基于有限元仿真的轿车轮胎噪声研究

时间：2024-05-04

曹慧,阿达依·谢尔亚孜旦

(新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047)

1 引言

轮胎噪音反应出的是轮胎制造工艺的高低,同时也关乎到舒适感,同时也影响着社会环境。根据相关的数据调查发现,城市中的70%的噪音由行驶中的车辆产生[1,2]。因此应当找到更加优质的轮胎品牌,提高驾驶舒适感,减少驾驶当中的噪音污染。

近年来,许多国内外研究学者用不同的方法分析轮胎噪声。Seki K[3]提出了小波分析方法,阐述了胎面花纹与轮胎噪声之间的相关性。Hwang S w[4]利用小波变换对花纹块和花纹槽的冲击波进行了研究,证实了轮胎花纹节距序列对轮胎噪声的影响。Chen X[5]利用小波变换的方法来分析在不同速度下的轮胎噪声。包秀图[6]等通过有限元分析来计算轮胎表面节点的振动速度,并将其设置为声学计算的频域边界条件,再利用声学边界元理论计算轮胎的低频振动噪声。

本文基于有限元分析软件Abaqus以及声学仿真软件LMS Virtual.Lab,以205/55R16的雪地胎和四季胎为研究对象,如图1所示,结合惯性滑行法进行对比分析。该方法在一定程度上降低了研究成本,提高了研究的精确性,并为我国低噪化轮胎提供新的设计和研发思路。

图2 橡胶的本构关系曲线

2 理论知识

2.1 轮胎噪声分类

对于轮胎噪声如何产生,它的原理十分的复杂,能够产生噪声的原因有很多,但是所有的轮胎噪声都是由于轮胎和地面发生摩擦产生相互作用,或者轮胎和空气发生相互影响和轮胎发生形变而产生的[7]。轮胎噪声可以分为很多种,主要可以分为轮胎花纹噪声、轮胎空气振动噪声和轮胎滚动噪声。轮胎花纹噪声主要包括:花纹块击地噪声、花纹槽的泵浦发声、气柱共鸣噪声、光面胎的随机沙声。轮胎空气振动噪声主要包括:道路激振噪声、敲打噪声、重击噪声、崎岖噪声、空气涡流噪声、弹性振动噪声、道路摩擦噪声[8]。轮胎在行驶过程中会产生多种噪声,这些噪声相互作用传入人耳就是人们所听到的轮胎噪声。

2.2 轮胎滚动噪声

轮胎与路面及空气相互作用产生激励,激励中的一部分从车辆悬架扩散到车身,从而使车身底板产生振动,影响汽车的NVH性能[9]。而另一部分轮胎激励和空气振动用空气作为媒介向外传递,从而生成轮胎的滚动噪声。有两种因素影响轮胎滚动噪声,分别是轮胎的设计因素和轮胎的使用因素[10]。轮胎的结构和花纹都属于它的设计因素。汽车的行驶速度,轮胎内部的气压和载荷,道路的情况和轮胎的磨损,这些都属于使用因素。现阶段降低轮胎的滚动噪声主要采用措施是建立隔音板来减少声音传播,这种方法并不能从根本上解决交通运输噪声的产生,需要从轮胎设计因素入手,从根源上来降低轮胎滚动噪声。

2.3 材料模型

在进行相关测试的时候,轮胎的力学行为与材料的选择之间有着非常密切的关系。这两者之间的相互影响,在有限元的仿真当中,最终的仿真成果情况跟获取相关参数之间也有着直接关系。这些相交参数的具体情况,需要在整个模拟之前就获取相应的精确参数。在模拟之前就应该进行拉伸、剪切和双轴拉伸等等。这类实验在型微控电子万能试验机上就可以做,在检测静态数据的时候,相关的模拟整个过程需要相对比较缓慢。应变速率控制在1%·s-1,这样就可以更加深入地完善整体的综合教学训练。其中整个实验需要进行重复几次拉伸的循环,确保拉伸曲线的稳定和超弹性本构关系曲线情况。

在检测当中有着一些基本的要求,其中这些条件是检测该数值的基础。只有满足以下这些相应的条件,才能够完成整个问题的检测。

1)分子链由相同的连接组成,这种情况下链角可以相互变化,而且整体是不受限制的状态。

2)在整个检测当中,交联点在平均位置附近的统计情况有着一定的涨落变化,但是可以忽略不计。

3)链接的末端跟向量的变形和橡胶材料之间的变形情况要一致,也可以看做是其服从性比较好,仿射变换规律。

4)在综合计算交互网络的应变储能时,能够不考虑分子的互动作用。

5)在橡胶材料变形的过程当中,变形的熵是分子熵的综合。

这些条件是完成材料检测的重要基础,需要同时满足这些相应的条件,才能够保证整个检测的基本正确性情况。这样才能够让检测更加高效,确保整体检测情况更加符合整体的要求。在这个检测过程当中,能够更好地完善相关的工作。在材料模型确定之后,才能够开始轮胎噪声仿真分析。

3 轮胎噪声仿真分析

3.1 轮胎有限元模型

目前,对于轮胎的有限元模型建立大多都是基于Abaqus进行的。轮胎结构复杂且建模过程十分繁琐,因此建立轮胎有限元模型可以简化成建立轮胎几何模型和轮胎材料模型[11,12]。轮胎材料模型可以通过Hypermesh软件建立,而轮胎几何模型则是通过Hypermesh和Abaqus软件共同作用。首先用利用CAD绘制二维模型图,将二维模型图导入Hypermesh中生成二维有限元几何模型,如图3所示。其中模型采用CGAX3H单元和CGAX3H单元来模拟橡胶部分,采用SFMGAX1单元来描述帘布层部分,采用ACAX3和ACAX4来表示空腔结构,用Neo-Hooke超弹性模型来替代橡胶材料,路面用解析刚体表示。

图3 轮胎有限元二维模型

将在Hypermesh软件中建立的二维有限元几何模型导入Abaqus有限元仿真软件,对轮胎进行充气旋转,生成轮胎三维有限元模型,如图4所示。其中该模型的单元总数75782,节点总数为135002。轮胎分析标准充气压力为0.9MPa,额定负荷为3150kg,滚动速度为70 km/h。

图4 轮胎有限元三维模型

图5 轮胎接地压力云图

根据轮胎三维接地压力分布图可以看出,轮胎与地面接触压力最大,轮胎接地前端接触压力小于轮胎接地后端,而通过轮胎噪声产生机理可以知道轮胎轮胎接地前端噪声声压级小于轮胎接地后端。

3.2 轮胎声学模型

本文运用LMS Virtual.Lab中的一种新型声学有限元方法AML进行轮胎滚动噪声的声学仿真[13-15]。以某品牌的四季胎作为研究对象,将有限元仿真得到的轮胎结构振动响应文件导入LMS Virtual.Lab中建立声学仿真建模型,如图6所示。

图6 轮胎声学仿真模型

轮胎噪声声场如图7所示,结合图6 轮胎声学仿真模型,A点是轮胎接地前端,B点是轮胎接地后端,从图中可以看出:随着频率逐渐增大轮胎噪声也逐渐扩散;在同一频率下A点噪声始终小于B点噪声,从侧面印证了轮胎声学仿真模型的可靠性。

图7 轮胎声场分布云图

4 惯性滑行法分析

轮胎滚动噪声试验主要有三种:惯性滑行法、实验室转鼓法和拖车法。惯性滑行法是测试汽车在发动机关闭、空挡滑行时,轮胎处于自由滚动状态下的噪声。惯性滑行法所测结果能够很好地表征轮胎/路面噪声向外部远场辐射的实际情况,测量精度较高。实验室转鼓法转鼓表面有一定曲率,不能完全模拟路面。拖车法对比惯性滑行法需要进行两倍的重复测试。因此本文采用惯性滑行法来对轮胎噪声进行测量。

4.1 试验场地

一个连续的水平区域的半自由声场构成了试验场地。试验场地需满足的声场条件:在该场地的中心位置放置一个无指向小声源时,半球面上各方向的声压级偏差不超过1dB(A)。应满足在试验区域中心50m以内的范围没有大的声音反射物体的条件。

在整个测量过程中试验路面应该是干静、整洁的,试验区域和道路表面应符合ISO 10844的要求。测量区域如图8所示。

图8 轮胎噪声测量区域

4.2 试验仪器及试验前准备

符合GB/T 15173--2010中对第I类型设备要求的声级仪,使用前需按照仪器生产厂的说明书要求进行校正,测量时应使用“A”频率计权特性和“F”时间计权特性;精度在1摄氏度以内的温度测量仪测量空气和试验路面温度;精度在1m/s以内的风速仪测量风速及风向,且风速仪应该在声级仪高度,如图p点所示位置;试验前,车辆应被清洗干静,没有泥土、污染物或在车辆行驶前无意加入的吸音材料;汽车的车窗和天窗在试验期间应关闭;轮胎的平均负荷应是其负荷指数能力的75%。

试验前, 轮胎与轮毂之间需要保持良好的动平衡。轮胎需要按照试验滚动方向进行磨合,磨合公里数不低于100km。在磨合过程中磨损胎面时应注意轮胎必须保持完整的花纹。在试验开始前,试验车辆与要进行预热,即车辆以参考速度行驶10min。

4.3 试验方法

车辆以规定试验速度沿行驶中心线匀速行驶,当车辆前端到达测试区域起始线时,驾驶员选择空档,关闭发动机,使车辆滑行通过测试区间,如图8所示。首先用声级计测量环境噪声,用温度测量仪测量空气温度,在声级仪附近测量风速及风向。当车辆到达PP′ 线时,同时记录车辆左右两侧车辆通过时最大声压级,随后立即测量车辆行驶过后路面温度。车辆从AA′ 到BB′ 以一种车速行驶,参考车速的上下分别至少有4个测量结果。

4.4 轮胎滚动噪声测试

对于轿车而言,需将测试结果归一化到同一路面参考温度下的噪声,用如下公式进行校正

Lm=Lp+K(θr-θ)

(1)

式中,LP为实测噪声测量值;θ为测试路面的测量温度;θr=20 ℃,为参考温度;K为系数。

轮胎滚动噪声测试如图9所示,对于轿车轮胎滚动噪声通过回归法进行校正

图9 轮胎噪声测试

LR=L-aV

(2)

式中:L为温度修正后声压级的算术平均值,用单位dB表示。

(3)

其中n是修正的声压级个数,n必须大于16,在同一个回归分析中,使用两个传声器数据。

速度对数的算数平均值见式(4)

(4)

a是回归曲线的斜率,其单位用dB(A)表示。

(5)

考虑系统测试误差,得到的噪声等级Lm应减去1.5d B(A),并且最后的测试结果保留小数点后一位。

为了更好的研究速度对轮胎滚动噪声的影响,对某品牌的205/55R16雪地胎和四季胎进行轮胎滚动噪声测试,得到的轮胎滚动噪声随速度变化如图10所示。从图10可以看出:车辆行驶速度在70km/h以上时,雪地胎和四季胎的轮胎滚动噪声随着速度的增大而增大;整体来看,P点和P’点噪声值相差不大,在行驶速度为78km/h时,四季胎P点和P’点噪声产生最大声压级差值,差值为0.8dB(A),符合实验要求;雪地胎噪声从78km/h—80km/h出现激增现象,该现象表明,随着速度增大雪地胎噪声相较于四季胎变化更剧烈,因此建议驾驶员行驶时平均车速不超过75km/h。

图10 不同速度下轮胎滚动噪声

不同类型的轮胎滚动噪声变化趋势如图11所示。由图11可以看出,在同一速度下行驶,雪地胎噪声明显高于四季胎噪声,雪地胎最大噪声声压级为83.7dB(A),而四季胎最大噪声声压级为78.5dB(A),两者噪声声压级相差5.2dB(A)。造成这一现象的原因主要是:雪地胎的胎面刚度比四季胎的要小,而一般情况下不同的胎面刚度对轮胎噪声的影响可以达到5dB(A)。雪地胎胎面刚度满足雪地使用性能,在其它路面行驶时,轮胎噪声声压级增高,所以合理选择轮胎也能有效降低轮胎噪声。

图11 速度与轮胎滚动噪声关系

以205/55R16四季胎为研究对象,选取72km/h和82km/h行驶速度下的噪声声压级。频率对轮胎滚动噪声仿真和测试结果的影响如图12所示。

图12 不同频率下轮胎滚动噪声

从图12可以看出,随着频率增大轮胎噪声声压值处于稳定的一个区间范围,行驶速度在82km/h胎噪声声压值明显比72km/h要大;频率在2000-3000HZ时,轮胎噪声声压级下降。造成这一变化的主要原因是:在轮胎振动传递过程中,当频率在0-500HZ时,驾驶员能感受到的振动主要是机械振动;500-2000HZ,主要表现为轮胎噪声;2000-3000HZ,主要是轮胎噪声和机械振动共同作用。仿真和试验结果相差不大,这表明有限元模型和声学仿真模型有较强可靠性。由于试验时有一定的外部环境干扰,导致试验结果略小于仿真结果。