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轮胎的振动特性系列-01
2022-02-11 22:43:09· 来源：误入轮胎NVH的钓鱼人 作者：罗旭
01 引言100年以前充气轮胎的发明标志着在汽车舒适性领域一个重要的突破，打破了之前实心车轮的使用限制，充气轮胎抵消了路面的不规则，吸收振动。然而，在特定条
01 引言
100年以前充气轮胎的发明标志着在汽车舒适性领域一个重要的突破，打破了之前实心车轮的使用限制，充气轮胎抵消了路面的不规则，吸收振动。然而，在特定条件下，这个“振动滤波器”也会产生振动和传播振动。
汽车上存在几类力学和声学的振动源，比如发动机、传动系统、排气系统、结构部分的振动和轮胎路面之间相互作用产生的振动。
汽车制造商一直致力于降低因汽车自身导致的振动。经过多年的努力，发动机已经变得很安静了，车身形状也变得更符合动力学要求了，相反地是无论汽车自身的振动水平怎么降低，轮胎道路噪声的比例一直增加，除非轮胎噪声能够降到与汽车相同的程度。
这是为什么尽管轮胎已经是一个舒适性的源，轮胎工程师们还要努力进一步的改善它。为了让轮胎舒适性提高，工程师必须完全明白轮胎如何、何时以及其为什么振动？
汽车是由许多不同部分组成的复杂系统，汽车响应作为激励频率的函数见图1所示。
图1
02 轮胎是一个可变形的系统
轮胎是由弹性体、金属和纺织加强物组成的复杂产品。然而，弹性体在所有方向上可以有或大或小不同程度的弯曲，加强材料只可以在某一个方向上弯曲。尽管他们可以弯曲，但是不可以伸长，因此加强意味着指向性刚度，工程师利用它来优化轮胎对三个方向变形的抵抗力：径向、侧向和周向。
在弹性和刚度之间的平衡不得不被打破。轮胎吸收来自不平路面产生的振动能力依赖于它自身的形变能力，因此，轮胎被设计成沿着径向更软更有弹性。然而，如果轮胎太软，形变太大，它便不能保持汽车在规定的轨道内行驶，这就是为什么轮胎需要设计一些横向的钢带，见图2所示。
图2
03 轮胎是如何提高舒适性的？
当轮胎滚动时，花纹块的冲击和不平路面导致的轮胎变形会使轮胎产生一些小的振动。这些振动会导致轮胎结构或表面振动，轮胎把这些振动传递到车内或辐射到周围空气中。根据激励频率对舒适性的影响，轮胎的表现有以下两个方面：
(1) 增加舒适性：通常由于橡胶的粘弹性特性，轮胎以能量耗散的方式减小变形和阻尼振动。
(2) 增加不舒适性：在激励频率接近其固有频率时，轮胎会放大振动，当这个频率与汽车的某一固有频率一致时，这种放大会增加不舒适性，如果这些频率处在人的感知范围内，就会增加乘客的不舒适性。
(3)舒适或不舒适。
为了提高舒适性，设计师必须设计轮胎在它的频率和幅值都处在人的感知范围之内时具备吸振能力。理想情况下，这些振动将被降低到人感知到的不舒适振动的水平之下。想要达到这个要求的方法之一是避免轮胎的固有频率与汽车各部件的固有频率发生耦合。
轮胎是一个复杂的系统，然而，它能够在所有方向上产生不同程度的变形。它的振动问题也是同样的复杂，因为它存在多个模态。为了改善舒适性，我们有必要对轮胎的振动进行更详细的研究，见图3所示。
图3
注释：①道路表面和轮胎花纹之间相互作用激励轮胎；②轮胎过滤或者传递振动到车身；③车身过滤或传递振动到乘客，④乘客的灵敏度依赖于振动的幅值和频率。
如果振动频率和幅值达到了人感知的范围乘客就会感觉到不舒服。
04 轮胎振动
轮胎的振动行为随频率变化，大体上可以划分为三种类型：
(1) f＜30Hz，轮胎的振动行为类似于一个弹簧；
30Hz以下频率段，轮胎的行为类似路面与车身之间的一个弹簧。当遇到障碍物时，它首先被压缩，然后再释放，随着轮胎被压缩，它一定程度的吸收这些振动，从而降低了车身的运动。
轮胎被压缩的程度取决于其径向刚性。低于30Hz频率区间，当轮胎滚过障碍物时，其径向刚性是一个重要的舒适性参数。
(2) 30<f<250Hz，轮胎可以认为是一个多模态振动系统，因为它存在多个模态振型，所有的这些振型可以归为主要的三大类：径向模态、横向模态和切向模态；
模态参数可以通过实验测量获取，测量可以采用不同的边界条件，诸如轮胎不加载或者车轮中心可以自由旋转。对于不同的边界条件，模态的振型没有太大的变化，而每阶模态振型对应的频率和阻尼特性稍有不同，当轮胎为滚动工况时，每阶模态对应的频率大约降低7-10Hz。
不同轮胎的每一阶模态固有频率存在变化，这依赖于它们的尺寸、质量和刚度。因此轮胎的结构决定它的模态固有频率。
(3) f>250Hz，轮胎主要的振动在接地区域附近。
轮胎用一个稳态的方式加载以简化操作条件，然后用激振器在轮胎接地区域边界附近进行激振。激光测振仪用于测量轮胎胎面振动速度。测量结果表明：靠近接地区域边界位置存在较大振动；振动速度随着距离接地区域越远而快速衰减，如图4所示。
图4
在这些频率下，其阻尼比低频位置要大，由于轮胎不同的橡胶及它们的粘弹性属性可以快速的衰减振动，以至于它不能绕轮胎整周传播。轮胎振动主要集中于接地区域的前后沿位置。
这个力传递至车轮中心很少。从另一方面来讲，轮胎胎面的振动能够在周围空气中传播，进而向周围空气中辐射噪声。
本次内容就跟大家讨论到这里，欢迎各位同行指正批评，下一篇将讨论轮胎到车舱内噪声振动的传递路径。
参考文献：《The tyre mechanical and acoustic comfort》。
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