汽车设计中轮胎低温大转向角工况粘滑噪音分析研究

于东海，陈川，琚学振

（一汽-大众汽车有限公司，吉林 长春 130000）

0 引言

一汽-大众汽车有限公司技术开发部具有丰富的研发经验，产品线齐全，成功研发宝来、高尔夫、速腾、迈腾等多款车型，深受消费者喜爱与认可。在车型A（保密车型）开发试验中，我们发现冬季低温条件（-5℃以下）以及大转向角工况下夏季轮胎产生粘滑噪音，更改胎压后该噪音仍然存在，但行驶一段时间后，随着胎面温度升高，该噪音消失。更换冬季轮胎后，该噪音立刻消失。随后，查阅相关技术资料与文章，内部研讨，并与多家轮胎厂和汽车厂商沟通交流相关问题，均缺乏经验与分析能力。由此可得出，在汽车设计开发和轮胎开发中，缺乏轮胎粘滑噪音分析经验与能力。该课题研究，对汽车设计具有较高参考价值。因此，我们成立专项研发团队，系统研究分析轮胎粘滑噪音，改善汽车设计中该领域经验空白现状。

针对该问题，我们团队开展头脑风暴，利用思维导图工具，基于丰富的设计研发经验，详细分析所有潜在影响因素。利用集体智慧与资源，排除较多干扰因素，锁定研究方向，包括：夏季轮胎与冬季轮胎对比分析、阿克曼角与转向结构、建模分析、整车试验与台架试验。找到问题真正原因，为汽车行业提供宝贵经验，优化轮胎粘滑噪音，提升用户满意度。

1 轮胎粘滑噪音理论分析

1.1 夏季轮胎与冬季轮胎

夏季轮胎与冬季轮胎的主要区别为胎面花纹与配方不同。花纹方面：夏季轮胎胎面花纹块较大，沟深较浅，因此花纹刚性较大；冬季轮胎胎面有较多较细的波浪形刀槽状花纹沟，胎面更加柔韧，胎面更宽，花纹刚性较小，因此能够更深嵌入冰雪路面，提升雪地性能。配方方面：夏季轮胎一般较多使用高Tg的丁苯橡胶，冬季轮胎一般较多使用低Tg的天然橡胶、顺丁橡胶或丁苯橡胶。不同的胎面配方产生不同的物性，如下图1所示（实测值），夏季轮胎胎面在较低温度下模量变化较大，而冬季轮胎胎面在较低温度下模量变化较小。模量随温度变化趋势即刚性随温度变化趋势。

图1 夏季轮胎与冬季轮胎模量随温度变化

轮胎花纹和配方的差异导致性能差异，如夏季轮胎较冬季轮胎具有较好的滚阻和噪音表现。夏季轮胎在车型A产生粘滑噪音，冬季轮胎则没有该噪音，对比分析可看出，轮胎开发时，可以从花纹和配方两个方向优化改善粘滑噪音。

1.2 阿克曼角与转向结构

阿克曼角是指车辆转向车轮作纯滚动时内外车轮之间的夹角，非转向角，是一种理想工况。阿克曼角较大，汽车在过弯的时候更稳定，偏操控的车辆一般阿克曼角较大。但由于转向梯形的存在，车轮实际转角差与阿克曼角肯定存在偏差[1]，一般来说转向角越大该偏差越大，导致轮胎越难通过自身变形保持纯滚动状态。尤其在冬季低温且大转向角工况下，夏季轮胎刚性变大，地面提供的最大静摩擦力不满足轮胎变形所需要的力，纯滚动的静摩擦变为动摩擦，此过程循环导致产生轮胎粘滑噪音。车辆行驶一段距离后，轮胎温度升高，轮胎刚性变小，地面提供的最大静摩擦力可以满足轮胎变形所需力，粘滑噪音消失。因为冬季轮胎即使 在低温工况下，胎面刚性也较小，所以，不需要热车，也不会产生粘滑噪音，该噪音不影响行驶安全，但能够引起用户抱怨，降低用户满意度。

图2 实际转角差与阿克曼角的偏差

在车辆开发中，可通过优化调整底盘零件结构，优化转向梯形，减少实际转角差与阿克曼角的偏差，改善轮胎粘滑噪音。以车型A转向结构为例，可通过三方面减少该偏差：①转向机沿X轴向后移动；②转向外拉杆沿Y轴向外移动；③转向节沿Y轴向内移动。但调整后需重新进行底盘干涉分析、仿真、测试与匹配，达到最优效果。

图3 车型A转向结构

1.3 建模分析

参考轮胎行业经典的刷子模型[2]，在轮胎粘滑噪音工况下，实际转角差与阿克曼角的偏差可看作轮胎侧偏角α[3]，受力情况可简化为线性段受力工况，可推导出轮胎保持纯滚动时的最小侧向力Fy：

其中c为修正系数，l为轮胎接地印痕长度，k为胎面刚度。通过该简化模型可辅助分析轮胎粘滑噪音，胎面温度越低（即胎面刚度越大），实际转角差与阿克曼角的偏差越大，轮胎保持纯滚动需要的最小侧向力越大，轮胎越容易产生粘滑噪音。

2 轮胎粘滑噪音试验研究

2.1 整车试验

为了更准确全面分析轮胎粘滑噪音，测试组筹备了一台试验车车型A（保密车型），以及车轮轮胎，并购买温度枪（型号Testo845，量程为-35℃至+950℃，精度为0.1℃）。制定测试路线与试验规范，在冬季不同温度条件下进行大量测试。每次试验前车辆A在冬季室外存放一晚上后，早上冷启动车辆，模拟用户行驶800 m，然后在最大转向角下测试轮胎粘滑噪音，此工况实际转角差与阿克曼角的偏差为5.63°，如果粘滑噪音消失，停止测试，否则继续循环测试，测试结果如图4所示：

图4 整车测试结果

由测试结果可看出，在确定的实际转角差与阿克曼角的偏差工况下，粘滑噪音与胎面温度直接相关，温度越低，噪音越严重，环境温度越低，需行驶更长的里程消除噪音，试验结果与理论分析相符。

2.2 台架试验

为进一步试验分析轮胎粘滑噪音，测试组筹备规格为235/55 R19 101 T夏季轮胎与冬季轮胎若干条，并申请试验资源：恒温加载试验机和轮胎六分力试验机。开展大量测试工作，测试前将轮胎放入恒温加载试验机中，冷却到设定的温度，充分冷却后，迅速将轮胎加载到六分力试验机，侧偏角设置为5.63°，模拟用户工况测试，并用温度枪测量胎面温度[4]。在夏季轮胎测试中重现了轮胎粘滑噪音，冬季轮胎测试中没有发现该噪音，与实车测试结果一致。试验结果如下图5所示，在胎面温度约-2.9℃，侧偏角为5.63°时产生该噪音。整车测试时，胎面温度-5℃，实际转角差与阿克曼角的偏差为5.63°时产生该噪音。考虑到整车试验与台架试验工况不可能完全一致，可认为台架试验与整车试验结果符合度较高。侧面证明理论分析的正确性，以及影响轮胎粘滑噪音的三个重要因素：轮胎类型、胎面温度、实际转角差与阿克曼角的偏差[5]。

图5 夏季轮胎台架测试结果

3 结语

在汽车设计和轮胎开发中，缺乏对轮胎黏滑噪音系统分析与研究。本文从汽车开发的角度，阐明轮胎粘滑噪音产生的机理，排除较多干扰因素，明确影响轮胎粘滑噪音三个重要因素，即轮胎种类、胎面温度、实际转角差与阿克曼角的偏差，并逐一分析研究。加深了对轮胎粘滑噪音认识，弥补了汽车设计中轮胎粘滑噪音的研究空白，为汽车开发中改善粘滑噪音提供方向与建议，具有较大参考价值。