轮胎均匀性引发轮胎振动噪声的研究

熊冉

摘 要：文章介绍了轮胎均匀性的产生原因、分类及评价方法。研究了轮胎均匀性对整车低频、中频和高频振动噪声的影响。结合轮胎的实际生产，详细分析了轮胎各生产工艺环节对轮胎均匀性的影响。运用相关理论，分析和解决了两个轮胎均匀性噪声的实际问题。

关键词：轮胎噪声;轮胎均匀性;轮胎生产

中图分类号：TQ366.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）23-97-04

Study on tire Vibration and Noise Caused by tire Uniformity

Xiong Ran

（ Beijing Benz Automotive Co， Ltd.， Beijing 100176 ）

Abstract： This paper illustrates the root causes， classifications and evaluation methods for tire uniformity. The influences of tire uniformity on vehicle noise and vibration have been deeply studied， regarding low frequency， intermediate frequency and high frequency. Based on tire production， make detail analysis of Uniformity influencing factors for the whole production process. Applying the theory of this paper to successfully analyze and solve two tire noise problems caused by tire uniformity problem.

Keywords： Tire noise; Tire uniformity; Tire production

CLC NO.： TQ366.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）23-97-04

引言

汽车噪声是交通噪声的主要载体，包括动力系统噪声、传动系统噪声、车身气动噪声和轮胎噪声等。轮胎振动噪声是车辆高速行驶噪声的主要成分，影响乘坐舒适性，引发环境噪声污染，近年来得到整车制造厂与轮胎企业越来越多的关注。轮胎静音性的研究是一个涉及车辆、轮胎及道路的综合性课题，具有较高的研究价值。

本文针对轮胎均匀性振动噪声展开了详细研究。对质量不均匀、刚度不均匀和尺寸不均匀三类典型的轮胎均匀性问题进行详细阐述，介绍了轮胎均匀性的评价指标，分析了轮胎均匀性对车辆振动的影响。详细研究了轮胎生产过程中对均匀性的控制要素。最后，结合两个实际案例，阐述了低阶谐波和高阶谐波轮胎振动噪声问题的分析过程和解决方法。

1 轮胎均匀性的定义

轮胎在制造过程中容易出现材料厚度或密度的不均匀、质量偏差、零部件外形尺寸误差、装配误差以及结构形状超差等现象，在轮胎高速旋转过程产生径向力、侧向力和切向力波动。力的波动幅度大到一定程度时，将引起汽车的振动噪声。GB/T 6326《轮胎术语与定义》中对均匀性的定义为：在静态和动态条件下，轮胎圆周特性恒定不变的性能。轮胎的不均匀性表现在质量不均匀、刚度不均匀和尺寸不均匀三个方面[1]。

1.1 质量不均匀

质量不均匀即轮胎旋转中心与几何中心不重合，不平衡质量在轮胎旋转时会产生离心力，根据不平衡质量所处位置的不同，可分为静不平衡和动不平衡。不平衡力可由以下方程计算：

（1）

式中，F为不平衡力，m为不平衡质量，r为不平衡质量到转轴中心距离，ω为旋转速度

1.2 刚度不均匀

轮胎是一个弹性体，沿着轮胎圆周会出现径向刚度不同的情况，这种现象称之为轮胎的刚度不均匀。刚度不均匀的轮胎可用一系列刚度不同的径向弹簧来模拟。由于刚度各不相同，在一定载荷下其压缩长度的不同导致车轮滚动的不均匀（承载径向偏差），引发轮胎振动噪音[1][2]。

图1  轮胎径向弹簧模型

1.3 尺寸不均匀

轮胎尺寸不均匀也叫做轮胎不圆，即轮胎圆周上各点到圆心的距离不完全相等。这种情况在轮胎生产过程中是无法完全避免的，如接头量偏大或偏小，接头定点分布的偏移等都会对轮胎尺寸造成影响。轮胎表面径向的“凹凸不平”会成为整车振动的一个激励F=K??R，式中K为轮胎刚度。

图2  轮胎尺寸不均匀示意图

1.4 车轮总成不均匀

图3  车轮与轮辋刚度对点装配

车轮总成由轮胎和輪辋组成，车轮总成的不均匀量与各单独元件不均匀量及装配的相对位置有关[2]。轮胎与轮辋的装配有两种方式：质量平衡和刚度平衡。质量平衡即气门嘴与轮胎质量轻点装配。刚度平衡即轮胎径向刚度最大点与轮辋径向刚度最小点装配。通过选择合理的装配方法，保证车轮总成的均匀性。

2 轮胎均匀性的评价方法

不均匀的轮胎在滚动时将引起轮胎作用在地面上力和力矩的变化，通过测量这些值可以用来评价轮胎的均匀程度，表征轮胎内部缺陷在轮胎旋转运动时的力学影响。下面列举了常用的轮胎均匀性评价指标：

2.1 刚度均匀性的主要评价指标

（1）径向力波动（RFV）：指受负荷的轮胎在固定负荷半径和恒定速度下，每转一周自身反复出现的径向力最大波动值。RFV偏大会使汽车振动噪声增大，乘坐舒适度下降，引起汽车零部件的早期损坏。

（2）侧向力波动（LFV）：指受负荷的轮胎在固定负荷半径和恒定速度下，每转一周自身反复出现的侧向力最大波动值。LFV偏大易使车轮发生摇摆，操纵稳定性和高速行驶安全性变差，轮胎的耐磨性能下降。

（3）锥度效应力（CON）：指受负荷的轮胎在旋转是不因旋转方向改变而改变方向的侧向力偏差值。CON偏大易使汽车向锥度效应力正方向跑偏。

图4  RFV与LFV指标

图5  锥度效应力示意图

2.2 尺寸均匀性的主要评价指标

（1）轮胎径向尺寸偏差（RRO）：指以轮胎的固定轴线为基准，最大半径与最小半径的差值。

（2）轮胎侧向尺寸偏差（LRO）：指轮胎胎侧与垂直于固定轴线的中心平面之间最大与最小尺寸之间的差值。

图6  RRO与LRO指标

2.3 质量均匀性的主要评价指标

（1）静平衡（SB）：轮胎静止状态下，周向的不平衡质量。

（2）动平衡（DB）：充气轮胎旋转时，上下平面的不平衡质量。

图7  车轮静不平衡         图8  车轮动不平衡

3 轮胎均匀性对车辆振动的影响

汽车上有许多具有一定共振频率的部件，轮胎不均匀性产生的激振力会使这些部件产生各种各样的振动[3]。

（1）低频振动（簧上部件振动）

车辆簧上部件的振动形式有垂直振动、俯仰振动、左右摇摆振动等，振动的频率大都在1Hz左右。若车辆上装配有不均匀度1次（或2次）成分较大的轮胎时，当车轮以每秒1转（对于2次成分每秒1/2转）的低速滚动时，车身就会发生摇晃和振动，由于各车轮的激励可能存在相位差，于是便产生上述各种振动合成的异常振动。

（2）中频振动（簧下部件振动）

车辆簧下部件的模态频率主要分布在10～15Hz，因此对于不均匀度1次成分较大的轮胎，以每秒10～15转的速度行驶即相当于轿车的速度为70～110km/h，对于2次成分较大的轮胎相当于35～55km/h的速度下行驶时，将发生簧下部件的共振。该振动会使人感觉到路面凸凹不平，所以又称为“凸凹不平”振动。

（3）高频振动（轮胎或车身振动）

在轮胎不均匀度的高次谐波中，若有一个谐波较大，很容易到达轮胎的共振频率，使汽车产生剧烈振动。且车身上具有高频共振点的部件非常多，在轮胎不均匀度的高次成分中，若有一个成分较大，且该成分的频率与车室内发生的驻波频率一致的速度下就会发生异常的噪声。若当其与发动机爆发音的周期接近时，还会出现敲打声，使噪声变得更加复杂。车辆在高速行驶时，易产生此类噪声。

4 影响轮胎不均匀的主要因素

轮胎均匀性问题主要由轮胎径向尺寸和刚度的偏差导致，轮胎生产制造工艺对轮胎均匀性有较大影响，主要涉及材料偏差、成型和硫化工艺，在生产制造过程中需要严加控制[4][5][6]。表1列出了常见的影响均匀性的因素。

表1  影响轮胎均匀性的因素

5 行驶速度对轮胎均匀性的影响

在轮胎旋转一周的过程中，径向力是一个复杂的波形，可通过傅里叶级数的方法将其分解为多个谐波的叠加，如图9所示。

设径向力波形为f（t），周期为T，角频率Ω=2πf，则可将其分解为[7]：

（2）

式中，an和bn的计算方法如下：

（3）

轮胎转速对各阶次谐波有显著的影响，同一条轮胎在不同转速下的力学特性存在较大差异。图9为不同车速下的径向力曲线，从中可以看出各条曲线间存在着明显的差异。图4反映了径向力各谐波的RFV随车速的变化，不同车速下出现不同谐波的最大波动值，例如当车速为100km/h时，第5阶谐波的RFV达到最大值，而第3阶谐波的RFV最大值在速度到达160km/h后才出现[8]。在进行轮胎均匀性分析时需要考虑车速对轮胎力学性能的影响。

图9  径向力的谐波分析

6 轮胎均匀性噪声解决实例

6.1 径向力高阶谐波引发轮胎噪音

轮胎径向力高次谐波中，若有一个谐波的RFV较大，很容易达到轮胎的共振频率，使轮胎产生振动噪声。

某试装车辆在测试厂内，以60Km/h至80km行驶时，出现明显的低频轰鸣声，乘员有明显不适感。通过多组零部件互换试验，锁定右前轮为噪音源。

该轮胎的高速均匀性测试结果显示，在60km/h到80km/h的速度范围内，轮胎的八阶RFV明显高于正常轮胎。通过对硫化工艺中损伤的八块拼装模具的修复，显著改善了轮胎噪音中的八次谐波成分，车辆乘坐者的舒适性得到明显改善。

图10  噪音轮胎与优化后轮胎的对比图

6.2 径向力低次谐波引发轮胎噪音

某车辆以50km/h以上速度在弯道内转向时，出现明显噪音，直线行驶时噪音消失弯道半径约50m，路面坡度30～40度。

经过对问题轮胎的测试，在RFV的波形图上存在一个不正常点，每当轮胎滚动到该点时径向力明显增大。通过对轮胎该位置进行剖切，发现该点的胎体橡胶厚度异常。检查轮胎生产工艺，发现胶片卷收器的张紧力低于规定值，导致帘布层发生褶皱。通过调整张紧力，有效解决了轮胎噪音问题。

图11  RFV检查结果

图12  橡胶堆积现象

7 结语

本论文介绍了轮胎均匀性的产生机理和评价方法，详细阐述轮胎均匀性对车辆振动噪声的影响。结合轮胎的实际生产过程，分析了轮胎各生产工艺环节对轮胎均匀性的影响。详细分析了车辆行驶速度对轮胎均匀性的影响。针对径向力高阶谐波和低次谐波产生的轮胎振动噪声问题，分别提供了一个实际案例。

参考文献

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[3] 沈伟，易斌，陆伟领.动力吸振器在降低车内路噪中的应用[J].汽车工程， 2010（32）： 690-693.

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[5] A.M.Jessop， J.S.Bolton.轮胎腔体模式产生的表面振动和噪声辐射[J]. 轮胎工业， 2013.3（9）： 521-524.

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