基于柔刚体模型的高速车轮振动辐射噪声研究
考虑接地效应的轮胎柔性圆环建模及其径向振动特性研究
考虑接地效应的轮胎柔性圆环建模及其径向振动特性研究1. 内容综述本研究旨在考虑接地效应的轮胎柔性圆环建模及其径向振动特性。
轮胎柔性圆环作为车辆行驶过程中的重要部件，其振动特性对于提高车辆行驶稳定性和舒适性具有重要意义。
随着汽车行业对轻量化、安全性和环保性能的要求不断提高，轮胎柔性圆环的研究也逐渐受到关注。
在现有研究中，轮胎柔性圆环的建模方法主要分为两种：一种是基于弹性力学的方法，即将轮胎柔性圆环视为一个弹性体，通过求解弹性方程来描述其振动特性；另一种是基于有限元方法的方法，即将轮胎柔性圆环视为由多个单元组成的结构，通过求解有限元方程来描述其振动特性。
这两种方法在一定程度上可以反映轮胎柔性圆环的实际振动特性，但均未充分考虑接地效应的影响。
接地效应是指轮胎与地面之间的接触产生的电荷分布，它会影响轮胎与地面之间的摩擦力，进而影响轮胎的振动特性。
目前关于接地效应对轮胎柔性圆环振动特性影响的研究仍较为有限。
本研究拟从以下几个方面展开：首先，建立考虑接地效应的轮胎柔性圆环建模方法；其次，通过数值模拟和实验验证所建立模型的有效性；分析接地效应对轮胎柔性圆环径向振动特性的影响，并提出相应的改进措施。
通过对这些方面的研究，本研究将为轮胎设计和制造提供理论依据和技术支持，有助于提高轮胎的性能和使用寿命。
本研究还将为其他类似结构的振动问题提供借鉴和启示。
1.1 研究背景随着科技的不断发展，汽车行业在提高行驶安全、降低能耗和减少排放等方面取得了显著成果。
这些成果并非一蹴而就，而是在许多关键技术的研究和应用中逐步实现的。
轮胎作为汽车的重要部件，其性能对整个车辆的安全性和经济性具有重要影响。
研究者们开始关注轮胎在实际使用过程中所受到的各种力的作用，特别是接地效应对轮胎性能的影响。
接地效应是指轮胎与地面之间的相互作用力，主要包括滚动阻力、静摩擦力和动摩擦力等。
这些力的大小和分布直接影响到轮胎的行驶稳定性、制动性能和燃油经济性等方面。
基于有限元和边界元的轮胎振动声辐射仿真计算
功率级随频率的变化规律． 静载增大 ， 轮胎刚度增 大， 导致其 固有频率增 大 ， 对应峰值频 率往 右移． 进一步可以发现静载增大 ， 对高频的影响也要大于 低频 ， 主要影响胎侧的振动 ， 使其辐射噪声增大 ， 总 声 功 率级 由 １６ ８ ｄ ３ ．５ Ｂ增 大到 １３２ ｄ ． ４ ．８ Ｂ
一
３ 影响因素 分析
图 ９给 出 了不 同充 气 压 力下 轮 胎 噪声 辐 射 声
功率级随频率的变化规律． 胎压减小 ， 轮胎刚度减
小 ， 致 其 固有 频 率 减 小 ， 应 峰值 频 率往 左 移 ． 导 对 进一 步可 以发 现 胎 压 减 小 ， 高 频 的影 响 大 于 低 对 频， 主要影 响胎 侧 的振 动 ， 其 辐射 噪声 增大 ， 使 总声 功率 级 由 １６ ８ｄ ３ ．５ Ｂ增 大到 １８７ ｄ ． ３ ．３ Ｂ 图１ ０给 出 了不 同垂 向静 载 下轮胎 噪声 辐射 声
ｐ ｒ ．Ａ ｔｓ ｔｏ ｓｄ ｓ ｎ ｄａ ｄ ｕ ｅ ｏｔｓ ｅｃ ｎ ｕ ｔｄｅｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｔｒ ｒｎ ｅｏ ｅＡＣ ｍｏｏ ａｔ ｓ ｅｔ ｍｅｈ ｄｗａ ｅｉ ｅ ｎ ｓｄ ｔ ｅｔ ｈ ｏ ｄ ｃｅ ｌｃｒ ｇ ｔ ｏ ｇ ｅｉ ｉ ｅｆ ｅ ｃ ｆ ｔｒｉ ｃ ｎ ｅ 声辐射 仿 真 计算 等 基
４９ ８
度增 大 ， 导致 其 固有 频 率 增 大 ， 应 峰 值 频 率 往 右 对
移 ．进 一 步 可 以发 现 ， 侧 材 料 变 硬 ， 声 辐 射影 胎 对
振 动声 辐射 ； 压和 静载 对振 动声 辐射 中的中高频 胎
率时轮胎表面各节点的振动分布情况． 可以发现 ， 在轮胎接地位置受到径向激励时 ， 轮胎胎面首先振动．随着频率升高 ， 胎面的振动开 始传递到胎侧．图 ７ 为某轿车轮胎在 ０２ Ｐ 胎压 ．Ｍ ａ 下振动试验结果 ， Ｊ激振源位于轮胎接地中心．可
轮对柔性对车辆动态曲线通过性能的影响研究
轮对柔性对车辆动态曲线通过性能的影响研究随着我国高速列车不断提速，将车辆部件看作刚体来分析车辆系统的稳定性、安全性的传统做法已不能满足要求，因此引入柔性多体动力学理论，将车辆系统的某一部件考虑为柔性体后分析对车辆系统的动力学性能响应，这样做可以更深入地了解车辆部件的弹性效应对车辆系统各项动力学性能指标的影响，可使仿真分析更加贴合实际，结果更加准确，将轮对考虑为柔性体[1]正是在这种大背景下提出来的。
由于轮对大角度旋转及轮轨接触关系的特殊性，使得考虑轮对为柔性的刚柔耦合建模较为复杂。
近年来，对柔性轮对动力学模型的研究逐渐增多，主要集中在轮轨接触及其对车辆运行稳定性、轮轨磨损及噪声等的影响方面。
N.Chaar和M.berg[2-3]研究了柔性轮对在0～100 Hz的频率范围内，对轨道力的影响并与实测值进行了对比，结果表明：轮对柔性对横向力和垂向力均有显著影响，与实测值吻合较好。
Zhong Shuoqiao等[4]提出了一种与柔性轮对接触的轮轨耦合方法，并将其应用到传统的车辆轨道动态系统模型中，研究了轮对弯曲和轴向变形对轮轨滚动接触行为的影响并进行了数值分析。
Lu Zhenggang等[5]建立了柔性轮轨接触模型，研究得到轮轨的结构振动对其接触点的位置、蠕滑力、轮轨力和脱轨系数影响显著。
I.Kaiser 和K.Popp[6]对比分析了轮对柔性与刚性时对仿真结果的影响，当列车行驶速度低于临界值时，柔性轮对的横向振动衰减速度慢于刚性轮对且振幅较大，结果表明轮对柔性时会降低车辆系统的临界速度。
高浩等[7]介绍了一种基于传统迹线法思想的轮轨接触方法，并将其应用于考虑轮对柔性变形的动力学仿真，计算了轮轨接触点的位置和轮轨蠕滑率。
万鹏等[8]，万涛[9]，郭训等[10]，贺建功[11]结合有限元分析软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK建立了考虑轮对柔性的车辆刚柔耦合动力学模型，对比分析了轮对柔性与刚性的动力学响应，吴正习等[12]在此基础上得到了车轮的动载荷响应并分析了车轮的疲劳寿命。
轮胎结构振动声学贡献度分析及降噪方法研究_王国林
要： 以载重子午线轮胎 295 /80Ｒ22． 5 为研究对象， 建立了其三维有限元分析模型 ， 进行了有限元模态分析和
试验模态测试， 对比分析表明二者具有良好的一致性 ， 说明所建有限元分析模型的正确性 。为分析轮胎的振动噪声 ， 建立 了该子午线轮胎声学边界元模型 。将滚动过程中轮胎与路面的作用力作为轮胎振动激励 ， 运用模态声学传递向量 MATV 技术， 分析了轮胎外轮廓结构对场点的声学贡献度 ， 通过幅值 － 相位法确定胎面和胎侧是声学正贡献部件 。为降低轮胎 结构振动辐射噪声， 在声学正贡献部件胎面和胎侧处引入聚氨酯类吸音材料 ， 噪声分析结果表明， 聚氨酯材料的使用能够 有效地降低胎面和胎侧的振动加速度响应 ， 降低轮胎的振动辐射噪声 。 关键词： 子午线轮胎； 模态分析； 声学贡献度； 幅值 － 相位法； 振动辐射噪声 中图分类号： U463． 341 文献标志码： A DOI： 10． 13465 / j． cnki． jvs． 2015． 24． 009
1965 年生 第一作者 王国林 男 ， 博士， 教授， 博士生导师， 1991 年生 通信作者 裴晓朋 男 ， 硕士，
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振 动 与 冲 击
2015 年第 34 卷
象， 运用声学边界元方法和 MATV 技术对轮胎振动噪 声进行计算， 并分析轮胎外轮廓结构的声学贡献度， 确 定出声学正贡献部件。 在此基础上， 以轮胎外轮廓不 变为前提， 研究在声学贡献度大的部件处设置聚氨酯 弹性体吸音材料， 降低轮胎噪声的可行性。
Acoustic contribution of tire structure vibration and method for noise reduction WANG Guolin，PEI Xiaopeng，ZHOU Haichao，ZHAO Fan，YANG Jian
乘用车车轮销轴声学灵敏度仿真与实验分析
乘用车车轮销轴声学灵敏度仿真与实验分析侯臣元;汪晓虎;王亮;李凤【摘要】To analyze the structural noise of vehicles induced by road-surface excitations, a detailed full vehicle structure model and a fluid cavity model were built with finite element method, and the coupled fluid-structure equations were derived. Based on the models, the acoustic sensitivity of a car to the spindle was simulated by applying an excitation force at the rear-axle spindle. The acoustic sensitivity of the whole vehicle to the rear spindle could be acquired by superposition of the simulation results, which could be used to evaluate and analyze the structure noise from the road-surface excitations. Results of the finite element analysis were verified by the tests under the same boundary conditions. Through modal contribution analysis, the contributions of the vehicle structure, rear suspension etc. to the acoustic sensitivity of the spindles were obtained. Some measures for reducing the structural noise in the frequency band from 0 to 200 Hz were suggested.%为分析路面激励引起的车内结构噪声，建立整车结构有限元模型及流体声腔有限元模型；在车轮销轴处施加激励，仿真计算车内对销轴处的声学灵敏度。
基于MLE的滚动轮胎冲击振动噪声仿真分析
中图分类号 ： Ｕ４ ６ １ ； Ｔ Ｂ ９ ４ ２
文献标识码 ： Ａ
Ｄ ＯＩ 编码 ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ ． １ ３ ３ ５ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ４ ． ０ ０ ５
传递 ， 完成滚动结构动力 学分析 。通过将轮 胎花 纹和胎冠整体三维建模 ， 可 以得到连续轮胎表面的加速度场 。以参考 空间中连续表面 的加速 度场作为声源 ， 采用 声学有限元方法得 到滚动 噪声 的分布预测 。实验和仿 真结 果对比证 明本 方法的可靠和准确 ， 也证 明 １ ０ ０ ０Ｈｚ 以下轮胎的滚动 噪声主要是花纹 的冲 击振动 引起 的噪声 。提 出的方法 为预测分 析轮胎 的滚动 噪声开辟一条可行 的道路 。
ｔ ｈ ｅ Ｍｉ ｘ ｅ ｄ Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ． Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ（ ＭＬ Ｅ ） ． Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ． ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ． ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ
引发广泛 关注 ， 目前 尚没有 有效 的分析 预测方 法 。提 出新 方法包括 用混合 拉格 朗 日一 欧拉描述 法（ Ｍｉ ｘ ｅ ｄＬ ｏ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ
Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ， ＭＬ Ｅ ） 分 析大 变 形 滚 动 接 触 结 构 的 速 度 场 、 加 速 度 场 和 接 触 变 形 。通 过 欧 拉 网格 和 拉 格 朗 日网 格 的 信 息
基于轮轨结构振动的车辆动力学性能研究
Ｍａｈｎ ｓ ２０ ｃｉｅ ， ０２，Ｖ ｌ ０（ ） ｏ ３ １ ，１— ０ ３．
［ ］ Ｔ ｏ ａ Ｍ ｉ ｅ Ｐｔ ｉ ｅ Ｒ ｔ ｙａ ｉ ｎ ｒ Ｌ ｒ ３ ｈｍ ｓ ｅ ｄｍ， ｅ ｒ ｎ ． ｏ ｒ ｎｍ ｃ ａｄＩ ｅ ｄ ｎ ｅ Ｍｅ ｋ ｏＤ ｓ ｒｇ ａ
一
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４ ４阶 垂 弯
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镧蝴 鼢
４ ５阶 垂 弯
１ 垂 弯 阶
轮对作 为弹性 体 研究 了轮 对 的不 规 则 磨 耗 和 多边 形 化 的形成机 理 ． ． ｏｐ等把 轮 对 与轨 道 柔 性 ＪＫ Ｐ ｐ
图 １ 轨 道 有 限 元模 型 以及 模 态
要 ： 为 了研 究柔性 轮 对在 高速 旋转状 态 下弹性 效应 以及 轨 道 的 柔 性 结构 振 动 对 车辆 运行
的平稳性 和安 全性 等动 力 学性 能的 影 响 ，建 立 了轮 对 和 钢轨 的有 限 元模 型 ， 通过 模 态综合技 术
获取柔性 轮对 和 柔性钢 轨 的模 态信 息 ， 别建 立 了柔性轮 对 和 柔性钢轨 接 触 、 分 柔性轮 对和 刚性钢
中 图分 类号 ： Ｕ ６ ． １ ２ ０ １ １ 文 献标识 码 ： Ａ
０ 引 言
在以往 的轨道车辆动力学研究 中， 常常应用刚 性的轮轨接触模型 ， 高速运行条件下 ， 在 采用刚性 轮轨接触模型在研究过程中存在一定的缺陷 ， 如无 法模拟轮轨的弹性变形． 例如 ， 轴的弯曲变形 ， 轮对
参 考文 献 ：
【 ］ 李普庆 ， １ 陆正刚．考虑构架弹性 的高速货车构架转 向架疲劳 预测 ［］铁道车辆 ， ０ ， ７ １） ５ ８ Ｊ． ２ ９ ４ （２ ： — ． ０ ［ ］ Ｈ Ｃａｓ Ｓｈ ｈ ｎ ｙ ｂｌ — ｕ ｂｒ ｎｌ ｉｏＦ ｘ ２ ．ｌ ， ｃｉ ｌ ．Ｓｍ ｏｃ Ｎ ｍ ｅｃ ａ ｓ ｅｉ ｕ Ｗ． ｅ ｅ ｉ ｉＡ ｙ ｓ ｆ ｌ ．
轮胎振动特性实验研究
轮胎振动特性实验研究
高海慧;陈剑
【期刊名称】《噪声与振动控制》
【年(卷),期】2011(031)001
【摘要】利用振动实验模态分析的方法,建立自由悬置状态下轮胎的振动特性模态测试与分析系统,通过轮胎径向激振测试信号的数据处理与分析,提取各阶的频率及其径向模态振型,分析轮胎的模态参数随充气压力变化的规律,为实验方法的研究和轮胎结构设计及车辆的动力性能分析提供指导.
【总页数】4页(P175-178)
【作者】高海慧;陈剑
【作者单位】合肥工业大学,汽车噪声与振动工程实验室,合肥,230009;合肥工业大学,汽车噪声与振动工程实验室,合肥,230009
【正文语种】中文
【中图分类】V216.2+1
【相关文献】
1.非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究 [J], 王光庆;张伟;刘创;杨斌强;廖维新
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4.高频电液振动台振动特性实验研究* [J], 李伟荣;阮健
5.基于有限元分析的轮胎振动特性优化 [J], 李孟华;张磊;冯希金;宋凯;阎阔;徐龙
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图 ｌ 轮 轨 噪 声预 测模 型 示 意 图
由图 １ 可知 ， 钢轨及 车轮 的辐 射 噪声共 同构成 轮轨 噪声 的振 动源 。在研究轮 轨相互作 用 力时 ， 定轮 轨接 假
２ ３
离为 ｄ的一 点 的声 压 为 Ｐ， 其声 压均 方值 为＜＞ Ｔ＋
在 此 基 础 上 ， 仿 真 结 果 进 行 傅 立 叶 变 换 ， 现 时频 将 实
之 间的转换 ， 以便 在频 域 内对 噪声进 行 研究 。傅立 叶变
陈士 杰 （９ ４ ） ， １ ８一 男 上海 人 ， 士 牛 （ 回 日期 ：０ ９ １ １ ） 硕 修 ２ ０ ２ ｏ
普遍 认为轮轨 噪 声是 由于轮 轨 接触 表 面 的不 平顺
分析。
设 单个 车轮 通过 钢 轨引起 的振动 传播 到 离钢 轨距
第 ２期
基 于 柔 刚 体 模 型 的 高 速 车 轮 振 动 辐 射 噪 声 研 究
过弯道 时挤压外 轨 而产 生 的摩 擦 噪声 。轮 轨 噪声 的能
量主要集 中在频 率 １０ ０ ０ ０ ～２５ ０Ｈｚ范 围内 ， 由于其分 布 范围广 ， 对环 境 影 响大 ， 已成 为我 国高速 铁 路 噪声 故
的 主要 来 源 。 ２ 轮 轨 噪 声 预 测 模 型
第３ Ｏ卷 第 ２ 期
２１ ０ ０年 ４月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ Ｗ ＡＹ ＬＯＣ０Ｍ ０ＴＩ １ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ ． Ｏ Ｎｏ ２ １３ ．
Ａｐｒ ． ２ ０ ０１
文章编号 ：０ ８ ８ ２（０ ０ ０ ～０ ２ —０ １０ —７ ４ ２ １ ） ２ ０ ２ ４
基 于柔 刚体模 型 的高速 车轮振 动辐 射噪声 研 究
陈士杰 陆 正刚 ， （ 同济 大学 汽 车学院 ， 海 ２ ］ ０ ； １ 上 ０ ８ ４
２ 同 济 大 学 铁 道 与城 市 轨 道 交通 研 究 院 ， 海 ２ １ ０ ） 上 ０ ８ ４
摘 要 随着 轨 道 车 辆速 度 的 不 断提 升 ， 运 行 噪 声 已 成 为 城 市 噪 声 的 主 要 来 源 之 一 ， 传 统 的 动 力 学 模 型 基 础 其 在
中 图分 类 号 ：Ｕ２ １ １ ７ ． ６ 文 献 标 志码 ：Ａ
随 着 轨 道 交 通 工 具 的 迅 速 发 展 ， 道 车 辆 运 行 噪 声 轨 已成 为 城 市 噪 声 的 主 要 来 源 之 一 。 国 内 外 的 各 种 研 究
外， 轨枕 、 车体和道 砟也产 生噪声 ， 后者 一般 处于 次要 但 地位 。噪声 预测模 型 以轮 轨表面不 平顺 作为 激扰 源 ， 采 用“ 轮轨振 动一轮 轨 声辐 射～ 轮 轨噪 声 ” 一 思路 展 开 这
触 力与相对 接 触位 移 遵循 赫 兹公 式 。 由于钢 轨 与地 基
固结 紧密 ， 其横 向振 动很小 ， 故只考 虑其 竖 向振 动效应 ；
车 轮 振 动 包 括 轴 向 和 径 向两 个 方 向 ， 噪 声 均 有 较 大 影 对 响 ， 此需综 合考虑 。 因
由于对钢 轨 的振 动辐 射 噪声 国内外 已有 专 家学 者 产生的 。当轮对在轨 道上滚 动时 ， 种不平 顺导 致轮 轨 作 了大量 的研究 ， 这 故此处 主要对 车轮振 动辐射 噪声进 行 的相对运 动以及轮轨本 身 的弹性振动 ， 这种 弹性 振动 向 空气 中 辐射 就变 成 了噪 声 。 了轮 轨 这 两个 噪 声 源 以 除
１ 轮 轨 噪 声 产 生 机 理 轮 轨 噪 声 是 由 于 轨 道 结 构 钢 轨 表 面 的 短 波 不 平 顺
激发轮轨 振动并 通 过 空气传 播 而 产生 的 。轮 轨表 面 的 不 平顺波 长为 ２ ｍ， ～６ｃ 不平顺 幅值 可达 Ｏ ２ ． ５ｍｍ。列 车 在磨 耗钢轨 上运 行 时 ， 激 发一 种 典 型 的颤 噪声 ， 会 其 频率 与速度有关 ， 即为轮 轨噪声 。
文 献显示 ， 当列车速 度低于 ２ ０ｋ ｈ时 ， ５ ｍ／ 铁路 噪声 以轮 轨 噪声为主 。 目前 ， 随着 轨 道车 辆 速 度 的不 断 提升 ， 我 国铁 路客车 的运 行速 度在 ２ ０ｋ ｈ左 右 ， ０ ｍ／ 货车 速度 大
约 为 １ ０ｋ ｈ 城 市 轨 道 交 通 列 车 的最 高 运 行 速 度 一 ２ ｍ／ ， 般 为 ８ ｋ ｈ 因此 ， ０ ｍ／ ， 目前 我 国铁 路 及 城 市 轨 道 交 通 的 噪
研究 ， 其预测模 型示 意图如 图 １所示 。轮 轨在载 荷作 用
下要发 生弹性 变形 ， 此 轮 轨之 间形 成 了一个 接 触 区 ， 因
当轮轨 表 面粗 糙 度 波 长 小 于 接 触 区尺 寸 时 ， 轨 接触 轮 后 ， 轨表面粗 糙度 对 轮 轨 的激励 作 用不 受 影 响 ， 而 轮 从
形 成接触 滤波 。
声 主要 以轮 轨噪声 为主 。在 轮轨系统 中， 车轮振 动辐 射 噪声又是最 主要 的噪声 源之 一 ， 本文 在传统 噪声 预测模 型 的基础上 ， 柔性 轮 对模 块 引入 动 力学 模 型 ， 将 并对 车 轮结 构进行优 化设 计 ， 而降低 车轮振动辐 射噪声 。 从
上， 引人 了柔 性 轮 对 模 块 ， 车 轮辐 射 噪 声 与模 态结 合 起 来 ， 对 车 轮 结 构 进 行 优 化设 计 ， 将 并 以期 为低 噪 声 车 轮 的研 究 提 供参 考 依 据 。
关 键词 轮 轨相 互 作 用 ； 轮 辐 射 噪声 ； 性 轮 对 ； 声 预 测 ； 态 分析 车 柔 噪 模