轮辋的动刚度对汽车路噪的影响
摘要：为优化某电动汽车的路噪，采用仿真结合测试的方法，对某电动汽车的轮辋进行模态仿真，优化其侧向动刚度，然后进行道路测试，结果显示：优化后的轮辋路噪得到明显改善，验证了不同侧向动刚度的轮辋对车辆NVH 性能的影响。通过仿真对比优化前后轮辋的模态，进一步验证了轮辋侧向动刚度的提高对路噪有明显的改善作用，为优化电动汽车的NVH 提供了理论依据。路噪在汽车噪声中是常见问题，也是各大汽车厂商不断优化的重点。对于轿车，结构传播噪声主要频率范围一般是几十赫兹至几百赫兹，甚至更高[1]。路面材料的不同对汽车路噪影响很大[2]，本文对此不再探讨，只探讨车辆本身的原因。轮辋侧向动刚度是形容轮辋侧向抵抗形变的能力，侧向刚度越大，抵抗变形能力越强。在车轮传递特性中，轮辋侧向动刚度是其重要指标之一，轮辋的侧向动刚度的大小在轮胎的隔振性能中起到决定性的作用，并且在结构噪声的传递路径上有明显的影响，进而影响到整车噪声[3]。李剑乔[4]运用软件的模态分析模块，得到整车的固有频率和振型仿真模拟，通过对结果的分析，了解轮辋结构的固有频率的改变能够有效避开各种激励频率，避免产生共振导致轮辋失效。过学迅等[5]对汽车车内发出噪声的原理、规则和传统解决方法进行了叙述。本文以某型电动汽车为参考，对其道路噪声进行优化。原车采用五辐镂空轮毂，以60 km/h 车速行驶在光滑路面时，明显感受到车内道路噪声。对原车轮毂进行摸底试验，所得结果没有达标，并且主观评价较差，所以从根源处对其进行优化，对原车轮辋进行重新设计，将其改为镂空面积少的轮辋[6]，然后对其进行仿真分析，模态敲击验证，最后进行道路测试和模态仿真对比，以验证侧向动刚度高的轮辋能否有效地减少车内噪声。汽车的噪声、振动和声振粗糙度NVH（noise、vibration、harshness）是衡量汽车制造质量的一个综合性指标。研究车辆的NVH 是否达标，首先要对车辆进行路噪摸底测试。通常情况下，研究车内噪声是否达标，需要收集车内噪声并将收集到的噪声进行A 计权处理，通过数据和专家的主观评价来判断车内噪声是否达标。在音频测量中，A 计权在数学图像中表现为标准的权重曲线，人耳的响应特性通常通过A 计权来描述，其英文为A-Weighted。在A 计权中通常用声压电平来描述，称为A 计权dB 电平，其单位用dB（A）表示。A 计权是噪声的单值评价指标，在声音测试中被广泛采用，可以通过声级计测量得到。在噪声的测量中，需要把噪声模拟出人耳能够感受到噪声响度的大小，使测量更加贴切实际，且还需充分考虑到人耳的听觉特性。人耳对于不同频段的声音变化其敏感程度是不同的，频率太高或者太低，人耳的灵敏度就越低，就像一个A 字，因此称为AWeighted。A 计权的标准是由美国标准协会在20 世纪40 年代制定，用于描述人耳对不同频段声音变化的敏感程度。通过testlab 软件将时域测试数据进行傅里叶变换，并进行A 计权来描述噪声。本研究对电动汽车进行传感器布置，在车辆左前车轮轴头处布置振动传感器，车内对主驾驶布置内耳麦克风，右后排乘客布置内耳麦克风。评审专家坐在车辆后排右侧来对车内噪声进行评判。测试软件为testlab，前端为LMS，对车辆进行60 km/h 的光滑路进行路试，得到如图1 所示的样车主驾驶内耳频率声压级曲线，以及图2 所示的左前轮轴头振动频率加速度曲线。通过软件分析数据得出，轴头位置z 向振动为1.39 m/s2，车内主驾驶内耳噪声达到42.40 dB（A），专业评审员对乘坐舒适感的评价分数为5分（总分10分），车内噪声明显，故需要对路噪进行优化。从路噪的产生过程对噪声源头进行问题排查，路噪是车辆运动时路面的激励导致的结构噪声，首先作用到轮胎上，然后通过车轮上的轮辋传递到轮辐，进而通过悬架传递到车内[8]。轮辐和轮辋之间的传递特性是整条传递路径的重要一环，车轮侧向动刚度是描述车轮侧向抵抗形变的能力，侧向刚度越大，抗变形能力越强。车轮侧向刚度可以作为车轮传递特性重要指标之一，其大小能有效决定轮胎的隔振性能，同时影响结构噪声传递路径，进而影响到整车噪声，所以需对车辆原状态轮辋进行动刚度测试。参照GMW14876-2014 标准[9]，轮辋中心布置2 个振动传感器，运用testlab 软件里的impact Testing 模块和LMS 前端对该车原状态轮辋进行动刚度测试。在轮缘和轮心的位置布置振动传感器如图3 所示，对轮心进行力锤敲击。轮毂侧边方向的最大模态频率为375 Hz。由文献中推导的车轮侧向动刚度表达式为式中：M 为车轮总质量；f1为轮心位置原点频响曲线共振峰频率；f2为反 共振峰频率。经计算，动刚度为47.43 kN/mm，但实际要求轮毂的侧向动刚度不小于50 kN/mm，此轮毂不达标，需要对其进行优化。针对轮辋进行优化，目的是提高轮辋的动刚度，将镂空面积大的五辐轮毂优化成镂空面积小的三辐轮毂[10-11]。利用Solidworks对三辐轮毂建立三维有限元模型，制造方法为低压铸造，汽车轮毂材料为7050-T7451，设置其弹性模量为70 GPa，泊松比为0.33，密度2 700 kg/m3[12]。优化前后的轮毂如图5 所示，将优化后的轮毂进行简化建模，简化后的模型如图6 所示。在Solidworks 的Simulation 模块对模型进行侧向动刚度仿真，将轮辋的5 个螺栓孔完全固定，在轮辋的轮心边缘处施加单位振动激励，仿真结果得出该轮辋的侧向动刚度为67.1 kN/mm，超出预期效果。模态分析亦称为自由振动分析，主要适用于判断结构和各种机械零配件的自由振动性质（固有频率及振型），受到不变载荷的作用而产生应力的作用下，结构会直接影响固有的频率，尤其适用于固有的频率在某1 个或2 个尺度上很薄弱的结构，因此在某些条件下执行模态分析可能会遇到的问题[13]。而汽车轮毂是连接制动系统和传动系统的重要零部件，同时在汽车上产生的振动也会连接部件传递到轮毂上，所以在对轮辋进行设计时，对其进行预应力模态分析是很重要的一个环节，用来判断其固有频率是否与其他部件的固有频率重合，以免发生共振现象，使轮毂失效，从而被破坏[14]。静力结构分析作为预应力分析的首要环节，需要在分析之初进行分析，其计算式为得出应力刚度矩阵，在计算结构分析中得以应用（[σ0]→[S]），进而得出新的模态方程式（3）即为存在预应力的模态分析公式，由此得出振动频率ωi和模态φi。测试结构动态特性时经常运用模态分析方法，将测试的结果进行分析，然后对结构进行优化。为了使结构件不与其他部件发生共振现象导致其损坏失效[15]，在汽车轮毂的实践和使用中，轮毂是通过螺栓固定在法兰盘上，故要对所有的螺纹孔都进行完整的位移和约束。在对轮毂进行预应力模态分析时，为了充分考虑到轮毂受到载荷作用下对结构刚度的影响，在ABAQUS 有限元静力学分析中添加频率分析，即可准确地计算出汽车轮毂的各阶振动、频率和最大变形量。计算模态振型前五阶，得到相应振型图如图7—图11 所示。相对应的固有频率如表1 所示。从图7—11 可知，一阶振型为上、下振动，二阶振型为左右振动，三、四阶振型主要为扭振，五阶振型为前后振动。对比优化前后轮辋的振型可知，随着轮辋动刚度的提高，对应阶次的固有频率也随之提高。优化后的轮辋每阶振动频率高于原状态轮辋。路噪的频率范围主要集中在20~300 Hz，原状态轮辋前四阶段频率均在300 Hz 内，优化后只有前三阶的固有频率在300Hz 以内，减少了轮辋在行驶过程中产生共振的几率。运用testlab 软件中impact Testing 模块和LMS 前端对该车三辐轮毂进行动刚度测试。在轮缘和轮心的位置布置振动传感器如图12 所示。从图13可以看出，在轮毂的侧边方向其最大模态频率为445 Hz。通过公式计算得出动刚度为56.76 kN/mm，结果达到设计要求。将该车换上优化后的轮辋进行60 km/h 光滑路测试。对时域测试数据进行傅里叶变换，并进行A 计权。得到如图14 所示的该车优化后主驾驶内耳频率声压级曲线，以及图15 所示的左前轮轴头振动频率加速度曲线。驾驶员内耳噪声为41.70 dB（A），左轴头振动为1.21 m/s2。相较五辐轮毂轴头处的振动降低0.18 m/s2，降低了12.9%，并且车内噪声减小了0.7 dB（A），降低了1.7%。通过数据的对比分析，证实了优化方案的可行性。本文通过仿真轮辋的模态分析和测试轮辋的动刚度对轮辋进行优化，得出结论如下：（1）以某电动汽车的铝合金轮毂为研究对象，利用Solidworks进行三维建模，并导入ABAQUS 中进行模态分析，求解出优化前和优化后的前五阶模态振型图，验证了优化后的轮辋在路噪频段内减少了共振。（2）在0~300 Hz频段内，车轮的侧向动刚度越大，车内噪声改善越明显。（3）车轮辋侧向动刚度仿真与实际测量结果基本保持一致，可以证明仿真轮辋侧向动刚度的可靠性。（4）在0~300 Hz 频段内，根据轮辋的模态振型可以推断出轮辋侧向动刚度的大小以及对车内噪声的影响。作者单位：（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222）
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首次发布时间：2023-04-22
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