基于模态轮胎的道路噪声分析优化与试验验证

2022-10-31姜雪许京邓建交侯杭生

农业装备与车辆工程 2022年8期

姜雪，许京 ,邓建交，侯杭生

（1.130013 吉林省长春市中国第一汽车股份有限公司研发总院；2.130011 吉林省长春市汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室）

0 引言

近年来，汽车的道路噪声性能越来越受消费者关注。轮胎作为汽车上的重要且复杂的部件，其性能对道路噪声的影响举足轻重。在市场竞争激烈、开发周期一再缩短的今天,虚拟开发能力已成为不可或缺的产品开发手段。在整车道路噪声分析中，如何高效准确地建立轮胎模型是最为关键和困难的部分，这是因为非常复杂的轮胎构造包括了带束层、帘布层、胎面胶、胎肩胶、三角胶等各种材料，橡胶作为轮胎的主体材料，具有很强的非线性特性，并且轮胎中的许多铺层无法采用各向同性材料描述。轮胎建模的方法一直在摸索和研究中。国内外对于轮胎模型的研究理论大致分为3 类：弹性基环形梁模型、薄壳模型和有限元模型。

目前主流轮胎厂家一般采用非线性有限元模型进行分析，基于ABAQUS 软件中的非线性分析和材料模块，该方法可以细致表述轮胎的物理结构，利用内嵌的橡胶本构关系模型公式，根据试验获得的材料参数特性拟合本构关系公式，确定橡胶本构关系类型和特征参数，从而建立较准确的轮胎模型，不过该方法需要针对轮胎的每一层铺层进行材料力学实验。轮胎中铺层多且很薄，如图1 所示，而整车厂难以获得各个铺层的试验样本，因此轮胎建模非常困难。同时，目前主流的道路噪声分析都采用线性求解器，该模型为非线性有限元模型，适合于计算轮胎单体的特性，无法应用到基于线性求解的整车有限元分析中[1-3]。

图1 典型的轮胎结构Fig.1 Typical tire structure

在道路噪声分析过程中，为了配合整体有限元的线性分析求解，轮胎模型也必须为线性有限元模型。目前商业化的线性模型主要有CD-TIRE 模型，该模型是一个参数化的模型，需要进行大量的试验来确定轮胎特征参数，由这些特征参数来表达轮胎的物理特性，但这些工作必须依赖于轮胎技术供应商的试验测试和软件数据处理。每款新车型的开发都需要轮胎技术供应商重新做试验获取轮胎参数数据，试验工作繁琐，不仅耗费大量时间、资金，并且无法进行技术储备以适用不同的项目开发，不利于CAE 能力的横展[4-6]。为了克服这些困难，本文采用以线性轮胎模型为基础的有限元整车分析方法分析道路噪声。

1 整车道路噪声分析

整车道路的虚拟计算首先需要建立整车有限元模型，图2 为本文使用的整车有限元模型，包括模态轮胎、底盘结构件、动力传动系统结构件、内饰车身和车身声腔。

图2 乘用车整车模型Fig.2 Complete model of passenger car

目前，底盘结构件、动力传动系统结构件、内饰车身和车身声腔的建模方法都很成熟。进行整车道路噪声虚拟分析时，必须在轮胎接地处输入粗糙路面不平度的激励，即路面相对于参考平面的高度差，然后将该激励转化为功率谱密度施加在轮胎接地点处，因此轮胎是道路载荷传递的关键部件，其固有特性的确定和建模方法对分析结果影响显著。

采用以线性轮胎模型为基础的有限元整车分析方法，首先立足于简单快捷的刚体轮胎方法，建立了一个刚性环的线性轮胎有限元模型。该模型中轮胎所有的节点都为刚性，胎面各个节点通过NASTRAN 的RBE2 单元与轮心相连，在轮心处和胎面接地点处定义接触点，如图3 所示。

图3 刚性环轮胎模型Fig.3 Rigid tire model

轮胎模型完成后置入整车模型中，轮胎胎面接地处输入粗糙路面不平度激励，计算工况为匀速50 km/h，计算驾驶员内耳和驾驶员外耳的A 计权声压级，分析得到的车内噪声结果如图4 所示。从图4 可以看出，装配刚性轮胎的整车道路噪声达到100 dB（A），严重偏离了道路噪声的正常水平。由此得出结论：该轮胎模型无法反映真实的道路噪声水平，建立更为准确的线性有限元轮胎模型势在必行。基于这个结论，轮胎的力学特性必须纳入模型，同时也需兼顾线性化的整车模型和计算的简易性，本文采用模态轮胎分块建模法进行整车道路噪声分析。

图4 刚性环轮胎与模态轮胎车内噪声计算结果对比Fig.4 Comparison of results between rigid tire and modal tire

2 模态轮胎建模

模态轮胎分块建模法不考虑轮胎本体的材料和结构特性，而是用轮胎的模态来代表轮胎的力学特性。具体的步骤是：将轮胎沿断面分块，对每一块橡胶采用线性单元模拟，采用各向同性材料，通过调整每一块材料特性，使轮胎模型的模态特性符合实际轮胎的模型特性。

建模时需要首先建立轮胎截面，截面单元为四边形或者三角形单元，截面分成多个竖条，针对每一竖条设置不同的材料属性，均假设为线弹性材料，材料属性关于轮胎断面中线左右对称，其断面模型如图5 所示。断面模型建好后，围绕轮心点进行旋转，生成轮胎3D 模型。整个轮胎模型如图6 所示。

图5 轮胎截面模型Fig.5 Cross section of tire model

图6 模态轮胎模型Fig.6 Modal tire

基于已建立的轮胎模型，需要进行材料参数优化才能表现轮胎实际模态特性。根据轮胎模态试验结果、轮胎质量等信息，对轮胎中每一种材料进行参数优化，优化变量包括材料的密度和弹性模量。优化目标是使计算和测试得到的轮胎模态结果基本吻合。优化完成后，自由状态下的轮胎模态计算结果如表1 所示。

表1 轮胎模态计算结果Tab.1 Modal results of tire analysis

（续表）

3 轮胎模态试验

优化轮胎模型材料参数的依据是实际轮胎的测试数据，因此需要进行轮胎模态试验。本文所用轮胎的尺寸为245/45R19，胎压为整车装配状态下的标准胎压0.22 MPa。在测试中，试件用橡皮条悬挂，使之处于“自由-自由”的约束状态，如图7 所示。测点的选择基于结构的模态变形特征，加速度传感器依次布置在各测点上，测试时采用力锤激励，分别敲击胎面和轮毂，测量频率范围0～500 Hz，分析频率范围0～300 Hz。试验得到的轮胎模态分布如表2 所示。

图7 轮胎模态试验图Fig.7 Tire modal test setup

表2 实际轮胎模态试验结果Tab.2 Modal results of test tire

对比仿真和试验得到的轮胎关键振型的模态，误差已满足模型分析要求，对比结果如表3 所示。

表3 优化后的轮胎模态计算结果与测试结果对比Tab.3 Comparison between optimized tire modal calculation results and test results

4 整车道路噪声分析

模态轮胎建模和优化完成后，将其装配到整车模型中，分析计算的工况与前相同，即匀速50 km/h，输出位置仍为驾驶员内耳和驾驶员外耳的声压级，计算结果如图8 所示。

图8 驾驶员内耳、外耳声压级计算结果Fig.8 Analytical results of sound pressure level at driver's inboard and outboard ears

计算结果表明，利用本文提出的轮胎模型进行整车道路噪声分析计算后，所得结果与试验结果误差在±3 dB（A）左右，由此验证了本文提出的轮胎建模的有效性。

5 整车道路噪声优化与试验验证

从计算得到的道路噪声频谱结果（图8）可以看出多处存在峰值，因此需要进行优化以提升道路噪声水平。首先针对峰值位置进行传递路径分析，找到关键路径。根据结构布局提出可行的优化方案，TPA 的判断过程如图9 所示。

图9 道路噪声TPA 分析流程Fig.9 Process of road noise TPA analysis

贡献量分析首先从车轮着手，图10 为分析结果。由图10 可知，前排车轮贡献较大，随后计算前排车轮单独激励下的TPA，所得结果如图11 所示。由图11 可知，关键路径包括前副车架连接点、前减振器上连接点和前下控制臂连接点。由于该车前副车架与车身是螺栓连接，因此前减振器上衬套和前下控制臂衬套是可以进行优化的部件，衬套优化方案见表3。