吳 淵，高豐嶺，卜曉兵，陳瀟凱

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.北京理工大學(xué) 電動車輛國家工程實驗室,北京 100081）

隨著人們對汽車品質(zhì)要求的不斷提高和汽車市場的蓬勃發(fā)展，NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）性能已成為用戶對汽車乘坐舒適性和產(chǎn)品滿意度評價的重要指標(biāo)。路噪是由于輪胎受路面不平度激勵，傳遞到車廂內(nèi)部的噪聲。路面不平度激勵引起的車身振動不可避免，其頻率約5～60 Hz，以車身板件為主產(chǎn)生的振動噪聲在低、中頻范圍內(nèi)，為用戶容易感知的頻率段[1-3]。因此，如果能在開發(fā)初期預(yù)測出車內(nèi)的噪聲水平，進行風(fēng)險規(guī)避，對提高汽車產(chǎn)品的競爭力具有十分重要的意義[4]。

路噪研究一直是NVH領(lǐng)域的一大難題。多年來，多數(shù)研究需要依靠樣車測試獲取車身底盤接附點的載荷進行仿真分析[5-6]。也可通過采集轉(zhuǎn)向節(jié)位置處的加速度，用矩陣求逆獲取輪心力分析路噪[7-8]。這兩種方式都需要進行測試獲取路噪仿真激勵，存在工作量大、成本高、周期長等不足，對樣車的依賴嚴重降低了整車NVH開發(fā)前期問題的排查能力。為解決整車開發(fā)早期沒有載荷譜無法進行整車路噪預(yù)測的困境，有部分學(xué)者對路譜激勵轉(zhuǎn)化進行了研究，基于模態(tài)參數(shù)輪胎理論建立整車路噪分析模型。由于模態(tài)參數(shù)是從靜止的輪胎試驗得到，由靜態(tài)到穩(wěn)態(tài)只考慮阻尼的影響，沒有考慮離心力的影響，同時切向激勵切向響應(yīng)的模態(tài)試驗和徑向激勵切向響應(yīng)的模態(tài)試驗難度相對較大，導(dǎo)致模態(tài)參數(shù)輪胎模型的適用性和精準(zhǔn)度還有待提高，所以該方法在整車路噪分析的應(yīng)用還存在一些局限[9-10]。為了全面反映路面激勵引起的車內(nèi)振動噪聲，基于輪胎物理特性開發(fā)的CDTire模型，具有精度高、頻段寬、通用性廣等特點，能較好地捕捉到輪胎的力學(xué)特性，其在整車路噪分析中有巨大的應(yīng)用前景[11]。

具備可靠的輪胎模型后，在整車結(jié)構(gòu)確定的情況下，研究不同輪胎及同款輪胎不同參數(shù)組合對于整車路噪的影響規(guī)律，可以在一定程度上為主機廠車型輪胎匹配與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 整車虛擬路面路噪仿真方法

1.1 路譜采集

粗糙瀝青路為國內(nèi)通用路面，常用于路噪研究。這里以粗糙瀝青路作為測試路面，并對該路面的高程信息進行掃描。圖1所示為正在采集路譜的試驗車，通過激光傳感器獲取路面不平度數(shù)據(jù)q(l)（如圖2所示，F(xiàn)L、FR、RL、RR分別為左前輪、左后輪、右前輪、右后輪）。q(l)為時域無限信號，工程中通常截取一段路面長度L進行研究。L的取值，要保障空間頻率分辨率，對于路面不平度信號的空間頻率在[0.011 2.83]m-1之間，所以最小辨識頻率即L≤91 m[11]。

圖1 采集路譜試驗車

圖2 路面不平度

空間長度L的路面不平度信號為：

其自相關(guān)函數(shù)為：

式中：qL(l)為空間域有限信號，其空間域頻譜為連續(xù)譜Q(n,L)。根據(jù)帕塞瓦爾定理，路面不平度信號的平均功率為：

式中：n為空間頻率。

由于工程上負頻率沒有意義，所以使用單邊譜密度Gq(n)，可由式（4）計算得出：

由維納辛欽定理可換算出路面位移不平度時間域功率譜密度Gq(f)為：

式中：l=ut，位移等于車速與時間的乘積；f=nu，時間頻率等于空間頻率與車速的乘積。

功率譜密度用于描述路面不平度的統(tǒng)計特性，作為整車路面激勵輸入。以60 km/h 作為路噪仿真工況車速，基于以上公式計算得到路面功率譜，如圖3所示。

圖3 時間頻率路面功率譜密度

1.2 CDTire輪胎模型

獲取一個用于路噪仿真的CDTire輪胎模型，需要對輪胎進行斷面掃描，靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)工況測試。測試工況包括垂向剛度、縱向剛度、側(cè)向剛度、縱滑、側(cè)滑、動態(tài)過凸塊試驗等。為了捕捉輪胎的綜合性能，在同一測試工況組下，通常需要測試一系列胎壓（如：80%、100%、120%參考胎壓）、一系列負載（如：40%、80%、120%負載）以及多種車速（如：5 km/h、60 km/h、200 km/h）下的輪胎力學(xué)響應(yīng)。在獲取輪胎測試數(shù)據(jù)后，基于CDTire/PI平臺，對輪胎斷面進行幾何建模，通過仿真反求辨識輪胎參數(shù)。其中輪胎參數(shù)辨識流程如圖4所示。

圖4 輪胎辨識流程

為了度量辨識的質(zhì)量，引入了一個層次結(jié)構(gòu)的誤差值。在所有的層次結(jié)構(gòu)中，除了最下面的層次外，它們都是誤差的加權(quán)和，輪胎辨識的總誤差（最頂層）是所有啟用辨識工況組的誤差加權(quán)和。其方程如下：

式中：errTotal是所有啟用辨識工況組的誤差加權(quán)和；errexp為每個辨識工況組誤差值；wexp為對應(yīng)的誤差權(quán)重因子。

errexp是基于后處理步驟中計算出的局部信號特征和積分信號特征來估計的，計算形式如式（7）所示：

式中：x，y為試驗和擬合曲線局部信號特征值；f，g為試驗和仿真擬合曲線的積分信號特征函數(shù)；為f函數(shù)的P范數(shù)。由上述公式可見，誤差沒有邊界，越小越好。在error值達到可接受的范圍后，同時結(jié)合輪胎仿真與測試曲線的趨勢對比，確定最終滿足工程要求的輪胎模型。

本文對兩個廠家提供的輪胎1-245/55 R19（Tire1）、輪胎2-205/50 R17（Tire2）進行CDTire參數(shù)辨識用于整車路噪研究。圖5給出了這兩款輪胎的幾何斷面模型，最后由帶有質(zhì)量點的中性層作為輪胎的物理模型基礎(chǔ)。圖6為兩款輪胎部分仿真結(jié)果，可見試驗曲線與仿真曲線高度吻合，尤其在動態(tài)測試cleat工況中，仿真和測試曲線在關(guān)鍵頻率點位置幾乎重合，因此，CDTire具有很高的輪胎力學(xué)特性描述能力，能夠滿足整車路噪仿真要求。

圖5 兩款輪胎的幾何建模結(jié)果

圖6 部分參數(shù)辨識結(jié)果

1.3 整車路面振動噪聲仿真分析

基于Hyperworks中NVHD平臺，搭建用于路面振動噪聲分析的聲固耦合模型。導(dǎo)入輪胎辨識參數(shù)cdt50文件，進行線性化生成fem文件和h3d文件，其中fem文件含有生成的節(jié)點、顯示單元、輪胎的一些基本參數(shù)信息，h3d文件中含有用于計算的剛度、阻尼、質(zhì)量矩陣。CDTire線性化后用于路噪仿真的模型如圖7所示。

圖7 CDTire輪胎模型

集成CDTire輪胎于整車有限元模型用于路噪分析。圖8為某SUV整車聲固耦合模型。

圖8 整車聲固耦合模型

基于NVHD平臺的Road Load 路噪工具，導(dǎo)入路面PSD和整車聲固耦合模型搭建整車路噪分析工況。輸出駕駛員外耳聲壓級，方向盤12點方向、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點振動加速度響應(yīng)。

2 輪胎參數(shù)對路噪的影響

2.1 輪胎型號對路噪的影響

通過對1.2節(jié)中兩個廠家提供的輪胎進行CDTire建模，研究探討不同輪胎對于路噪仿真的影響。輪胎型號的具體參數(shù)見表1。

表1 輪胎型號參數(shù)

分別將這2款輪胎模型線性化后裝配在SUV上進行路面振動噪聲響應(yīng)分析，得到結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同款輪胎的路噪響應(yīng)

由駕駛員外耳噪聲響應(yīng)曲線可知，兩款輪胎仿真曲線趨勢幾乎一致，峰值頻率點位置幾乎不變，說明輪胎對于整車的剛度與質(zhì)量貢獻有限。此外，作為傳遞路徑上的一環(huán)，輪胎對于整車噪聲響應(yīng)的影響弱于整車結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果的差異主要體現(xiàn)在56～85 Hz與100～180 Hz頻率段的峰值，其中在80 Hz處兩款輪胎的噪聲響應(yīng)峰值差距最大，達到了8 dB（A）。與噪聲結(jié)果類似，在方向盤12點、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點振動響應(yīng)中，兩款輪胎對應(yīng)的測點3向加速度均方根值（RMS）趨勢一致，全頻段內(nèi)振動響應(yīng)影響小，但出現(xiàn)較大峰值點。其中方向盤3向加速度RMS值在31 Hz處差距達到2.55 m/s2，駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點3向加速度RMS值在31 Hz處差距達到0.49 m/s2。由仿真經(jīng)驗和仿真結(jié)果可知，這一現(xiàn)象是由不同輪胎的模態(tài)激勵、剛度差異所致。

除了輪胎質(zhì)量、尺寸等設(shè)計差異，兩款輪胎模型文件的關(guān)鍵物理參數(shù)差異也很大，如表2所示，因此，難以推斷輪胎型號對于路噪響應(yīng)的影響規(guī)律。在下一步的研究中，隨著輪胎數(shù)據(jù)庫的積累，可通過對比相同廠家不同型號的輪胎來繼續(xù)開展這方面的工作。

表2 兩款輪胎主要參數(shù)對比

表2中的參數(shù)分別為剪切剛度（RGx）、簾布層剛度（Cs）、鋼絲層剛度（Ss）、帶束層剛度（Bs）、胎冠x與y方向剪切剛度（TGx、TGy）、輪胎x方向彎曲剛度（Xs）、胎側(cè)質(zhì)量（Mb）和橡膠剪切阻尼（RGd）。

兩款輪胎3向加速度、噪聲響應(yīng)均方根值見表3。表中Noise_RsSM、STR12_RSM、Driver_RSM分別表示駕駛員外耳全頻段噪聲RMS值、方向盤12點3向加速度RMS值、駕駛員座椅右后安裝點3向加速度RMS值。

表3 噪聲、3向振動響應(yīng)RMS值

由表3可知，此款SUV搭配Tire1比較合適，尤其在100～180 Hz頻率段處噪聲值相較于Tire2優(yōu)勢更明顯。

2.2 同款輪胎參數(shù)組合對路噪的影響

為了考察同款輪胎不同參數(shù)組合對路面振動噪聲的影響，結(jié)合模型的實際物理意義，基于式（8）采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法對表1中Tire1、Tire2模型的9個關(guān)鍵物理參數(shù)進行組合采樣，分別生成55個樣本輪胎模型后完成整車路面振動噪聲分析。

假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)域CN上有N個設(shè)計變量，目標(biāo)是選取一組樣本點，使其均勻地分布在CN上。為了實現(xiàn)此目標(biāo)，這里采用了L2中心偏差準(zhǔn)則，即：

Tire1、Tire2對應(yīng)的9個關(guān)鍵物理參數(shù)初值見表1，除Mb的上下變化范圍為其初始值的20%以外，其余參數(shù)上下限變化范圍均為初始值的50%，輪胎的參數(shù)變化范圍見表4。

表4 輪胎的參數(shù)變化范圍表

圖10給出了Tire1、Tire2的55個模型樣本中整車全頻段噪聲響應(yīng)最差（max）、最好（min）與真實輪胎模型（base）仿真結(jié)果的對比?？梢钥闯觯瑑煽钶喬颖緦?yīng)的響應(yīng)趨勢幾乎一致，Tire1輪胎樣本響應(yīng)差異主要體現(xiàn)在80～180 Hz頻率段，其中在83 Hz處響應(yīng)峰值差異達到了8.4 dB（A）；Tire2樣本輪胎響應(yīng)差異主要體現(xiàn)在66～180 Hz頻率段，其中在94 Hz處響應(yīng)峰值差異達到了7.2 dB（A）。80～180 Hz為兩款輪胎樣本噪聲均出現(xiàn)較大差異的頻率段，說明在該頻率段下輪胎對于噪聲的影響較大，而其余頻段車本身的影響更大。因此，可以在設(shè)計早期針對車輛起主導(dǎo)作用的頻率段關(guān)鍵峰值點進行診斷分析，排查明顯的NVH設(shè)計缺陷。振動響應(yīng)整體影響較小，但3向加速度RMS值出現(xiàn)較大峰值差異。Tire1輪胎樣本中，方向盤12點在83 Hz差異達到了18.414 m/s2，座椅導(dǎo)軌右后安裝點則在83 Hz差異達到了1.595 m/s2。Tire2輪胎樣本中，方向盤12點在83 Hz差異達到了0.557 m/s2，座椅導(dǎo)軌右后安裝點在170 Hz差異達到了0.162 m/s2，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因與3.1節(jié)中所述類似。

圖10 兩款樣本輪胎的路噪響應(yīng)

圖11給出了Tire1、Tire2全部樣本對應(yīng)的駕駛員外耳聲壓級、方向盤12點、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點3向加速度全頻段RMS值。圖中，橫坐標(biāo)為55個樣本編號，縱坐標(biāo)為每個樣本的噪聲、振動響應(yīng)均方根值。

圖11 兩款輪胎55個樣本3向加速度、噪聲RMS值

可以看出，同款輪胎，不同的參數(shù)組合下，整車噪聲、加速度響應(yīng)均方根值差異較大，Tire1樣本中噪聲響應(yīng)均方根值最小達到50.4 dB（A），Tire2樣本中最小達到52.2 dB（A）。對于方向盤12點、駕駛員座椅導(dǎo)軌右后安裝點振動響應(yīng)均方根值，Tire1和Tire2最小分別可達到1.365 24 m/s2、1.446 28 m/s2，0.253 23 m/s2、0.242 94 m/s2。 由 此可見，在其他結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)確定的情況下，可以通過輪胎的參數(shù)優(yōu)化降低路面激勵對整車噪聲和振動的影響。在下一步的研究中，將討論面向整車路噪性能提升的輪胎參數(shù)優(yōu)化方法，以便為車型開發(fā)中輪胎的選型提供一定參考。

3 結(jié)論與展望

本文基于CDTire輪胎模型建立了完整的虛擬路面路噪仿真流程，探究了輪胎對于整車路面激勵振動噪聲的影響。通過分析不同款輪胎及同款輪胎不同參數(shù)組合與整車路噪響應(yīng)的關(guān)系，可以在開發(fā)早期針對車輛起主導(dǎo)作用的頻率段排查明顯的NVH設(shè)計缺陷。同時，基于CDTire的路噪仿真可以為車型開發(fā)中選配輪胎提供方向指導(dǎo)，更好地保障車型的NVH性能。在下一步的研究中，將對大量輪胎進行參數(shù)辨識，形成輪胎數(shù)據(jù)庫，同時還將探究面向整車路噪性能提升的輪胎參數(shù)優(yōu)化方法。