摘要
本文深入探討了滾動(dòng)輪胎系統(tǒng)的振動(dòng)特性，通過(guò)結(jié)合有限元方法與先進(jìn)的激光測(cè)振技術(shù)，對(duì)E-class車前輪軸上的輪胎系統(tǒng)進(jìn)行了全面的三維振動(dòng)分析。研究旨在提升車輛的NVH（噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）性能，同時(shí)降低開(kāi)發(fā)成本與時(shí)間。通過(guò)對(duì)比數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了所提方法的有效性。
引言
輪胎作為乘用車的重要組成部分，不僅支撐著車重，還負(fù)責(zé)在加速、剎車和轉(zhuǎn)彎時(shí)傳遞力至路面，并減少因路面不規(guī)則帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲。隨著內(nèi)燃機(jī)噪聲的降低和車輛輕量化趨勢(shì)，輪胎的NVH性能變得尤為重要。本研究通過(guò)數(shù)學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式，對(duì)輪胎系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行了深入分析。
輪胎系統(tǒng)的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)
輪胎系統(tǒng)包含20多個(gè)部件，每個(gè)部件由非線性材料組成，其性能受溫度、應(yīng)變率等多種因素影響。此外，輪胎與路面的接觸激勵(lì)是非線性的，使得輪胎系統(tǒng)的建模極具挑戰(zhàn)性。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本研究采用了有限元方法建立滾動(dòng)輪胎的數(shù)學(xué)模型，并考慮了輪胎阻尼、滾動(dòng)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力以及內(nèi)外胎-輪輞與空腔之間的耦合效應(yīng)。
數(shù)學(xué)模型構(gòu)建
基本方程：基于結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣Ms、結(jié)構(gòu)剛度矩陣Ks、流體質(zhì)量矩陣Mf、流體剛度矩陣Kf，以及氣腔與結(jié)構(gòu)之間的耦合作用（Hsf矩陣），建立了輪胎系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。該方程考慮了空氣密度ρ、聲速c以及結(jié)構(gòu)的反對(duì)稱陀螺矩陣Gs和流體的反對(duì)稱陀螺矩陣Gf。
特征值問(wèn)題：為得到標(biāo)準(zhǔn)特征值形式，將N×N二階微分方程轉(zhuǎn)換為2N×2N一階微分方程。由于系統(tǒng)矩陣的非對(duì)稱性，本征解包含單一特征值矩陣和兩組復(fù)雜的特征向量，分別描述模態(tài)振型和激勵(lì)振型。
輪轂邊界條件：采用耦合響應(yīng)方法計(jì)算車輪與車輛的耦合振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)位移導(dǎo)納方法計(jì)算耦合FRF矩陣，實(shí)現(xiàn)了車輪子結(jié)構(gòu)與車輛其他部分的連接。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法
測(cè)試裝置：使用Polytec公司的3D掃描式激光多普勒測(cè)振儀，對(duì)置于轉(zhuǎn)鼓上的右前輪胎進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。轉(zhuǎn)鼓表面經(jīng)過(guò)輕微不均勻性處理，以施加已知激勵(lì)并確保輪胎與轉(zhuǎn)鼓持續(xù)接觸。
測(cè)量原理：測(cè)振系統(tǒng)的光學(xué)頭探測(cè)輪胎表面沿激光方向上的多普勒頻移，該頻移與輪胎的瞬時(shí)振動(dòng)速度成正比。通過(guò)坐標(biāo)變換，獲取振動(dòng)矢量的x、y和z分量，實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)測(cè)量。
測(cè)試過(guò)程：車輪由轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)，速度范圍在33至99km/h之間。在每個(gè)恒定速度下，從9個(gè)不同角度掃描車輪，并記錄駕駛艙內(nèi)四個(gè)位置的聲壓級(jí)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證
模態(tài)識(shí)別：通過(guò)測(cè)量滾輪的過(guò)程，識(shí)別了駕駛艙內(nèi)噪聲的主要頻譜峰值，以及相應(yīng)頻率下車輪的工作變形（ODS）。結(jié)果顯示，一階模態(tài)（如左右平動(dòng)、上下平動(dòng)、空腔諧振）對(duì)車輪響應(yīng)有顯著影響。
ODS對(duì)比：計(jì)算了不同速度下輪胎的ODS，并與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。表1展示了幾個(gè)關(guān)鍵頻率下的ODS對(duì)比結(jié)果，顯示計(jì)算和測(cè)量值在高速范圍內(nèi)（最高99km/h）具有高度一致性。
總結(jié)與展望
本研究通過(guò)結(jié)合有限元模型與激光測(cè)振技術(shù)，對(duì)滾動(dòng)輪胎系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行了詳盡的分析與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)輪胎的振動(dòng)特性，為輪胎和車輛NVH性能的優(yōu)化提供了有力支持。未來(lái)，該方法可進(jìn)一步應(yīng)用于輪胎設(shè)計(jì)階段的數(shù)字預(yù)測(cè)，通過(guò)大量高質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果，促進(jìn)模型升級(jí)，提升車輪與車輛的NVH性能。
模型的局限性與改進(jìn)方向
盡管本研究中的有限元模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)了良好的一致性，但仍存在一些局限性。首先，模型主要基于設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建，未充分考慮輪胎實(shí)際制造過(guò)程中的材料差異和工藝變化。未來(lái)研究應(yīng)考慮引入更多物理數(shù)據(jù)，如實(shí)際材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、輪胎內(nèi)部的溫度分布等，以提高模型的預(yù)測(cè)精度。
其次，本研究主要集中在輪胎的滾動(dòng)噪聲和振動(dòng)方面，未全面考慮輪胎的耐磨性、抓地力等其他關(guān)鍵性能。未來(lái)的模型構(gòu)建應(yīng)綜合考慮多種性能指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)輪胎性能的全面優(yōu)化。
此外，隨著車輛智能化和電動(dòng)化的發(fā)展，輪胎與車輛其他系統(tǒng)的交互作用將變得更加復(fù)雜。未來(lái)的研究應(yīng)關(guān)注輪胎與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等的耦合效應(yīng)，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)輪胎在實(shí)際行駛過(guò)程中的表現(xiàn)。
激光測(cè)振技術(shù)的應(yīng)用前景
激光測(cè)振技術(shù)作為一種非接觸式測(cè)量方法，具有高精度、高靈敏度和大測(cè)量范圍等優(yōu)點(diǎn)，在輪胎振動(dòng)分析中展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，激光測(cè)振技術(shù)有望在未來(lái)廣泛應(yīng)用于輪胎研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)。
例如，在輪胎設(shè)計(jì)階段，激光測(cè)振技術(shù)可用于快速驗(yàn)證不同設(shè)計(jì)方案的振動(dòng)性能，加速設(shè)計(jì)迭代過(guò)程；在生產(chǎn)過(guò)程中，該技術(shù)可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎的振動(dòng)特性，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性；在質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)，激光測(cè)振技術(shù)可用于發(fā)現(xiàn)輪胎的潛在缺陷和性能異常，提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。
未來(lái)研究方向
未來(lái)的研究可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：
多物理場(chǎng)耦合分析：結(jié)合有限元方法與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等技術(shù)，對(duì)輪胎與空氣、水等流體的相互作用進(jìn)行深入研究，以更全面地理解輪胎在實(shí)際行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
智能輪胎系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：探索將傳感器、執(zhí)行器等智能元件集成到輪胎中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎狀態(tài)（如壓力、溫度、磨損程度等）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)控，提高輪胎的性能和安全性。
大數(shù)據(jù)與人工智能應(yīng)用：利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，對(duì)大量輪胎測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)輪胎性能與各種因素之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，為輪胎設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
環(huán)境友好型輪胎研發(fā)：針對(duì)當(dāng)前全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的迫切需求，研發(fā)具有低滾動(dòng)阻力、低噪聲、長(zhǎng)壽命等環(huán)境友好特性的新型輪胎材料和技術(shù)。
綜上所述，本研究通過(guò)結(jié)合有限元模型與激光測(cè)振技術(shù)，為滾動(dòng)輪胎系統(tǒng)的振動(dòng)分析提供了一種有效的方法。未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注模型的改進(jìn)、激光測(cè)振技術(shù)的應(yīng)用拓展以及智能輪胎系統(tǒng)和環(huán)境友好型輪胎的研發(fā)，以推動(dòng)輪胎技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和發(fā)展。