轮辋侧向刚度对路噪提升相关性研究

戴大力　张宁

摘 要：为优化某款电动汽车路噪，采用仿真结合测试的方法，以轮辋侧向刚度为评价指标，对其轮辋进行模态仿真和试验对标，验证了轮辋侧向刚度可以在车型开发前期通过仿真计算，并提出具体指标进行相应控制，验证不同侧向刚度对噪声传递函数的影响，优化前后轮辋侧向刚度道路测试验证结果显示，在200～400Hz频段内，轮辋侧向刚度对整车路噪有显著影响。文章开展轮辋侧向刚度对路噪提升相关性研究验证，进一步验证了轮辋侧向刚度提高对路噪改善的影响，为优化电动汽车的NVH路噪提供了理论依据。

关键词：路噪 对标 轮辋侧向刚度 噪声传递函数

1 引言

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，舒适性更佳的纯电动汽车已成为汽车未来发展的主流方向。相较于传统汽车的内燃机，纯电动汽车采用电动驱动系统来驱动车辆，由于没有动力总成噪声的掩蔽作用，其路噪在中低频噪声中显得尤为突出[1]。

客户抱怨路噪问题通常是由粗糙路面30～500Hz频段的低频结构声所致，路噪激励由轮胎摩擦产生，轮胎的滤振性能优劣对路噪提升至关重要。车轮系统刚度越大，车轮结构的阻抗越大，传递至轮心的激励越小，从而越有利于整车路噪通过结构的控制[2]。

本文通过轮辋侧向刚度对路噪提升相关性研究，提出了用轮辋侧向刚度做为前期路噪控制重要指标的合理性，为优化某款电动汽车路噪，采用仿真与试验方法，以轮辋侧向刚度为路噪评价指标，对其轮辋侧向刚度进行仿真和试验对标，验证了轮辋侧向刚度可以在车型开发前期通过仿真计算，并提出具体指标进行相应控制优化，验证不同侧向刚度对噪声传递函数的影响。

2 轮辋侧向刚度

车轮系统由轮辐与轮辋两部分组成，如图1所示。

车轮系统质量将轮辐和轮辋的质量分别用和表示，这样自由状态的车轮就可以类比成两自由度无阻尼自由系统[3]。和为激励力，和为位移，为车轮系统刚度。当激励力在车轮芯位置，方向为车轮轴向时的刚度定义为车轮系统的侧向刚度。

推导过程如下，两自由度无阻尼自由系统运动方程为：

其阻抗矩阵为：

系统频响函数矩阵为：

频响函数为（2×2）阶矩阵，可表达成：

式中：任一元素为第点的响应与第点激励之间的频响函数，当时，称为原点频响函数；当时，则称为跨点频响函数。

的原点频响函数为：

式中

两自由度无阻尼自由系统的幅频如图2所示。

圖中：共振峰频率，反共振峰频率。可知，

其中，车轮总质量

由此，可将车轮侧向刚度公式做如下推导：

最终只有车轮总质量以及轮心位置原点频响曲线共振峰频率和反共振峰频率的车轮侧向刚度公式：

某款车轮辋侧向幅频仿真计算结果如图3所示。将仿真共振峰频率，反共振峰频率及车轮总质量代入侧向刚度计算公式，求得44kN/mm，依据GMW14876规范试验，某款车轮辋侧向幅频测试结果如图4所示，并求得44kN/mm，仿真和试验对标验证了仿真模型准确性，结果均未满足目标≥60kN/mm。通过优化轮心直径、轮辐减重窝深度、轮辐布置、轮心厚度、轮心减重窝深度，在单车轮总质量仅增加0.3kg情况下，提升轮辋侧向刚度至60kN/mm[4]，优化后车轮辋侧向幅频仿真计算结果如图5所示。

3 整车仿真分析

3.1 车轮与整车仿真模型

噪声传递函数模型包括TB车身模型和声腔模型，如图6、图7所示。TB车身模型白车身钣金件均采用8mm的壳单元进行网格划分，非钣金件采用实体单元进行网格划分，点焊在模型中采用ACM的一维单元模拟焊点，单元类型为acm（equivalenced），焊点直径为5mm，焊缝通过刚性单元RBE2连接，焊接时两个面上应有相互匹配的节点一一对应；车身上拼接焊的地方采用共节点的方式进行模拟；通过刚性单元RBE2进行螺栓连接，连接时将washer上所有节点均选上；粘胶连接采用实体单元模拟，实体单元与被连接的钣金件的单元共用节点。大质量件采用集中质量活均布模拟。车内声腔模型需涵盖座椅声腔并单独建模赋予流体属性。

3.2 轮辋侧向刚度对噪声传递函数的影响

噪声传递函数（NTF）表示，将单位激励力作用在底盘关键接附点或者轴头轮芯处，振动通过车身与底盘关键接附点传递，然后由车身钣金与声腔耦合辐射至车内形成噪声，测试在驾驶员右耳产生声压级大小，整车开发前期，噪声传递函数是衡量该款车路噪性能表现优劣的核心指标，其噪声峰值越低表示相同单位激励下传递到车内声压越低，路噪水平越优秀。

噪声传递函数分析边界无任何约束，TB车身为自由状态，在前后轴头轮芯处分别施加 X，Y，Z  3个方向大小为1N的单位扫频激励，模态截取频率范围是20～400Hz，模型截取频率范围是0～800Hz，计算单位载荷下驾驶员右耳侧的噪声传递函数。本文分别将不同轮辋侧向刚度的车轮与上述TB车身模型连接，分别计算前后轮激励到驾驶员右耳NTF，前轮轮芯&驾驶员右耳NTF X、Y、Z向结果如图8～图10所示。

从上述整车声振传递函数对比结果可看出，在0～200Hz频段范围内基本无影响；在200～400Hz频段范围内，侧向刚度为60kN/mm的车轮前轮轮芯&驾驶员右耳NTF普遍优于侧向刚度为44kN/mm的车轮，由此侧向刚度大的车轮系统能有效改善中频段的整车路噪特性。在整车开发工程设计阶段，轮辋侧向刚度可以在车型开发前期通过仿真计算，并提出具体指标进行相应控制优化，根据不同车型产品定位来匹配不同的车轮侧向刚度需求，以满足路噪性能开发，进而支持车轮系统前期轻量化工作。

4 整车测试验证

4.1 整车路噪测试

将该车换上优化后的轮辋进行40 km/h粗糙路测试。对时域测试数据进行傅里叶变换，并进行A 计权。得到如图11、图12所示的该车优化后前排路噪声压值与频谱曲线对比，实车路噪测试结果显示车轮侧向刚度优化对整车路噪性能有显著影响，且影响频率段主要集中在200～400Hz范围内，OA值前排降低1.6dB（A），后排降低1.0dB（A），主观感受优化方案样件路噪前后排均有较明显提升。

5 结论

本文通过轮辋侧向刚度对路噪提升相关性研究，提出了用轮辋侧向刚度做为前期路噪控制重要指标的合理性，为优化某款电动汽车路噪，采用仿真与试验方法，以轮辋侧向刚度为路噪评价指标，主要结论如下：

1、单件轮辋侧向刚度CAE仿真和实测结果基本一致，验证了CAE轮辋侧向刚度模型的准确性，轮辋侧向刚度可以在车型开发前期通过仿真计算，并提出具体指标进行相应控制。

2、对其轮辋侧向刚度进行仿真和试验对标，验证了轮辋侧向刚度可以在车型开发前期通过仿真计算，并提出具体指标进行相应控制优化，验证不同侧向刚度对噪声传递函数的影响，可以证明本文车轮系统侧向刚度提升对路噪性能影响研究是切实有效，轮辋侧向刚度越大，整车路噪表现越优异。

3、轮辋侧向刚度对客户抱怨的200～400Hz范围内的路噪有显著影响，故本文轮辋侧向刚度对路噪性能影响研究具有实际工程意义，可指导后续车型开发。

参考文献：

[1]王维松，李默华，靳豹.某纯电动汽车路噪性能优化[J].汽车工师，2023（05）：40-44.DOI：10.20104/j.cnki.1674-6546.20220092.

[2]魏航.车轮NVH性能的拓扑优化[J].机电信息，2022（08）：69-71.DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.020.

[3]傅志方，华宏星．模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[4]柳振，张红斌，凌新新等.铝合金车轮侧向刚度影响因素分析[J].汽车零部件，2021（02）：40-43.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2021.02.009.