的力学性能， 轮胎的特性和使用性能直接影响到整车振动噪声，它们之间的产生有着密不可分的联系，是一个重要的影响因素。因此，在整车结构确定的情况下，可采用代理模型优化技术优化轮胎关键参数，帮助路噪性能得到较好的提升。

二、基于代理模型的近似优化方法

路噪性能在测试的过程中需要耗费一定的时间，模型的建立可以利用相应的规律、变量之间的关系或者是代理模型等进行优化设计，有利于提升优化设计的数据分析。

2.1最优拉丁超立方试验设计方法

最优拉丁超立方试验设计方法是一种分层采样技术的具体体现，需要针对汽车代理模型的整体结构进行代码编写，然后从多元参数分布中近似随机采样的一种方法，能够帮助解决汽车模型在构建的过程中产生的一些复杂的系统性问题，进行优化设计。最优拉丁超立方试验方法的核心是采用LP偏差作为样本点分布均匀性的评价准则，在此准则的引导下可搜寻出一组分布最为均匀的样本点[2]。

2.2Kriging代理模型

Kriging代理模型在建立的过程中最主要的就是利用自变量和因变量之间的代表关系进行设计，具有局部估计的特点，利用相关函数的连续性和可导性能够取得较好地参数分析和模型效果。Kriging能够通过系统内部的某一个特定的构造定义整体，在很多的汽车模型构建中都有相应的使用。

2.3多岛遗传优化算法

使用多岛遗传优化算法对模型中各个系统参数进行优化，能够将优化之后的数据应用于汽车的整体性研发，能够有效地提升参数的精准度，具有好的参数意义和全局优化能力。

2.4边界与最佳邻域搜寻补点方法

在汽车模型部件模型构建的过程中，如果产生的参数或者是精准度不滿足要求的情况之下，可以采用补充样本点更新代理模型重新执行优化。边界与最佳邻域搜寻补点方法能够帮助更好的解决此类问题的发生，有助于快速得出数据，提升参数的精准度以及模型构建的速度。

2.5优化流程

优化的流程一般包含对于问题、目标、设计变量、初始样本设计、整车路噪仿真、优化问题的解决方案等进行优化。

三、轮胎关键物理参数优化设计

通过以上的模型设计的参数等信息对CDTire轮胎模型进行优化设计，能够有效的提升整车路噪性能。优化设计的要点包含橡胶剪切刚度、帘布层刚度、钢丝层刚度、带束层刚度、胎冠 x 与 y方向剪切刚度、轮胎 x 方向弯曲刚度、胎面质量、橡胶剪切阻尼九个重点参数要点进行优化设计[3]。设计变量的数据需要综合考量驾驶员在行驶过程中对于汽车零部件的使用情况，观察设计指标与最初的设计进行综合，建立相应的数学模型。调整参数优化设计，保证参数与最初设计之间的误差不能超过10%，提升结果的准确度。

结束语：本文主要从提升路噪性能的角度出发，并建立相应的汽车模型构建，通过数据优化等方向获取模型数据，结合整车声固耦合模型构建虚拟路面路噪仿真环境。在代理模型的近似优化方法的基础上进行优化设计流程。让汽车模型的构建能够满足要求，同时达到降噪的效果。

参考文献

[1]高丰岭， 吴渊， 卜晓兵，等. 基于整车路噪性能提升的轮胎优化设计[J]. 汽车工程， 43（1）：7.

[2]徐劲力， 潘青姑， 陈端滢. 基于汽车NVH提升的传动轴优化仿真分析与实验验证[J]. 汽车工程， 2018， 40（12）：95-102.

[3]张超， 田顺， 刘卓凡. 轮胎/路面噪声机理及其模型分析综述[J]. 中国科技博览（45）：1.