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輪胎的振動特性系列-01

2022-02-11 22:43:09·  來源：誤入輪胎NVH的釣魚人  作者：羅旭  
　
01 引言100年以前充氣輪胎的發(fā)明標(biāo)志著在汽車舒適性領(lǐng)域一個重要的突破，打破了之前實心車輪的使用限制，充氣輪胎抵消了路面的不規(guī)則，吸收振動。然而，在特定條
01 引言
100年以前充氣輪胎的發(fā)明標(biāo)志著在汽車舒適性領(lǐng)域一個重要的突破，打破了之前實心車輪的使用限制，充氣輪胎抵消了路面的不規(guī)則，吸收振動。然而，在特定條件下，這個“振動濾波器”也會產(chǎn)生振動和傳播振動。
汽車上存在幾類力學(xué)和聲學(xué)的振動源，比如發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)部分的振動和輪胎路面之間相互作用產(chǎn)生的振動。
汽車制造商一直致力于降低因汽車自身導(dǎo)致的振動。經(jīng)過多年的努力，發(fā)動機已經(jīng)變得很安靜了，車身形狀也變得更符合動力學(xué)要求了，相反地是無論汽車自身的振動水平怎么降低，輪胎道路噪聲的比例一直增加，除非輪胎噪聲能夠降到與汽車相同的程度。
這是為什么盡管輪胎已經(jīng)是一個舒適性的源，輪胎工程師們還要努力進一步的改善它。為了讓輪胎舒適性提高，工程師必須完全明白輪胎如何、何時以及其為什么振動？
汽車是由許多不同部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)，汽車響應(yīng)作為激勵頻率的函數(shù)見圖1所示。

圖1
02 輪胎是一個可變形的系統(tǒng)
輪胎是由彈性體、金屬和紡織加強物組成的復(fù)雜產(chǎn)品。然而，彈性體在所有方向上可以有或大或小不同程度的彎曲，加強材料只可以在某一個方向上彎曲。盡管他們可以彎曲，但是不可以伸長，因此加強意味著指向性剛度，工程師利用它來優(yōu)化輪胎對三個方向變形的抵抗力：徑向、側(cè)向和周向。
在彈性和剛度之間的平衡不得不被打破。輪胎吸收來自不平路面產(chǎn)生的振動能力依賴于它自身的形變能力，因此，輪胎被設(shè)計成沿著徑向更軟更有彈性。然而，如果輪胎太軟，形變太大，它便不能保持汽車在規(guī)定的軌道內(nèi)行駛，這就是為什么輪胎需要設(shè)計一些橫向的鋼帶，見圖2所示。

圖2
03 輪胎是如何提高舒適性的？
當(dāng)輪胎滾動時，花紋塊的沖擊和不平路面導(dǎo)致的輪胎變形會使輪胎產(chǎn)生一些小的振動。這些振動會導(dǎo)致輪胎結(jié)構(gòu)或表面振動，輪胎把這些振動傳遞到車內(nèi)或輻射到周圍空氣中。根據(jù)激勵頻率對舒適性的影響，輪胎的表現(xiàn)有以下兩個方面：
(1) 增加舒適性：通常由于橡膠的粘彈性特性，輪胎以能量耗散的方式減小變形和阻尼振動。
(2) 增加不舒適性：在激勵頻率接近其固有頻率時，輪胎會放大振動，當(dāng)這個頻率與汽車的某一固有頻率一致時，這種放大會增加不舒適性，如果這些頻率處在人的感知范圍內(nèi)，就會增加乘客的不舒適性。
(3)舒適或不舒適。
為了提高舒適性，設(shè)計師必須設(shè)計輪胎在它的頻率和幅值都處在人的感知范圍之內(nèi)時具備吸振能力。理想情況下，這些振動將被降低到人感知到的不舒適振動的水平之下。想要達(dá)到這個要求的方法之一是避免輪胎的固有頻率與汽車各部件的固有頻率發(fā)生耦合。
輪胎是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，然而，它能夠在所有方向上產(chǎn)生不同程度的變形。它的振動問題也是同樣的復(fù)雜，因為它存在多個模態(tài)。為了改善舒適性，我們有必要對輪胎的振動進行更詳細(xì)的研究，見圖3所示。

圖3
注釋：①道路表面和輪胎花紋之間相互作用激勵輪胎；②輪胎過濾或者傳遞振動到車身；③車身過濾或傳遞振動到乘客，④乘客的靈敏度依賴于振動的幅值和頻率。
如果振動頻率和幅值達(dá)到了人感知的范圍乘客就會感覺到不舒服。
04 輪胎振動
輪胎的振動行為隨頻率變化，大體上可以劃分為三種類型：
(1) f＜30Hz，輪胎的振動行為類似于一個彈簧；
30Hz以下頻率段，輪胎的行為類似路面與車身之間的一個彈簧。當(dāng)遇到障礙物時，它首先被壓縮，然后再釋放，隨著輪胎被壓縮，它一定程度的吸收這些振動，從而降低了車身的運動。
輪胎被壓縮的程度取決于其徑向剛性。低于30Hz頻率區(qū)間，當(dāng)輪胎滾過障礙物時，其徑向剛性是一個重要的舒適性參數(shù)。
(2) 30<f<250Hz，輪胎可以認(rèn)為是一個多模態(tài)振動系統(tǒng)，因為它存在多個模態(tài)振型，所有的這些振型可以歸為主要的三大類：徑向模態(tài)、橫向模態(tài)和切向模態(tài)；
模態(tài)參數(shù)可以通過實驗測量獲取，測量可以采用不同的邊界條件，諸如輪胎不加載或者車輪中心可以自由旋轉(zhuǎn)。對于不同的邊界條件，模態(tài)的振型沒有太大的變化，而每階模態(tài)振型對應(yīng)的頻率和阻尼特性稍有不同，當(dāng)輪胎為滾動工況時，每階模態(tài)對應(yīng)的頻率大約降低7-10Hz。
不同輪胎的每一階模態(tài)固有頻率存在變化，這依賴于它們的尺寸、質(zhì)量和剛度。因此輪胎的結(jié)構(gòu)決定它的模態(tài)固有頻率。
(3) f>250Hz，輪胎主要的振動在接地區(qū)域附近。
輪胎用一個穩(wěn)態(tài)的方式加載以簡化操作條件，然后用激振器在輪胎接地區(qū)域邊界附近進行激振。激光測振儀用于測量輪胎胎面振動速度。測量結(jié)果表明：靠近接地區(qū)域邊界位置存在較大振動；振動速度隨著距離接地區(qū)域越遠(yuǎn)而快速衰減，如圖4所示。
圖4
在這些頻率下，其阻尼比低頻位置要大，由于輪胎不同的橡膠及它們的粘彈性屬性可以快速的衰減振動，以至于它不能繞輪胎整周傳播。輪胎振動主要集中于接地區(qū)域的前后沿位置。
這個力傳遞至車輪中心很少。從另一方面來講，輪胎胎面的振動能夠在周圍空氣中傳播，進而向周圍空氣中輻射噪聲。
本次內(nèi)容就跟大家討論到這里，歡迎各位同行指正批評，下一篇將討論輪胎到車艙內(nèi)噪聲振動的傳遞路徑。
參考文獻：《The tyre mechanical and acoustic comfort》。
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