李旭偉 田程

中國汽車技術(shù)研究中心試驗所 天津市 300300

汽車通過輪胎與路面相接觸，輪胎和汽車懸架共同過濾和吸收行駛過程中的沖擊，與整車的振動噪聲、操控性、穩(wěn)定性和平順性直接相關(guān)。隨著人們對汽車的不同需求和個人喜好，輪胎的作用越來越受到人們的重視，伴隨輪胎的種類也越來越多，比如偏向于乘坐品質(zhì)的人選擇靜音輪胎，偏向于駕駛感和操控性的人選擇運動型輪胎。

隨著輪胎生產(chǎn)企業(yè)對其產(chǎn)品的研發(fā)投入不斷上升，研究的內(nèi)容也不僅僅局限在承載能力、剛度、耐久、磨損老化等領(lǐng)域，在輪胎滾動阻力、噪聲、高速均勻性、動平衡等方面也進行了大量的試驗測試。中國汽車技術(shù)研究中心具有國外先進的測試輪胎滾動阻力的設(shè)備，并在江蘇鹽城試驗場建設(shè)了不同配置標(biāo)準(zhǔn)的道路，能夠滿足不同型號輪胎試驗條件的實車測試需求，同濟大學(xué)具有專門測試輪胎轉(zhuǎn)鼓噪聲的試驗室，作為第三方檢測機構(gòu)為國內(nèi)外輪胎企業(yè)做輪胎各項性能的檢測試驗，并承擔(dān)了大量的科研課題對輪胎進行研究試驗，積累了許多的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

輪胎模態(tài)與輪胎的振動特性直接相關(guān)，受到了廣大企業(yè)、高校和科研院所研究人員的廣泛關(guān)注。清華大學(xué)國家重點實驗室使用單、雙點激振的方式，分析出了輪胎模態(tài)存在重根的特性[1]。馮希金對比了有限元仿真和試驗測試的結(jié)果，兩種方法結(jié)果吻合良好，并研究了胎壓、帶束層參數(shù)和橡膠模量對輪胎模態(tài)的影響[2]。葛劍敏分析了輪胎花紋、氣壓和重量對輪胎模態(tài)特性的影響規(guī)律，指出了有限元計算與試驗結(jié)果存在誤差的原因[3]。

本文針對轎車橡膠輪胎進行模態(tài)測試，主要研究載荷對輪胎模態(tài)頻率、模態(tài)振型和傳遞函數(shù)的影響，試驗過程中輪胎始終安裝在對應(yīng)的輪轂上，只對載荷做改變，胎壓和橡膠參數(shù)均不作任何變動。

1 輪胎加載的實現(xiàn)方式

汽車質(zhì)量、車上乘客以及貨物的重量決定了輪胎在實際工況下的載荷，試驗過程中輪胎的加載既可以安裝在整車上實現(xiàn)，也可以通過設(shè)備模擬加載。本文主要研究輪胎在不同載荷下的動力學(xué)特性，采用機械設(shè)備的加載方式，模擬實際工況的載荷，設(shè)備由臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司生產(chǎn)，操作簡單，安裝方便。如圖1所示，輪胎安裝到設(shè)備的可移動軸上，該軸通過控制柜以力控或者位控的形式實現(xiàn)輪胎的垂向移動。本文測試過程中輪胎的下胎面與設(shè)備加載平臺相接觸，加載平臺下部安裝四個力傳感器，隨著軸垂直向下移動，胎面與平臺的接觸力逐漸增加，等達到試驗工況預(yù)定的載荷時，停止移動，進入載荷保持階段，開始試驗測試。

圖1 輪胎加載設(shè)備

2 輪胎模態(tài)測試

本文使用錘擊脈沖法進行模態(tài)測試，輪胎等分成20份，測點在胎面的中心位置，如圖1所示，使用美國PCB生產(chǎn)的三向加速度傳感器。20個測點分兩批測試完成。測試數(shù)據(jù)采集帶寬為0到300Hz，頻率分辨率1Hz，試驗過程中在激勵點測試兩組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)力錘敲擊5次，三個敲擊方向分別為輪胎徑向、切向和側(cè)向。測試中包含載荷為零的工況，即輪胎安裝到設(shè)備軸上，但不與平臺接觸，處于懸空狀態(tài)，所有測點均能布置傳感器。對于非零載荷工況的測試，由于胎面下部與平臺接觸，所以取消了3個測點，只有17個測點的數(shù)據(jù)參與計算分析。需要注意的是，傳感器因為要黏貼在輪胎上，要避免使用對橡膠具有腐蝕性的膠水以免損壞輪胎。

徑向激勵可直接敲擊胎面法向?qū)崿F(xiàn)，敲擊輪胎切向時，直接敲擊胎面無法實現(xiàn)，在激勵點處黏貼了鋁塊工裝，通過敲擊鋁塊的方式來實現(xiàn)，側(cè)向激勵通過敲擊輪胎的胎側(cè)來實現(xiàn)。試驗選擇了兩種不同規(guī)格型號的輪胎進行，每條胎的加載載荷也不完全相同，使試驗數(shù)據(jù)更具有普遍意義，輪胎的規(guī)格和加載參數(shù)如表1所示，表中載荷為零時，為輪胎約束固定到設(shè)備后的懸空狀態(tài)，不與平臺相接觸。

以試件1為例，本文提取了輪胎的前十階模態(tài)，模態(tài)頻率如表2所示。本文按照橫向、周向和徑向?qū)⒛B(tài)振型分成了三類，橫向為輪胎側(cè)面的法向，周向為輪胎的切向，徑向是輪胎的半徑方向。從表2可以看出，隨著載荷的增加，大部分模態(tài)頻率均有提高，特別是前四階模態(tài)頻率，但個別階次頻率出現(xiàn)了降低。圖3展示了各工況下試件2的模態(tài)頻率曲線圖，可以看出零載荷工況的模態(tài)數(shù)據(jù)與其他幾個工況數(shù)據(jù)相比波動略大，帶載工況的數(shù)據(jù)波動較小，大部分模態(tài)也有隨著載荷增加頻率提高的現(xiàn)象，趨勢與試件1相同。輪胎橫向的低階模態(tài)要先于徑向和周向模態(tài)出現(xiàn)，頻率偏低。

通過分析兩條輪胎的模態(tài)振型，對比不同載荷工況下的振型圖，發(fā)現(xiàn)在測試帶寬區(qū)間內(nèi)，各階模態(tài)的振型沒有發(fā)生變化，橫向各階振型都是輪胎側(cè)面法向的橫向擺動和彎曲振型，徑向振型都是上下跳動和類似于花瓣形狀的圖形，周向振型只存在一個旋轉(zhuǎn)的振型。與零載荷工況相比，在加載狀態(tài)下由于取消了三個測點，模態(tài)振型的辨識會增加一些難度，尤其是輪胎的高階模態(tài)振型，花瓣形狀的徑向振型在加載面處不能完全顯示出來，就要結(jié)合模態(tài)分析穩(wěn)態(tài)圖來確定此振型對應(yīng)的模態(tài)階次。

圖2 試件2模態(tài)頻率曲線圖

圖3 輪胎傳遞函數(shù)測點分布圖

表1 模態(tài)試驗輪胎規(guī)格和參數(shù)

表2 試件1各載荷下的模態(tài)頻率 Hz

3 輪胎傳遞函數(shù)測試

輪胎傳遞函數(shù)的測點分布在胎面、胎肩和胎側(cè)，如圖3所示，激勵胎面和胎側(cè)兩個測點的徑向、切向和側(cè)向，測試過程中，X向代表徑向，Y向代表切向，Z向代表橫向，測試所用輪胎與模態(tài)測試相同。圖4為試件1胎面測點各載荷工況的原點徑向傳遞函數(shù)曲線圖，圖5為試件1胎面到胎側(cè)各載荷工況的徑向傳遞函數(shù)曲線圖，圖6為試件1胎面到胎肩各載荷工況的徑向傳遞函數(shù)曲線圖。從曲線圖可以看出，零載荷與非零載荷工況的數(shù)據(jù)差距變化明顯，而非零載荷工況的曲線數(shù)據(jù)整體趨勢一致，幅值略有波動，并且隨著載荷的增加，曲線出現(xiàn)偏移的現(xiàn)象，但不明顯。通過查看其它測點和方向的傳遞函數(shù)，發(fā)現(xiàn)具有相同的現(xiàn)象。

從傳遞函數(shù)曲線可以看出，在220Hz以內(nèi)，傳函曲線波動比較明顯，波峰波谷比較突出，220Hz以后，曲線趨于平緩，波峰波谷不再明顯，同時零載荷與非零載荷工況下的曲線變化幅度減弱。

4 結(jié)語

本文通過對汽車輪胎進行零載荷和非零載荷狀態(tài)下的相關(guān)試驗測試，分析了輪胎模態(tài)頻率、模態(tài)振型和傳遞函數(shù)的特性，得到如下結(jié)論：

（1）輪胎大部分模態(tài)頻率會隨著載荷的增加有所提高，個別階次出現(xiàn)了載荷增加頻率降低的現(xiàn)象。對于模擬實車的非零載荷模態(tài)，各階頻率的變化浮動較??；

（2）輪胎模態(tài)振型不會隨著載荷的增減而變化，各方向的振型都是固定的振動模式，只是對應(yīng)的模態(tài)頻率會隨著施加載荷的不同而變化；

（3）輪胎傳遞函數(shù)在零載荷和實車非零載荷工況下變化明顯，主要體現(xiàn)在峰值對應(yīng)的頻率上，而幅值略有變化。非零載荷工況之間傳遞函數(shù)變化較小，隨著載荷的增加，傳遞函數(shù)曲線略有偏移的現(xiàn)象，但變化很小。

圖4 胎面的徑向傳遞函數(shù)曲線

圖5 胎面到胎側(cè)的徑向傳遞函數(shù)曲線

圖6 胎面到胎肩的徑向傳遞函數(shù)曲線

根據(jù)分析輪胎的試驗數(shù)據(jù)來看，實車狀態(tài)下的載荷，對輪胎模態(tài)和傳遞函數(shù)影響較小，特別對于家用轎車來說主要是車上乘客的變化，車輛載荷變化不會太大，分配到四條輪胎載荷變化也不大，所以結(jié)果的變動也不會太大。本文所研究的內(nèi)容還屬于靜態(tài)載荷下的輪胎動態(tài)性能試驗，輪胎在運動狀態(tài)下的動態(tài)特性是后續(xù)研究的重點。此外輪轂對整個輪胎模態(tài)參數(shù)的影響、實車懸掛系統(tǒng)對輪胎模態(tài)的影響以及試驗和仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)對比驗證，能否使用仿真計算來替代試驗，以計算機分析替代繁瑣的人工試驗工作，縮短研發(fā)流程也是今后研究的重點。