（车辆工程专业论文）轮胎噪声拖车测试法试验研究.pdf

吣y 帆1 帆8 吣1 帆帆帆；帅9 i l 4 3 94ll 保密2 年 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i l ：y c o n f o r m i t yw i t htheiongllu n i v e r s i t yi nc o n f o f r u i t yw i t ht h er e a u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r e x p e r i m e n ta n dr e s e a r c ho nt r a i l e rt e s t m e t h o do ft i r en o i s e s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：j u n y a nf a n s u p e r v i s o r ：p r o f x i a o x i o n gj i n j u l y , 2 0 0 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：讫侵岩 伽7 年1 月z ze l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：亿馁芝 名7 年9 月z z 日 摘要 摘要 轮胎噪声是汽车行驶噪声的主要成分之一，对汽车整车噪声贡献较大。研 究轮胎噪声的第一步就是测试轮胎噪声，为了得到统一的和具有可比性的测试 结果，就需要制定出一套有效的测试方法。 通常情况下，轮胎噪声测试方法大致可分为转鼓法、通过法和拖车法三种， 三种方法各有利弊，但由于拖车法能够更好的排除测试车辆本身的干扰，更能 体现出轮胎本身的声学特性，因此，拖车法的测量结果能够更好的表征其噪声 特性的优劣，本文特以此方法作为研究对象。 本文首先对目前国际及国内现有的轮胎噪声测试方法进行了分析比较，并 对拖车测试法中将会涉及到的各种因素及试验手段、测试设备等进行了介绍， 并分析了实施轮胎噪声拖车测试试验的可行性和必要性；然后，根据相关国际 标准及国内轮胎行业实际情况，设计了符合标准要求的轮胎噪声测试拖车系统， 组织实施验证试验，并对提高测量精度的多种方法进行了探讨和尝试；本文还 研究了拖车测试法试验数据的处理及分析方法，并对不同轮胎噪声测试方法之 间的相关性进行了分析：之后，对基于拖车测试结果的轮胎路面噪声控制方法 进行了讨论。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：轮胎，噪声，拖车，测试方法 a bs t r a c t t i r en o i s ei so n eo ft h em a i nc o m p o s i t i o n so ft h ev e h i c l ep a s sb yn o i s e ，a n d c o n t r i b u t e sm u c ht ot h et o t a lv e h i c l en o i s e t h ef i r s ts t e pt os t u d yt i r en o i s ei st o m e a s u r ei t i no r d e rt og e ta c c o r d a n ta n dc o m p a r a b l er e s u l t s ，a ne f f e c t i v em e a s u r i n g m e t h o dn e e d e dt ob es e tu p i ng e n e r a lc o n d i t i o n ，t h ed r u mm e t h o d ，v e h i c l em e t h o d ，a n dt r a i l e rm e t h o da r e t h et y p i c a lm e a s u r i n gm e t h o d sf o rt i r en o i s e o n eo ft h ew e a k n e s s e so ft h ed r u m m e t h o di st h ed i f f e r e n to ft h er o a ds u r f a c e s t h ew e a k n e s so ft h ev e h i c l em e t h o di s t h ed i f f i c u l t yo fc o m p l e t er e m o v a lo ft h ev e h i c l ei n f l u e n c e s t h et r a i l e rm e t h o dc a r l s o l v et h e s ed i f f i c u l t i e sb yu s i n gt h es a m eu n i f i e dt r a i l e r t h em a i nt o p i co ft h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h et r a i l e rm e t h o d a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , c o m p a r i s o no ft h ed i f f e r e n tm e a s u r i n gm e t h o d so f t h et i r en o i s ea r em a d e ，t h ee l e m e n ta n de q u i p m e n to ft h et r a i l e rt e s ta r ei n t r o d u c e d f o l l o w i n g i nt h em i d d l eo ft h ep a p e r , i t sm a i n l ya b o u tt h et i r en o i s et e s tt r a i l e r a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，t h em e a s u r i n gp r o c e s s ，a n dt h ep o s t p r o c e d u r eo ft h et e s tr e s u l t sd a t a a tt h ee n do ft h ep a p e r , p e r t i n e n c eo ft h er e s u l t so f d i f f e r e n tt e s tm e t h o d si ss t u d i e d i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：t i r e ，n o i s e ，t r a i l e r , t e s tm e t h o d 目录 目录 第1 章引言1 1 1 轮胎噪声研究的意义、现状与发展1 1 1 1 研究轮胎噪声的意义1 1 1 2 轮胎噪声研究的现状与发展1 1 1 2 1 国外轮胎噪声研究的历程2 1 1 2 2 国内轮胎噪声研究的现状及发展4 1 2 轮胎噪声的特性5 1 2 1 轮胎路面噪声产生的机理5 1 2 2 轮胎噪声的传播6 1 3 轮胎噪声测试标准及方法简介7 1 3 1 现行轮胎噪声测试标准及方法7 1 3 2 国内测试方法研究的进展8 1 4 本文的主要研究内容9 第2 章轮胎噪声拖车测试法介绍1 1 2 1 轮胎噪声测量的一般方法1 1 2 1 1 室内转鼓法1 2 2 1 2 实车滑行法1 4 2 1 3 拖车法1 6 2 2 轮胎噪声测量拖车的分类及特点：1 7 2 2 1 近场拖车法1 7 2 2 2 远场拖车法1 9 2 3 本试验所使用的拖车系统2 0 2 3 1 拖车系统的具体要求2 1 2 3 2 拖车系统设计及改进2 2 m 目录 第3 章轮胎噪声拖车测试试验的实施方法2 5 3 1 试验用轮胎2 5 3 1 1 试验轮胎的分类+ 2 5 3 1 2 试验前对轮胎进行的准备工作2 7 3 2 测试设备2 8 3 3 试验环境：2 9 3 4 试验用场地3 0 3 5 试验实施过程3 l 3 5 1 试验实施3 1 3 5 2 试验过程中数据的采集3 3 3 6 试验数据处理及分析3 4 3 6 1 轮胎声压级的确定3 4 3 6 2 试验报告一3 7 第4 章拖车测试数据处理及影响因素研究3 9 4 1 拖车测试法数据处理的常用方法3 9 4 1 1 时间历程修正法4 0 4 1 2 声压级峰值修正法4 2 4 1 3 带牵引杆长度参数的峰值修正法4 4 4 1 4 使用修正法进行计算应必须满足的条件4 7 4 2 轮胎噪声拖车测试结果影响因素研究4 8 4 2 1 拖车系统对测试结果的影响4 8 4 2 2 轮胎对测试结果的影响5 0 4 2 3 试验场地对测试结果的影响5 3 4 3 拖车测试方法的改进措施5 5 4 4 不同测试方法测量结果的相关性分析6 0 第5 章与拖车测试相关的轮胎路面噪声控制方法6 4 5 1 轮胎路面噪声的一般规律及发生机理6 4 目录 5 1 1 轮胎路面噪声的主要成分及频率特性6 4 5 1 2 轮胎噪声发生机理的一般性认识6 6 5 2 降低轮胎路面噪声的方法6 8 5 2 1 低噪声轮胎花纹设计6 9 5 2 2 影响轮胎路面噪声的其他因素7 l 5 3 低噪声路面的研究与应用7 2 第6 章结论与展望7 4 6 1 本论文的研究结论7 4 6 2 本论文不足之处7 4 6 3 今后工作展望7 5 致谢7 6 参考文献7 7 附录a 试验报告7 8 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 2 v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 轮胎噪声研究的意义、现状与发展 1 1 1 研究轮胎噪声的意义 众所周知，随着现代工业生产、交通运输和城市建设的发展，噪声已成为 继水污染、空气污染、固体废物污染的第四大环境公害。噪声属于感觉公害。 从物理学的观点看，噪声就是各种频率和声强杂乱无序组合的声音。从生理学 和心理学的观点看，那些令人不愉快、讨厌以致对人们健康有影响或危害的声 音都是噪声u 。 噪声对人们正常生活的影响以及对人的危害主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 噪声导致听力损伤。根据国际标准化组织的规定，暴露在强噪声环境 下对5 0 0 h z 、1 0 0 0 h z 和2 0 0 0 h z 三个频率的平均听力损失超过2 5 d b ，称为噪声性 耳聋。噪声引起的听力损伤，主要是内耳的接收器官受到损害而产生的。过量 的噪声刺激能够造成感觉细胞和接收器官整个破坏。 ( 2 ) 噪声影响人的生理健康。研究与统计结果表明，大量心脏病的发展和 恶化与噪声有着密切的联系，噪声会引起人体的紧张反应使肾上腺素增加，从 而引起心率改变和血压升高。 ( 3 ) 噪声影响人的心理。噪声对心理的影响主要是使人烦躁不安。噪声容 易使人疲劳，影响精力集中和工作效率，由于噪声的掩蔽效应，往往使人不易 察觉危险信号，从而造成事故。 随着现代汽车工业和交通运输业的发展，我国机动车的拥有量日益增加。 据相关部门研究发现，机动车辆的辐射噪声，约占整个环境噪声的7 5 ，是目前 生活环境中最主要的噪声源，而由此形成的噪声污染对人们日常工作和身心健 康的影响越来越受到普遍关注。 汽车行驶噪声是交通噪声的主要来源，随着我国汽车工业的迅猛发展和城 市道路的不断扩张，城市车流量持续增加，使得城市噪声污染日益严重。交通 噪声使人烦躁不安，随着生活质量的逐渐提高，人们对降低交通噪声提出了越 第1 章引言 来越高的要求跚。 控制交通噪声，最有效的方法就是从声源上根治噪声。 试验表明，轮胎噪声是构成汽车行驶噪声的主要因素之一，当汽车行驶速 度大于5 0 k m h 时，轮胎噪声逐渐显现；当车速超过8 0 k m h 时，轮胎噪声会超 过其它噪声源，成为汽车行驶噪声的主要成分；车速越快，负荷越大，轮胎噪 声的能量级也越高，在汽车噪声中所占的比重也就越大，如图1 1 1 。 轮胎 进气系统 9 9 6 捧气系统 2 7 发动机 3 4 图1 1 汽车主要噪声源及比例 轮胎噪声对于汽车本身和周围环境有以下几方面的影响： ( 1 ) 轮胎噪声影响汽车的乘坐舒适性。轮胎作为车辆和地面接触的唯一部 。? 件，其噪声辐射及振动特性直接影响汽车乘坐的舒适性和平顺性。所以国内外 各大汽车公司纷纷开展轮胎噪声方面的研究，对配套轮胎在噪声方面提出了更 苛刻的要求。 ( 2 ) 轮胎噪声严重影响城市居住环境。由于城市高架和高速道路的不断建 设，城区内汽车的行驶速度得到较大程度提高，这样就使得原本在郊区高速公 路上才会出现的轮胎噪声影响到了城市居民的日常工作和生活，居民对于交通 噪声的不满意程度日益增加。 鉴于以上诸多因素，开展轮胎噪声研究、了解轮胎噪声的发生机理、改进， 轮胎噪声测试方法、开发低噪声轮胎产品已经成为各轮胎公司当务之急要进行 的工作。 1 1 2 轮胎噪声研究的现状与发展 1 1 2 1 国外轮胎噪声研究的历程 竹0 ： 第1 章引言 上世纪早期，对于轮胎噪声的研究几乎完全停留在单纯测试阶段，缺乏对 噪声机理的理论分析。7 0 年代之后，人们才逐渐开始从理论上对轮胎噪声进行 研究，并逐渐提出模拟计算的理念比1 。 1 9 7 1 年，jh a y d e nre 首先提出空气泵浦( a i rp u m p i n g ) 原理是轮胎主 要噪声机理。他将简单轮胎花纹沟槽视作一个单极子源，并得出花纹沟声压级 的半经验公式。但是用该公式真正解决轮胎花纹噪声预测仍然存在诸多困难。 1 9 8 5 年，通用汽车研究实验室的l a w r e n c e 等在研究横向花纹沟槽的基础上 得出了以下结论：气柱共鸣与泵浦作用是横向花纹沟槽噪声的两大机理。当气 柱的固有频率和花纹间距频率一致时，就会发生气柱共鸣现象，使得轮胎噪声 加剧。， 上世纪8 0 年代以后，随着物理学和振动理论的发展，人们对轮胎噪声的研 究进入试验测试与模拟研究相结合的阶段。根据流体结构相互作用原理可 以得出以下结论：若已知轮胎的振动方式，结合辐射边界条件，就可以用克希 霍夫亥姆霍兹积分公式计算出轮胎振动辐射的噪声。因此，8 0 年代末，许 多学者相继建立起轮胎动态特性模型，开始了轮胎动态特性的理论研究。 1 9 9 2 年，n a k a j i m ay 等用有限元、边界元和模态分析相结合的方法对轮胎 的振动和噪声进行了预测，有限元和边界元法在中低频可以比较准确的预测轮 胎噪声；但在高频段，由于计算量大大增加，使结果误差变大，于是人们开始 用统计能量法对高频段的轮胎噪声进行分析计算。 h i r o s h iy a m a u c h i 等人研究了轮胎内部空腔的共鸣声，认为汽车内部噪声 在2 5 0 h z 左右的峰值主要是轮胎内部空腔的共振噪声引起的，并提出了改变轮 胎结构从而改变轮胎固有频率来控制轮胎内部空腔共振噪声的方案。 上世纪末，人们开始把轮胎和路面看成一个系统加以研究。日本学者研究 了路面不平度导致的轮胎振动对轮胎噪声的影响，认为路面不平导致的胎面振 动是轮胎噪声产生的主要因素之一，并提出轮胎路面接触模型( t i r e r o a d c o n t a c tm o d e l ) 来计算路面不平对轮胎振动的激励。 国外一些工业发达国家自6 0 年代起就对车辆噪声给予了足够重视，制定出 相应的法规和标准，并且每隔3 5 年修订一次，各种车辆噪声的限值大幅度降 低。中国汽车报刊登题为欧盟研究降低轮胎噪声的文章，文章说：“欧 盟委员会投资2 1 9 万美元，启动有关路面和轮胎相互作用的研究项目，目的是 在不妨碍安全性的前提下将噪声最小化。基于研究成果，欧盟委员会将制定新 3 第1 章引言 的噪声标准。居住区密度大、距道路近和城市噪声这三大问题，近年来在欧洲 显得日益突出。自1 9 8 0 年以来，欧洲几次降低新车的可允许噪声水平。此项研 究的数据，来自于汽车制造商、轮胎供应商、分销商，以及实际测试得到的数 据，这其中包括：摩擦、湿吸附、牵引和颠簸阻力等。在新的噪声标准及相关 改革采纳前，欧盟还将进行成本和利益方面的分析。 由此，充分说明了欧洲对 于降低轮胎路面噪声的重视。 随着高速公路建设的发展和汽车平均行驶速度的提高，大型车的噪声污染 问题也日益显现；国外轮胎公司诸如米其林、固特异、德国大陆等公司推出的 客车及城市公交配套轮胎开始广泛采用低噪声设计。 国外科研机构和知名学府也相继投入大量精力进行轮胎及路面噪声的研 究。目前正倾向于对车速较高的汽车，按照高速公路限定的最高车速进行以评 价轮胎噪声为目的的高速行驶噪声试验，国际标准化组织也正在开展此项研究 工作，新的国际化轮胎噪声标准在不久后即将产生。 1 1 2 2 国内轮胎噪声研究的现状及发展 我国从1 9 7 9 年开始着手汽车噪声控制方面工作，并且颁布了机动车辆允 许噪声( g b1 4 9 5 7 9 ) 和机动车辆噪声测量方法( g b1 4 9 6 7 9 ) 国家标准， 进入8 0 年代又陆续颁布了汽油机、柴油机等噪声限值及测量方法等标准 同跨国轮胎巨头相比，国内的轮胎公司在技术上仍然比较落后，自主研发 能力亟待加强：关于轮胎噪声的测试及研究，科研力量和经费投入更是稀少。 目前国内涉足轮胎噪声研究的大专院校和科研院所数量不在少数，但基本上都 属于纯理论性的分析与应用研究，缺少实验验证环节与有效的试验数据支撑。 上海轮胎公司等单位对于轮胎噪声的研究开始于上世纪九十年代中后期的 配套攻关，当时即建立起国内最早的轮胎噪声试验室，配备了当时较先进的试 验设施，并取得了令人满意的成果。 上海轮胎研究所曾对轮胎噪声做过较深入的研究，积累了丰富的经验，并 且拥有相关的优化软件、噪声测试仪器等设施，配备了专门的轮胎噪声测试人 员，各项技术已经基本成熟。目前已开发出多个规格的低噪声轮胎，低噪声新 轮胎比普通轮胎噪声降低3 5 d b ，基本能够满足市场对该类产品的需求。 我国加入w t o 以后，工业生产和产品设计更加趋于国际化，产品技术水平 4 第1 章引言 也将逐步与国际接轨，国内相关机构和有识企业对轮胎噪声的研究正在逐步深 入。2 0 0 5 年7 月初，全国轮胎轮辋标准化工作委员会( 简称：全国轮标委) 在 广东东莞召开全国轮胎轮辋技术委员会国家标准起草会议，全国各大轮胎企 业纷纷派出技术骨干参加，会议的主要内容之一就是探讨起草汽车轮胎噪声 测试方法国家标准的有关事宜。与会专家汇报了近期在轮胎噪声研究方面取 得一些成果，同时确定上海轮胎公司为汽车轮胎噪声测试方法标准的牵头 起草单位。 行业标准的制定一方面体现了一个国家在该行业的技术水平，另一方面对 整个行业内的企业发展也能起到一定的推动作用。相信通过各方的配合和努力， 我国轮胎企业在研发低噪声轮胎方面一定能够取得突破性进展，技术水平更上 一层楼。 1 2 轮胎噪声的特性 1 2 1 轮胎路面噪声的产生机理 一般认为，轮胎路面噪声的产生主要有以下几个途径h 1 ： ( 1 ) 轮胎振动 当运动的轮胎与路面接触时，一方面外胎质量和刚度的不均匀性以及路面 的粗糙性引起轮胎振动；另一方面，轮胎和路面的接触区产生切向力，部分切 向力导致轮胎在路面上的滑移引起轮胎外胎形变的摩擦粘滞力以及外胎的滑移 导致轮胎表面的振动，从而产生可听声。轮胎振动主要包括外胎面和轮胎侧壁 的振动，这两部分区域振动的幅度、频率及产生原因并不一样，由此辐射的噪 声也不同。图1 2 为一轿车轮胎在2 0 0 k p a 轮胎气压下的振动实验结果，激振源 位于外胎中心。在5 0 0 h z - 8 0 0 h z 频率范围内，轮胎侧壁的振动比外胎面稍强，而 在8 0 0 h z 以上的频率范围内，外胎面的振动远强于侧壁的振动。研究表明，轮 胎振动，尤其是外胎面的振动是产生轮胎路面噪声最重要的原因。 ( 2 ) 空气泵噪声 轮胎在路面行驶时，在轮胎路面接触区的前缘空气突然被压出外胎花纹 沟槽，在后缘突然被吸入沟槽，形成单极子声源。空气泵噪声与接触区前、后 缘瞬态空气体积流紧密相关，因此不同深度的沟槽、不同外胎面材料的劲度以 5 第1 章引言 及不同的外胎花纹图案对空气泵噪声都有一定的影响。 1 9 5 6 0 r 1 4 ( 2 0 0 k p a ) + 1 l1 0 d b 一吹 、 、 叭 一 、 ，| 7 、l l 乡卜胎面1 月l i 胎侧l 。、 1、 、 i 2 0 04 0 06 0 0 8 l o o o1 2 0 01 4 1 6 0 01 8 2 0 频率h z 图1 2 轮胎振动实验结果 ( 3 ) 空气动力性噪声 当轮胎滚动向前时，轮胎周围的气流受扰，在轮胎后部和路面之间产生涡 流，引起空气压力的变化，从而产生空气动力噪声与前两种机理相比较，空气 动力性噪声对轮胎路面噪声的贡献较弱。 1 2 2 轮胎噪声的传播 ( 1 ) 近场 据圆柱环模型理论，除了纵向波，轮胎表面振动模式的波长比空气中声波 波长小得多，轮胎周围介质在相邻区域内的运动反相，而且介质的压缩、扩张量 很小，因此轮胎振动本身的辐射效率很低。在轮胎路面接触区及其附近区域， 以下几种“放大效应 将提高辐射效率：号筒效应、腔体共振、亥姆赫兹共振。 号筒效应：如图1 3 所示，外胎表面和路面构成号筒状的半封闭空间，接 触区前、后缘的“目状 振动区位于号筒的喉部，因此在某一截止频率以上，外 胎的振动有效地被转化成声能向外辐射。结果表明，在截止频率以上的频率范围 内( 3 0 0 h z ) ，由于号筒效应轮胎噪声辐射可提高1 0 d b 以上。 腔体共振：在接触区内，外胎花纹间的沟槽与路面形成充气的管道腔体。该腔 体的共振会产生选择性放大作用。腔体共振没有号筒效应显著，但在光滑路面 上，在8 0 0 h z - 3 k h z 的频率范围内，放大作用约能达到l o d b 。 6 t 奇。 第1 章引言 亥姆霍兹共振：当外胎沟槽离开接触区的瞬间，沟槽内腔与喷口形成亥姆 霍兹共振腔，在较窄的频率范围内产生共振。亥姆霍兹共振的放大作用也具有 较强的频率选择性。 图1 3 轮胎前后缘的号筒效应 ( 2 ) 远场 轮胎与路面相互作用后产生的噪声向远场传播后，频谱特性并不保持一 致。向远场的传播与噪声源的方向性、路面的吸声特性等有密切关系。如果轮 胎噪声的频谱特性正好与路面的吸声特性相适应，则在远场的噪声级将会明显 降低。 1 3 轮胎噪声测试标准及方法简介 1 3 1 现行轮胎噪声测试标准及方法 关于轮胎噪声的测试方法乜1 ，国际标准化组织制定了新的轮胎噪声测试方法 国际标准i s 0 1 3 3 2 5 ：2 0 0 3 ，同时，国际上使用较多的还有其它几种轮胎噪声测试 方法标准，其中欧洲的e ud i r e c t i v e2 0 0 1 4 3 e c 以及e c er i l 7 、日本的t r i a s 卸等标准都具有一定的代表性。较新的轮胎测试标准还包括利用拖车进行近场 测试的i s o i1 8 1 9 2 ( d r a f t ) 草案。 另外，综合考虑欧洲和日本关于汽车噪声的规定及对轮胎路面噪声的测试 现状，1 9 9 3 年美国汽车工程协会对卡车轮胎路面噪声的测试( s a ej 5 7 ) 做了 新的扩展，以期使新的标准能普遍适用欧洲，日本和美国对汽车噪声规定的要 求，并提高测试的准确性和可重复性口1 。 由于轮胎噪声的产生机理较为复杂，并且外界存在的各种不确定因素对轮 7 第1 章引言 胎噪声都有一定程度的影响，所以到目前为止对于轮胎噪声的研究，还是以定 性研究居多。目前，国内外测试轮胎噪声的方法主要有以下几种：通过噪声法 ( p a s s b yn o i s em e t h o d ) ；拖车法( t r a i l e rc o a s t - b ym e t h o d ) ；实验室转鼓 法( l a b o r a t o r yd r u mm e t h o d ) 。 科研人员比较了通过噪声法、拖车法和实验室转鼓法这三种测试方法得到 的轮胎噪声测试结果，并对三者间的相关性进行了研究；之后，他们分别对该 三种测试方法进行了扩展，以期使它们变得更加简单易用、更容易理解，并且 降低对测试设备的要求；在报告中，他们还对测试用路面、测试拖车和转鼓表 面材质的选择进行了特别说明，指出：为了提高三种方法测试结果的一致性和 可比性，在实验室转鼓上进行测试时，最好在转鼓表面贴上一层仿真路面。 上述三种测试方法各有利弊。通过噪声法可以测试轮胎在实际使用中发出 的噪声，该方法对于不同种类的轮胎测试结果可比性较强，但对于不同种类的 汽车车型测试结果有一定的差异；拖车法可以对轮胎与路面间产生的噪声进行 近场测试，能够较好的屏蔽外界噪声的干扰，有利于分析轮胎在路面上产生噪 声的机理；而实验室转鼓法最适合用于对比同种轮胎、不同花纹产生的噪声， 但不同种类轮胎的测试结果之间可比性不强。 1 3 2 国内测试方法研究的进展 虽然国内关于轮胎噪声测试方法方面的研究起步较晚，到目前为止也已经 取得了一定的成果，其中具有代表性的就是上海轮胎研究所。该所于上世纪九 十年代即开始对轮胎噪声及其测试方法进行研究。2 0 0 3 年，上海轮胎研究所与 同济大学合作建立了轮胎噪声研究中心，并且建成了一个专门用于轮胎噪声测 试的半消声室，配备了轮胎噪声试验机床；轮胎噪声测试半消声室容积约1 2 0 立方米，为横向卧式结构，内部建有轮胎噪声测试专用转鼓试验机，最大可测 轮胎直径为1 3 米，轮胎最大载荷为5 吨，可对目前所有的乘用以及客车轮胎 进行噪声测试。 噪声采集和记录设备是从国外进口的仿真测试系统，保真度和还原度较高， 性能稳定测量结果可比性强。除了半消声室，还建有噪声主观评价室、轮胎模 态室等多间实验室用以低噪声轮胎的研制开发。 该技术中心通过不断的研究，摸索出一套完整的轮胎噪声测试及仿真研究 8 1 ：第l 章引言 方法，轮胎噪声测试已经基本达到程序化水平。到目前为止，已经完成了对数 十条不同轮胎的噪声测试，积累了大量数据，通过整理分析，着手编制数据库， 建立轮胎噪声的数学模型，编制分析及仿真软件，为制定轮胎噪声标准提供了 实验数据依据。 1 4 本文的主要研究内容 研究轮胎噪声的第一步就是要从测试轮胎噪声开始，为了得到统一的和具 有可比性的测试结果，就需要相关部门制定出统一的测试方法和标准，本课题 就是为了制定国内轮胎噪声测试的相关标准而进行的研究和探讨的一部分。 本课题来源于本学生所在公司对于轮胎噪声进一步研究的实际需要，以及 全国轮标委制定轮胎噪声测试方法国家标准的需要。本人所在公司对于轮胎噪 声的研究已有数年的历史，已经取得了一定成果，在国内该领域处于较领先地 位，是2 0 0 6 年轮胎噪声测试方法国家标准的牵头起草单位。通常情况下，轮胎 噪声测试方法大致可分为转鼓法、通过法和拖车法三种，前两种方法本学生所 在公司已经具备，所以选择第三种方法一拖车法进行试验研究。 本课题的目的就是要通过试验设计出一套运用拖车系统有效测试轮胎在路 面上高速滚动时产生噪声的方法。该课题的研究成果可以为进一步研究轮胎与 路面相互作用产生噪声的机理创造条件，为制定轮胎噪声测试方法国家标准提 供实验验证手段，为下一步制定轮胎噪声限值提供数据依据，以及为本公司研 发低噪声轮胎产品提供技术支撑。 本课题主要研究惯性条件下测试安装在拖挂车上的轮胎与道路之间发出噪 声的方法。所谓惯性条件是指在牵引车及拖车加速到一定速度后，关掉发动机 让牵引车和拖车自由滚动，此种方法有利于研究单个轮胎与地面作用产生的噪 声。本课题将要完成的测试方法对轿车轮胎和载重汽车轮胎都要适用。 在研究初期，首先对国外现有标准及类似设备进行研究，确立了该课题的 整体实施方案及思路。之后依据已有标准设计并制造出一套能够满足使用要求 的测试拖车系统，包括牵引车、拖车以及测试设备。在设计拖车时应顾及到不 同被测轮胎的尺寸及载荷差异，并且方便加载与卸载。拖车采用单轴系设计， 具有较长的拉杆与牵引车保持一定的距离。为了减少车辆本身对轮胎噪声的影 响，轮胎应当尽量暴露而没有挡板等覆盖物。 9 第1 章引言 在设计制造拖车的同时对牵引车也要进行适当的改造。牵引车选用动力强 劲的越野车等车型，以便于提供良好的加速和制动性能，但牵引车在自由滑动 的时候本身产生的噪声要尽量的低，换用低噪声轮胎，并且对轮胎及轮辋等部 位采取必要的降噪措施。另外，牵引车上要安装速度测量及速度控制装置，并 且达到一定的精度，以便于实验时车辆速度的稳定性和一致性。 实验场地也是本课题的关键研究因素之一。试验场地应选择广阔的水平区 域，在噪声源和声音采集设备之间自由声场的大小差异应该保持在较小的范围 内，在试验区域内没有大的反射物体，并且实验路面要尽量的平整并且均匀， 符合相关的标准。 实验轮胎要严格按照使用说明安装在标准轮辋上，并且经过整体平衡调整， 实验前，被测轮胎还要经过一定的磨合使用才能达到预定的要求。 在实验过程当中对气候条件、环境条件以及其他影响因素都要进行必要的 记录和研究，以便为形成测试方法收集足够的资料。 最后，通过分析实验结果对整个系统及试验方法进行修正，最终建立起轮 胎噪声拖车测试方法。 本课题拟采取的技术路线大致如图1 4 ： 图1 4 拟采取的技术路线 1 0 第2 章轮胎噪声拖车测试法介绍 第2 章轮胎噪声拖车测试法介绍 2 1 轮胎噪声测量的一般方法 如前所述，研究轮胎噪声、开发低噪声轮胎有着重要的经济和社会效益， 各大轮胎公司及科研院所纷纷开展此方面的工作。研究轮胎噪声的第一步就是 要从测试轮胎噪声开始，以了解其本质和特点，然后加以控制和改进。为了得 到统一的和具有可比性的测试结果，就需要相关部门制定出统一的测试方法和 标准，本课题就是为了制定国内轮胎噪声测试的相关标准而进行的研究和探讨。 轮胎噪声的产生机理较为复杂，在汽车轮胎的工作过程中，外界存在的各 种不确定因素对轮胎噪声都有一定程度的影响。其中包括道路条件的影响、安 装车辆的影响、轮胎使用条件的影响还有外部环境因素的影响等等。为了尽量 排除其它因素对于轮胎噪声的影响，目前国内外测试轮胎噪声的方法主要有以 下几种：实验室转鼓法、实车通过法和拖车法。经过多种试验手段，国外科研 人员比较了这三种测试方法得到的轮胎噪声测试结果，并对三者间的一致性进 行了研究；在研究报告中，他们还对测试用路面、测试拖车和转鼓表面材质的 选择等进行了说明。 上述三种测试方法是为了得到不同的测试结果而设计的，有着不同的用途， 各有利弊，其比较大致如下：实车通过噪声法可以测试轮胎在实际使用中( 实 车、实路) 轮胎与论面相互作用发出的噪声，该方法对于同一车辆上换装不同 种类的轮胎测试结果可比性较强，但对于不同种类的汽车车型，因为车辆本身 的影响不同，其测试结果也有一定的差异；实验室转鼓法最适合用于对比同一 轮胎、不同胎面花纹及不同胎体结构或者不同胎面材料所产生的轮胎噪声，但 不同种类轮胎的测试结果之间可比性不是很强，又因为本方法实施起来方便快 捷，所以该测试方法主要用于低噪声轮胎的开发和验证过程；拖车法可以对轮 胎与路面间产生的噪声进行远场及近场测试，其中进场法能够较好的屏蔽外界 噪声的干扰，有利于分析轮胎在路面上产生噪声的机理，从而为改进轮胎的低 噪声性能提供可靠依据。远场法拖车法大体上与实车通过法类似，对于试验用 场地及试验环境的要求也是相同的，最大的不同在于被测轮胎安装在专门设计 1 1 第2 章轮胎噪声拖车测试法介绍 的试验拖车上，拖车由牵引车牵引滑行，从而尽量排除车辆本身对于轮胎噪声 测试结果的影响，加强不同轮胎测试结果之间的可比性和可评价性。该方法是 本课题研究的主要对象。 2 1 1 室内转鼓法 室内转鼓法测量的是轮胎噪声的近场结果。需要在轮胎转鼓实验室中进行， 此种试验室一般设计为半消声室，半消声器内五个壁面铺设吸声材料，保留转 鼓所在的壁面或者地面模拟实际路面的声学效果。试验过程中，经过预热后的 待测轮胎按预定的转速及载荷在安装有模拟路面( 或者光面) 的刚制转鼓上滚 动，同时用声学仪器测量记录其发出的噪声级及频谱。试验中传声器的位置距 离轮胎中心平面l m ，离开转鼓表面0 2 5 m 。传声器的放置如图2 1 西1 所示， h 吾下 鲶 f o 图2 1 室内转鼓法传声器位置 与其他几种测试方法相比，室内转鼓法具有很多明显的优点嘲：受气候及 天气条件的影响最小；测试结果的重复性最好；室内测试可进行长时间平均； 可减少随机误差；提高信噪比；如果整个转鼓表面的模拟路面结构一致；则 测试结果的可比性较好；试验轮胎数目最少( 仅需1 条) ：由于无多普勒效 应；故此方法特别适于通过窄带频谱分析进行轮胎噪声机理的研究；测试方 法简单、易行、快捷；所以目前国外许多轮胎、汽车生产厂家及研究机构大都 采用该方法。如日本汽车标准组织1 9 8 1 年将室内转鼓试验法定为单胎噪声试验 标准，其中规定转鼓直径为3m ，转鼓转动的本底噪声至少低于同速度下轮胎噪 声1 3d b ( 舢，测量轮胎分别以3 0 , - - - - 1 1 0k m h 的速度运转，测量记录轮胎旁侧1 m 的a 计权声压级。另外，在转鼓测量试验中，可结合声强法、全息法等方法寻 第2 章轮胎噪声拖车测试法介绍 找出轮胎噪声产生的主要区域和传播方式，有利于低噪声轮胎的开发研究工作。 正因为这些优点：且所测a 计权声压级及2 5 0 - 50 0 0h z 范围的1 3 倍频 程与其它3 种室外现场法所测结果具有较好的相关性。 轮胎噪声室内转鼓法的不足之处在于：试验室需要配备转鼓装置和半消声 室，构建和运行成本比较高：另外虽然可以采取隔离法等尽量降低转鼓试验机 的本底噪声，但转鼓装置的噪声还是对测量结果有着不可忽视的影响：并且该 方法只能得到轮胎噪声的近场测量结果，而不能研究轮胎噪声的远场传播特性； 再有，转鼓上模拟路面的选择及转鼓表面的曲率对测量结果影响都比较大，因 此影响了测量结果的可靠性及与其它两种轮胎噪声测试方法的可比性。另外， 由于轮胎噪声存在较强的指向性，此方法所测的近场值，不能代表实际车外远 场噪声对行人的实际影响，且转鼓有一定曲率，轮胎跟转鼓与其跟实际路面所 形成的喇叭口形状不同，则此时喇叭口声音“放大”效应与实际路面行驶时有 所不同。 图2 2 是上海轮胎橡胶集团出资在同济大学声学研究所建立的轮胎噪声转 鼓实验室订】。该实验室所使用的是国产1 7 m 转鼓试验机，实验室整体为卧式结 构，被测轮胎安装在半消声室中，最大可测轮胎直径1 3 m ，最高试验速度为 2 4 0 k m h ，基本能够常用轮胎规格的噪声测量要求。 图2 2 轮胎噪声转鼓试验机和半消声室 图2 3 为在上述转鼓试验室内测得的轮胎噪声1 3 倍频程分析结果，轮胎规 格为l1 r 2 2 5 ，图中给出了三种不同速度下的测量结果，测试时使用标准轮胎载 荷的8 0 作为轮胎负荷。从图中可以看出，该规格轮胎各速度下噪声声压级的峰 值都出现在1 0 0 0 h z 左右，随着测试速度的提高，轮胎的声压级也在逐渐增加， 第2 章轮胎噪声拖车测试法介绍 1 2 0 k m h 时峰值声压级达到8 4 d b 。 9 0 0 0 亩t o 磊6 0 5 0 4 0 。一 - 一4 0 k l hl 一心一g o b v hl 入、八 - 卜1 2 0 1 m h l p 卜仓，乙、：獭 二，二y 一。、? i h 分一。 。 1 8 0i 笛2 0 03 坫5 啪1 2 硒2 03 l 脚5 o $ f l o o l 饵，) 图2 3 转鼓试验室内测得轮胎噪声1 3 倍频程频谱 2 1 2 实车滑行法 实车滑行法是测量轮胎安装在实际车辆上，在正常使用情况下所产生轮胎 噪声的一种方法，可以用来评价轮胎噪声在车辆总体噪声中所占的比重，并且 有利于研究轮胎噪声对环境噪声污染的情况。该测试方法中使用的是安装有待 测轮胎的普通车辆，车辆不需进行改造。 实车滑行法的详细测试要求和实验步骤可依据国际标准i s 0 1 3 3 2 5 中的规定 进行h 1 ，实车滑行法的试验场地如图2 4 所示，测试用的道路须要符合国际标准 i s 0 1 0 8 4 4 的各项要求。试验过程中，待测轮胎( 4 个或者更多) 安装在与之相 匹配的汽车上，轮胎气压、负荷及使用状态都必须严格符合相应标准的要求。 传声器的位置如图2 4 中所示，对称垂直地放置在距离路段中心线7 5 m 处，距 离路面高度1 2 m 。测试车沿测试路段的中心线行驶，按预定的速度驶入测试区 域，并且停机滑行经过传声器，记录整个滑行过程中的轮胎噪声a 声级的最大 值。滑行过程中要关闭发动机，而且断开离合器，以降低发动机及其传动系统 的噪声影响。滑行车速也必须根据被测轮胎的类型严格按照测试方法标准设定， 一般测试速度范围为7 0 9 0 k m h 。 为了尽量减小外部环境对于测试过程和测量结果的影响，要求距离测试路 段中心5 0 m 范围内不能有大的声反射物，并且测试场地要远离交通区域，以满 足背景噪声低于被测噪声l o d b 的要求。 j 眷 - 第2 章轮胎噪声拖车测试法介绍 图2 4 实车滑行法场地布局 实车滑行法的最大优点就在于：这种方法的结果能够很好地表征轮胎路面 噪声的产生及其向外部远场辐射的实际情况，而且通常都能达到较高的测量精 度，可以用于检测轮胎噪声对于车辆整车通过噪声的贡献。 但实车滑行法也存在着一些缺点：实车滑行法需要有符合一定标准的测试路 段；测试过程及测量结果受外部环境影响较大，尤其是气候条件的变化；试验 必须在远离交通区域的场地进行，该条件在某些较大城市附近比较难于满足； 还有一点就是，该试验方法只能对整车上所有轮胎产生的噪声总和进行测量， 而不能对单个轮胎产生的噪声进行测量，这样影响了不同车辆不同轮胎测试结 果间的可比性。 图2 5 为实车测试法的一般性统计结果，其中包括乘用车、轻型卡车和重型 车的测试结果，从图中可以看出，轮胎噪声随车速、轮胎载荷、以及轮胎尺寸 增大而增加。 图2 5 实车测试法的统计结果 第2 章轮胎噪声拖车