（声学专业论文）低噪声轮胎的试验研究.pdf

中文摘要 中文摘要 本文是结合上海市科委“轻卡低噪声轮胎试验研究”项目完成的，论文 系统地介绍了低噪声轮胎的开发过程，开发的轻卡低噪声轮胎将投入批量生产 和应用。该研究对于降低城市交通噪声具有重大理论和实际意义。 本文系统深入地研究了轮胎噪声的研究现状和发展方向、轮胎噪声分类和 产生机理。结合“上轮一同济轮胎噪声与振动技术中心 低噪声轮胎的设计开 发经验，提出了低噪声轮胎的开发流程和试验规范。根据轮胎花纹节距的优化 设计，通过仿真计算优化出低噪声轮胎，并进行人工刻制轮胎花纹。分析了轮 胎噪声测试条件和方法，进行了轮胎噪声的测试。 研究了速度、载荷、气压、节距、沟槽宽度、橡胶材料等参数对轮胎噪声 的影响规律，采用a 声级、1 3 0 c t 、f f t 频谱等客观评价量对试验结果进行了分 析，为低噪声轮胎的设计提供了理论依据。 在低噪声轮胎的优化设计上，分析了国内外轮胎噪声的评价量和评价标准。 在实际优化设计时，采用了轮胎噪声主观与客观相结合的综合评价方法，通过 主观和客观评价确定了低噪声轮胎花纹结构。 关键词：轮胎，噪声，试验，主观评价，客观评价 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do no u rp r o j e c ta n de x p e r i e n c e ，w h i c hc o o p e r a t e s 、析t h s t a r ct od e v e l o pt h el o w e rn o i s et i r e t h el o w e rn o i s et i r e sw i l lb ea p p l i e do ns o m e b u s e si ns h a n g h a i i tw i l lh a v eam a g n i f i c e n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo n r e d u c i n gt h et r a f f i cn o i s ei nc i t y t h en e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo ft h es t u d yo ft i r en o i s e ，t h ed e v e l o p m e n to ft i r en o i s e s t u d ya n dt h ep r o c e d u r eo fh o wt or e s e a r c ha n dd e v e l o p ( r & d ) l o w e rn o i s et i r ea r e p r e s e n t e da tb e g i n n i n g t h e t i r en o i s ec a t e g o r ya n dm e c h a n i s m ，e s p e c i a l l yt h e i n d u c t i o no ft h ed i r e c ta n di n d i r e c tn o i s ea r es t u d i e d 。t h ec r a f to ft i r e - c a r v i n ga n d m e t h o d so ft i r en o i s et e s t i n g ，e s p e c i a l l yt h el a b o r a t o r yd r u mm e t h o da r ei n t r o d u c e d t h eh i g h l i g h to ft h ee s s a yi sp r e s e n t e d t h ep a n e mp a r a m e t e r sa n do p e r a t i o n c o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gl o a d ，i n f l a t i o np r e s s u r ea r es t u d i e d l p ( a ) ，s p e c t r u mo f1 3 0 c t a n df f to ft i r en o i s ea r es t u d i e d t h u s ，s o m es u g g e s t i o no nt h eb e s tp a t t e r nd e s i g ni s r e c o m m e n d e d t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so fe v a l u a t i o na r ei n t r o d u c e d t h ec r i t e r i aa n ds t a n d a r d s ， s u c ha sl p ( a ) ，l o u d n e s sa r ec o m p a r e d ，t h ec r i t e r i ao fe v a l u a t i o na b o a r da r ea l s o i n t r o d u c e d t h ei n t e g r a t i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，n a m e da so b j e c t i v e & s u b j e c t i v e m e t h o d ( o s m ) w a sa p p l i e di nt h eo p t i m i z a t i o n ，a n dt h el o w e s tn o i s et i r ew a sc h o s e n b y t h i sm e t h o d s i n c et h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nl o u d n e s sa n ds u b j e c t e v a l u a t i o nr e s u ri sh i g h ，i ti sc o n c l u d e dt h a ti ti sp o s s i b l et oe v a l u a t et i r en o i s eb y l o u d n e s so n l y t h ea u t h o rs u m m a r i z e dt h ed i s s e r t a t i o na n dp o i n to u ts o m ei n s u f f i c i e n c yo fi t ，a n dt h e f u r t h e rs t u d yi ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：t i r e ，n o i s e ，e x p e r i m e n t ，o b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，s u b j e c t i v ee v a l u a t i o n 1 v 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。 学位论文作者签名瓣 占矿年岁月圳 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 年月日 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。 i i 诎咽 ，彳旷 即一 名 ； 獬岁 舜 一 第1 章引言 第1 章引言 1 1 轮胎噪声研究的必要性 随着汽车工业、高速公路和城市高架道路的飞速发展，机动车辆产生的噪 声已经成为环境噪声的主要来源，并且越来越多地影响到城市居民的同常工作 和生活。因此，国，卜一些工业发达国家自6 0 年代起就对车辆噪声给予足够重视， 制定了相应的法规和标准。如联合国欧洲经济委员会( e c e ) 、欧盟( e u ) 、日 本、美国等主要国家和地区，从7 0 年代起每3 0 年就修订一次相关的法规和标 准，各种车辆噪声的限值有了大幅度降低。我国从1 9 7 9 年开始着手汽车噪声控 制方面工作，并且陆续颁布了汽车定置噪声限值( g b l 6 1 7 0 1 9 9 6 ) 和汽车 加速行驶车外噪声限值及测量方法( g b l 4 9 5 2 0 0 2 ) 及汽油机、柴油机等噪声 限值及测量方法等标准“1 ，以期使我国机动车噪声标准与世界同步。2 0 0 5 年1 月1 日开始北京开始实旌欧i i i 排放标准，对小汽车的噪声排放限值由7 7 d b ( a ) 降到7 4 d b ( a ) 。一系列标准实施对行业主管部门控制汽车噪声、促进生产企业和 社会公众提高环保意识起到了积极作用。 机动车辆产生的噪声是一个包括各种性质噪声的综合噪声源其主要噪声 源可以分为：来自于车辆的传动系统噪声、动力系统噪声、进排气系统噪声和 轮胎与路面的接触噪声( 轮 胎噪声) 等几部分。传统上， 汽车工程师一直把注意力排曼系耋麓 集中在降低发动机系统和 传动系统噪声上，且通过采 取隔声、吸声、消声等降噪 措施已使其车内噪声降到 了相当低的程度。1 。而由于 车辆的行驶速度大大提高， 轮胎噪声显著增加，一般当 车辆行驶速度在5 0k m h 以 上时，轮胎与路面的接触噪 图i1 车辆噪卢的并部分比重 第1 章引言 声将是车辆噪声的主要成分之一口1 ，占整车噪声的3 0 左右，见上页图1 1 。轮 胎噪声已成为现代汽车非常重要的噪声源之一h 儿副。如何降低汽车轮胎产生的噪 声已经成了目前急待解决的重要课题。 轮胎噪声一方面影响汽车的舒适性。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的平顺性能和舒适性：尤其对于现代汽车， 高速行驶时的噪声已经主要由轮胎产生，轮胎的直接和间接噪声已经成为影响 车内噪声的主要因素之一。目前国外各大汽车公司都开展了对轮胎噪声的研究， 并对配套的汽车轮胎提出了包括噪声在内的诸多要求，如通用、丰田等汽车公 司。国内外汽车公司也对我国企业的配套轮胎提出了诸如轮胎噪声、操纵稳定 性及包络特性等多方面的严格要求，轮胎作为一个重要的部件现在越来越受到 更多的重视。米其林公司2 0 0 4 年4 月6 日在我国推出了其最新产品p i l o t 系列轮 胎，低噪声是其重要性能指标之一。 另一方面轮胎噪声严重危害城市居住声环境。由于城市高架和高速道路的 发展，使城区内的车速得以提高，这样就使原本在郊区高速公路上才会出现的 轮胎噪声现在严重影响城市居住声环境。 以上海市为例，上海已经建成和在建的高架道路有外环线、中环线、内环 线和南北高架。外环线的设计时速为8 0 k i n h ( 此时轮胎噪声已经是车辆噪声的主 要成分) ，为围绕上海市的外围交通干道；内环线的设计时速为4 0 6 0 k m h ，是 上海市中心城区的主要干道，环绕人口高度密集的城市中心。由于交通需求的 增加，2 0 0 4 年初又在兴建中环线，其设计时速为8 0 k m h ；南北高架设计时速为 8 0 k m h 。高架道路的发展一方面提高了城市的交通运量；另一方面三圈环状的 高架道路像日夜不息的高音喇叭不停地向城区辐射噪声，严重影响城镇居民的 生活环境，居民对于交通噪声的不满意程度日益增加。城市内部的噪声治理面 临日益严重的压力，为治理交通噪声的费用逐年增加。 为解决这些矛盾，并适应“2 0 1 0 年上海世界博览会”的需要，上海市市科 委及相关部门成立了重大科研项目“低噪声沥青混凝土路面及混凝土材料研究 与示范”、“轻卡低噪声轮胎的试验研究一和“降噪吸音沥青路面应用研究 。在 这种形势下，作为我国轮胎行业龙头企业的上海轮胎橡胶集团( 上轮) 与同济 大学声学研究所强强联手，成立了“上轮一同济轮胎噪声与振动技术中心”，开 展了轮胎噪声与振动方面的研究，以期在低噪声轮胎的研究中取得突破性进展。 2 第1 章引言 1 2 轮胎噪声的研究意义 对轮胎噪声及振动试验和机理的系统研究，有利于轮胎与车辆整车系统的 减振降噪，同时也是提高我国轮胎行业制造水平的必然要求。研究表明，轮胎 花纹噪声是影响轮胎噪声的主要成分呻1 ，降低花纹噪声首先必须了解轮胎花纹的 发声机理，找到花纹结构参数与花纹噪声之间的关系，进而建立科学而实用的 轮胎噪声数学物理模型。据此编制相关软件程序，通过该仿真程序运算，对所 设计的轮胎花纹方案进行计算机仿真分析、客观与主观评价、方案比较和优化 设计，最终可设计出低噪声轮胎并投入生产。 本课题在总结分析轮胎噪声产生的机理的基础上，用试验的方法研究轮胎 运行因素及花纹设计参数与轮胎噪声的关系；以期通过理论和实验结果的分析， 建立轮胎花纹参数，胎压、负荷、速度与噪声的关系，为轮胎噪声的定量计算 和分析建立基础。 ，- ， 其实用价值在于借鉴国外对轮胎噪声研究的经验与成果，并结合同济大学 声学研究所和上轮轮胎研究所在汽车噪声及振动控制、轮胎与汽车声品质主观 评价等方面的研究成果，力求在轮胎花纹的低噪声设计、轮胎噪声的试验、主 观评价等方面积累经验，为本领域的研究做出有意义的工作，并由此确立在该 领域的领先地位。当轮胎花纹结构参数与其辐射噪声的关系一旦建立，则可以 通过用计算机语言编制程序，为轮胎的计算机辅助设计提供依据，提高轮胎花 纹设计的可靠性和效率。课题的研究成果将实际应用于上海轮胎橡胶集团的新 产品开发中，将提高我国轮胎行业的轮胎新产品的设计、制造水平并缩短研发 周期。 1 3 轮胎噪声的研究进展 本节在系统分析了国内外轮胎噪声的研究现状的基础上，从轮胎噪声的发 声机理、测试方法和评价方法等几个方面综述了轮胎噪声的研究进展。 1 3 1 轮胎噪声理论的研究进展 对轮胎噪声从理论上进行量化模拟预测计算是从7 0 年代开始的，在此之前， 轮胎噪声的研究多采用试验手段，缺乏对噪声机理的细致理论分析。 第l 章引言 1 9 7 1 年，r e h a y d e n 首先认识到空气泵吸( a i rp u m p i n g ) 机理是轮胎主要 噪声机理。他将简单轮胎花纹沟槽视作一个单极子源，利用一些基本几何计算 得出花纹沟声压级的半经验公式，用该公式对一些花纹轮胎进行计算，结果与试 验结果符合较好吲。但是r e h a y d e n 公式真正解决轮胎花纹噪声预测仍有困难： 一是变形引起的沟槽体积变化无法准确给出，因为这跟轮胎的充气压强、载荷 及车速有关；二是该公式并没有考虑到沟槽角度( 即沟槽相对于轮胎侧壁的角 度) 的影响；而实际表明，角度是影响花纹噪声的一个关键参数，特别是对横 向沟槽呻1 。 横向花纹噪声机理的另一个显著特点是沟槽内的气柱共鸣声。当轮胎在路 面上滚动时，在接地时沟槽受到挤压空气被排出；在离开地面时空气被吸入， 这样可以把沟槽看成是管子之类的气柱。当空气柱的固有频率和花纹间距频率 一致时，那么就发生空气柱共鸣现象，轮胎噪声恶化口1 。 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：气柱共鸣噪声与气泵噪声是横向花纹沟槽噪声的两大机制随1 。 空气扰动噪声主要是由于轮胎高速滚动时引起其周边空气压力变动而产成 的噪声，这种噪声不是轮胎噪声的主要声源，只有在速度达到一定( 2 0 0 k m h ) 时才对轮胎噪声有所贡献。 8 0 年代，人们对轮胎噪声的研究进入实际测试和定性研究阶段。随着物理 学和振动理论的发展，根据流体结构相互作用的经典理论，若已知轮胎的振动 方式，结合辐射边界条件，就可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 年代末以来，许多学者相继建立了轮胎动态特性模型， 开始了轮胎动态特性的理论研究。 1 9 8 8 年，v i n e s s ee 和n i c l l e th 利用二维薄壳模型研究了滚动轮胎的弯曲 振动波在轮胎内部的传播峥1 。1 9 8 9 年，k r o p pw 利用b o e h e m 提出的圆环模型 建立了光面无负荷轮胎的模型0 1 。 随着计算机的迅速发展，人们开始借助计算机模拟技术对轮胎噪声进行预 测和分析。在对胎面花纹的噪声研究中，把胎面花纹的几何形状详细地描述给 计算机，即将胎面设计数字化，用一个点的矩阵来表示，将每一个胎面元素发 出的噪声沿圆周进行时间合成得到胎面花纹的总噪声的时域曲线( 或序列) ，再 利用快速傅利叶变换得到其频域曲线，并可转化成可听的声音进行主观判断乜1 。 4 第1 章引言 1 9 9 2 年，n a k a j i m a 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3 ，即用有限元对轮胎结构的动态特性进行计算，同时 结合模态试验分析得出轮胎的固有振动模态，并根据胎面花纹和些简化条件 计算出轮胎表面的振动速度，利用声场辐射的亥姆霍兹积分方程和边界元，可 以得出轮胎辐射噪声的声压、声强分布和噪声的贡献率。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。 1 9 9 6 年，在研究轮胎路面噪声机制时发现，由于牵引力矩及路面粗糙度引 起的激振力是导致轮胎接地区“目状振动点”振动的主要原因，而当“目状振 动点 处于轮胎与地面接触形成的“咽喉”位置时，振动声源由于“喇叭效应 而放大u 引。 h i r o s h iy a m a u c h i ，y a s u j ia k i y o s h i 等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的固有频率来控制轮胎内部空腔共振噪声的方 案引。 1 9 9 9 年，日本学者t a k a y u k ik o i z u m i 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机制之一n 铂 n 引，并提出了一个“轮胎路面接触模型( t i r e r o a dc 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，用这个模型来估算胎面振动与实际测量的振动结果有 较好的一致性。 目前国内外对轮胎噪声的研究主要集中在轮胎模态的有限元计算及试验分 析、轮胎噪声与振动关系的实验研究、轮胎花纹排列顺序及节距对噪声的影响 等方面。 1 3 2 轮胎噪声测试方法的研究进展 由于轮胎噪声发生机理较为复杂，且大多由于外界不确定因素的存在只能 定性研究而很难对其进行定量预测，并且在汽车高速行驶时，车辆噪声主要来 自于轮胎噪声；因此依靠试验的方法，得到轮胎噪声的声压级和声强，就显得 十分重要。目前国内外对轮胎噪声的测试方法主要有n 6 盯训： 1 通过噪声法( p a s s b yn o i s em e t h o d ) ； 2 拖车法( t r a i l e rm e t h o d ) ； 第1 章引言 3 拖车惯性滑行法( t r a i l e rc o a s t b ym e t h o d ) ； 4 实验室转鼓法( l a b o r a t o r yd r u mm e t h o d ) 。 u l fs a n d b e r g 和j e r z ya e j s m o n t 比较了拖车法、通过噪声法和实验室转鼓 法等三种测试方法，认为三种测试方法有较好的一致性，并对这三种测试方法 进行了扩展，以期使这三种测试方法变得更简单易用、更容易理解及对仪器和 设备要求不太高；并对路面、测试卡车和作为参考路面的转鼓表面的选择给以 了特别的关注。同时提出，为了提高三种测试方法测试结果的一致性，在实验 室转鼓测试时最好在转鼓表面贴上一层“仿制路面”( r e p l i c a t e dr o a ds u r f a c e ) n 刚。 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( s a e ) 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啪，。 1 3 3 轮胎噪声评价方法和评价标准的研究进展及发展方向 轮胎噪声的评价目前没有统一的标准和十分权威与科学的评价指标，通用 的是用a 计权声压级和1 3 倍频程频谱图。但是研究发现a 声级及其1 3 倍频 程频谱图并不能反应人们对声音的主观感受。例如：某交响管弦乐的a 声级及 其1 3 倍频程频谱图可能和人们听起来感受完全不同的发动机的声音接近。因 此，如何把声音的客观评价量和主观评价量结合起来对声音做出全面的评价是 声学工作者的一个主要任务瞳刚。国内有学者在研究国外的评判标准的基础上，提 出了“三线一图”评价尺度，即：花纹噪声频谱曲线接近白噪声频谱线； 频域声能量均衡线低而平直；时域声中心能量分布均衡线低而平直：声强 度波形分布均匀而平直幢。其合理性尚待商榷。 随着心理声学的发展，近年来对声品质( s o u n dq u a l i t y ) 研究有了一定的进 展，用主观评价的方法对轮胎噪声进行评价也己取得初步成效。 轮胎噪声研究的发展方向表现在两个方面：一是花纹的计算机辅助设计， 即通过研究花纹参数与轮胎花纹辐射噪声的关系，找到花纹参数与辐射噪声的 经验公式，把研究结果用于仿真软件，使轮胎花纹噪声的预测达到精确化；二 是对轮胎噪声的评价，找到既能反映轮胎噪声本身特点又能反映人对噪声的主 观感受的评价标准和评价方法。 6 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 汽车是一个复杂的声源，其主要噪声源包括：发动机噪声、传动系统噪声、 进气和排气系统噪声及轮胎噪声。在不同的运行状况下各主要噪声源贡献不同； 但是汽车在高速时一般认为轮胎噪声是其主要成分比划。汽车在行驶过程中特别 是高速行驶时，由于轮胎与路面的相互作用会辐射出较大的噪声，这些噪声将 严重地影响人们的日常工作和生活。从根本入手，了解轮胎噪声的分类与发生 机理，有助于我们找到降低轮胎噪声的适当方法；从而解决或者缓解由汽车轮 胎所带来的噪声问题，改善交通声环境，同时提高汽车的乘坐舒适性。 2 1 轮胎噪声的分类 汽车轮胎产生的噪声一般分为两种( 图2 1 ) ：一种是从轮胎直接辐射出来 的噪声，称为直接噪声或车外噪声，对环境产生影响的主要是这一部分噪声。 另一种是轮胎直接或间接地成为激振源，振动通过悬架和车架传至车身，成为 车厢内的噪声，这样的噪声叫做间接噪声，也称为车内噪声，它主要影响汽车 轮胎共振路面不平噪卢轮胎不均匀 自激振动噪声 花纹沟噪声花纹块噪声 i i 士 、，0 窄气素流噪声，宅气柱共鸣噪声泵浦噪声 摩擦噪卢掩击噪声 图2 1 轮胎噪声的组成和分类 7 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 的乘坐舒适性。 一 用于大型、中型载重车的轮胎和高速行驶的小汽车轮胎，直接噪声占据汽 车噪声的分量很大，因此对沿路居民造成了严重的噪声公害，甚至发展为广泛 的社会问题。故对轮胎噪声来说，一般指的就是直接噪声，本文将着重研究汽 车轮胎直接噪声。根据噪声产生的原因，直接噪声又可分为花纹噪声和轮胎振 动噪声。 2 1 1 花纹噪声 对于横向花纹沟槽轮胎，轮胎花纹包括花纹沟槽和介于其间的花纹块，而 纵向沟槽则是花纹沟槽和花纹带相间的，见图2 2 。花纹沟槽和花纹块噪声产生 的机理不同，这可以从以下方面来分析。 图2 2 轮胎花纹 一、花纹沟槽噪声 花纹沟槽主要是由于轮胎与路面接触时，胎面花纹沟槽的容积发生变化， 导致空气被挤出或流入沟槽时产生噪声，因此这种噪声通常也叫排气噪声。其 组成有三： 泵浦噪声：这是由空气在轮胎与路面接触时空气被快速的挤出和吸入时产 生的，类似于将一个“抽空杯子”( s u c t i o nc u p ) 的盖子快速打开，导致空气迅 速跑进杯内而产生的“爆扑( p o p p i n g ) 噪声博； 空气柱共鸣噪声：胎面花纹沟槽与路面组成类似管子形状的结构，当气流 进入管子时，管中气柱在某些频率下就会发生共鸣现象，形成气柱共鸣噪声。1 ； 空气紊流噪声：对于高速运行的轮胎，由于轮胎滚动在轮胎周围产生空气 8 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 的乱流，引起音压变化而诱发的噪声盯1 ： 二、花纹块噪声 撞击噪声：这是由于轮胎高速运转时花纹块撞击路面产生的噪声。 2 1 2 轮胎振动噪声 轮胎振动噪声根据不同的产生原因可以分为以下几种： 轮胎结构振动噪声：每个轮胎都有自己固有的振动特性， 和轮胎固有频率接近时轮胎产生共振，辐射结构振动噪声； 路面不平噪声：由于路面不平引起轮胎振动产生的噪声， 振动噪声； 当外界激励频率 包括胎冠和胎侧 不均匀性振动噪声：由于轮胎制造工艺水平限制，使轮胎不均匀( 质量、 刚度分布不均匀) 增加，那么在高速运行时轮胎在周期性力作用下与路面相互 作用产生不均匀性振动噪声； 自激振动噪声：当汽车急速起动、急刹车和急转弯时轮胎胎面元素相对于 道路表面发生的局部自激振动，由此产生的刺耳响声，又称尖叫噪声； 间接噪声是轮胎作为间接的振源引起车身结构振动辐射的噪声，那么所有 引起轮胎振动的因素都同样是间接噪声产生的原因。如以轮胎的不均匀性为主 要原因，使得轮胎本身成为激振源，振动由悬架和车架传至车身而产生的噪声； 路面的不平度使得来自路面的激振输入成为主要原因，引起轮胎的弹性振动传 至车身而产生的车内噪声n 耵昭引。 由于间接噪声影响的是车内环境，因此在声源控制上主要是优化轮胎的结 构和材料设计，使轮胎在接地面挠曲变形时要求满足一定的包络特性；同时提 高轮胎的均匀性和平衡性。在阻断间接噪声的传播途径上，主要利用一些减振 材料和吸声、隔声材料，降低轮胎产间接噪声传到车内。合理优化匹配轮胎与 悬架也可以降低轮胎振动噪声，这在轮胎与整车配套时尤为重要心5 1 。 2 2 胎面噪声机理分析 要对轮胎花纹噪声进行有效控制，必须深入了解轮胎花纹的发声机理，建 立实用的轮胎噪声数学模型。由于目前对轮胎噪声产生的机理只能作一些定性 9 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 分析和简单的定量计算，轮胎噪声数学模型过于简化，忽略了许多影响因素和 参数；因此在实际应用中，产生过轮胎试验结果与仿真结果不相符合情况。因 此，有必要对轮胎噪声的影响因素及产生机理进行深入的研究，提高我们对轮 胎花纹的设计能力。 轮胎噪声的引起的原因较多，不同性质的噪声其发生机理是不同的。由于 受到轮胎、车辆、行驶状况及路面性质等较多不确定因素的影响，对轮胎噪声 的定量研究比较困难，目前还没有关于这方面的比较完善的理论与计算方法。 轮胎噪声主要是来自于胎面花纹噪声和轮胎弹性振动辐射噪声，这里着重 对这两种噪声发生机理进行简单分析。 2 2 1 胎面花纹噪声 花纹噪声一直认为是轮胎噪声的主要成分，尤其是横向花纹沟槽轮胎。研 究表明：对于横向沟槽，泵浦噪声和空气柱共鸣噪声是主要发声机理】。 一、泵浦噪声 。 1 9 7 1 年h a y d e n 首次提出空气泵( a i r p u m p i n g ) 原理，指出空气泵是横向花纹 轮胎的主要噪声机理口1 乜6 1 。当轮胎接触到地面时，胎面花纹受到路面的挤压， 花纹块向两端延伸导致花纹沟槽被压缩，沟槽内的空气体积减小而压力增大， 空气被挤出；当轮胎胎面离开路面时，沟槽体积恢复原状，槽内空气压力变小， 周围空气被吸入沟槽内，这样导致的快速流出流入的气流形成轮胎噪声，如下 页图2 3 。该噪声类似于将一个“抽空杯子 ( s u c t i o nc u p ) 的盖子快速打开，导 致空气迅速跑进杯内而产生的“爆扑 ( p o p p i n g ) 噪声，因此这种噪声又被称为 泵浦噪声。 由于胎面花纹种类较多，花纹的各种参数也不尽相同，因此产生的花纹噪 声的大小和频率特性差异较大。为了实用起见，h a y d e n 在大量实验基础上提出 了如下计算噪声声压级的经验公式盯1 ： s p z ( r ) = 6 8 5 + 2 0 1 0 9 ( g w s ) + 1 0 1 0 9 n + 2 0 1 0 9 ( f c ) + 4 0 1 0 9 v 一2 0 l o g ( r ) ( 2 1 ) 式中： s p l ( r ) 声源到观测点的声压； g 、w 、j 、胛分别为胎面的沟深、沟宽、圆周方向的宽度和沟数； l o 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 声为由变形引起的沟体积的变化。 ，为轮胎的滚动速度； 由于轮胎噪声的泵浦效应是周期性的发生的，所以等节距花纹轮胎所形成 的噪声基频为： 厂= 旦 。 7 2 n r ( 2 2 ) 雾墨簧嚣：薯囊誊i 嵛蘧二3 稿n j 笔：i 。；：j 。一：；：。? ：! 日uj 茁i ： ，：；：；：二i ：；5 ；：；：0 ：j 皤l 鼍_ = 絮t ： 。z ；：yj ：二：j7 ：；：。 、；：j ：i ：j 互；：i ；并；j 毪：。：# ：z ；i ；j ；努j ； f f oo ：i ：? ：珏! ：一? i7 ；? z ；一s 一：。：够7 i ：? 7 j ! 孽摹蛰等纛墨；囊妻雾囊委 、q ：i ：。：x ? j ：；。；：j ：0 。 腼块絮兰妒严鞴 空气迅速压缩。 着地前部 图2 3 空气泵原理 式中： 轮胎噪声基频； v 为汽车行驶速度； 2 轮胎圆周上的沟槽数； 尺轮胎的有效半径。 根据以上公式，h a y d e n 对纵沟和横沟花纹轮胎进行了计算，计算结果与实 验结果比较一致。但是空气泵机理将轮胎接地前后缘的空气泵噪声视为简单的 单极子源，而且在计算噪声声压级时将所处声场视为半自由声场，与轮胎所处 的实际复杂声场相差较远；因此，该理论的计算值还是有一定的局限性。 随后，不少人都对空气泵原理进行过研究。s e s a m u e l s 和r j a l f r e d s o n 心7 1 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 将h a y d e n 的模型进行了改进，他们针对一个相对简单的胎面设计( 由纵沟和横 沟组成，其深度和宽度相等，纵沟、横沟均匀分布) ，假定噪声源在接地区前后 缘的纵横沟交汇处，将其视为是一系列等强度的单极予源，接地痕迹前、后沿 上的两排单极子源分别同相位( 但前后沿处的两排单极子声源可以有任意相对 的强度和相位差) ，轮胎噪声为各个单极子源噪声的合成，总声压为： p 2 心悸鲁膨训 眨3 ， 式中： 第，? 个声源强度； 第拧个声源离观测点的距离； 国角频率； f 时间： 七波数； 丸为第，2 个声源与接地前沿声源的相位差。 该模型考虑了轮胎速度、胎面元素数目、接地区的大小及进出接地区处声 源的相位差和强度等运行参数和胎面设计参数，计算得到的噪声频谱与实测结 果较一致。 k e n n e t hj p l o t k i n 在对空气泵噪吸机理的研究试验中发现：胎面沟的压缩主 要由进入和离开接地区的胎面元素的纵向运动所致，而胎面橡胶的垂直压缩是 次要的口啪3 。因此在空气泵吸机理模型中，假定胎面元素被动地在变形的轮胎 上运动，即计算花纹沟槽容积时，花纹块保持其初始形状不变，仅仅其间隔在 轮胎通过接地区时发生变化。他基于b o h m 的轮胎环模型运动方程计算轮胎地变 形，求出横向花纹沟的容积变化，给出如下声压计算式： p 峙鲤4 a r , r ojw ，砌古融2 一，x c s i nn ，+ 咖咧) ( 2 4 ) 式中： ，轮胎的滚动速度； r o 轮胎的有效半径； g 考虑到地面和轮胎本身反射的系数； 占考虑到花纹沟槽倾斜方向的系数； 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 ，w v ，d ，i i , 分别是花纹沟周向宽，沟长，沟深，花纹块周向宽； h 轮胎环中面到轮胎沟二分之一深度的距离； 妒2 2 f 角坐标； l ，n 轮胎坏模型参数； 该公式是通过环模型计算轮胎变形来求花纹沟容积变化，在一定程度上反 应了轮胎花纹尺寸和形状对噪声的影响，将接地处每个沟槽的声压时域曲线沿 圆周进行时间合成，得到来自整个胎面花纹的声压时域曲线。 轮胎泵浦噪声的大小与接地前后缘单位时间内的瞬态空气体积流的流量直 接相关啪1 。单位时间内，该体积流的流量越大，空气泵噪声也越大。例如在相 同速度、载荷等情况下，直条状纵向沟产生的空气流很小，而横向沟的空气流 却较大，故横向沟比纵向沟辐射的泵浦噪声大。 轮胎行驶过程中，在接触到路面的瞬间，由于撞击会受到路面对轮胎的一 个指向轮胎轴心的作用力，该作用力形成胎面花纹块的激振，产生撞击噪声。 由于震荡，花纹块在拍打地面时，块与地面之间的空气被压缩，空气密度增大 形成正声压，而随着花纹块离开地面，空气密度变小形成负声压，从而产生气 流噪声。 二、空气柱共鸣噪声 除了轮胎的空气泵机理产生的泵浦噪声，轮胎的气柱共鸣噪声对轮胎噪声 也有很大的影响。轮胎接触地面时，胎面花纹沟槽与路面组成类似管子形状的 结构，当气流进入管子时，管中气柱在某些频率下就会发生共鸣现象，形成气 柱共鸣噪声。管中空气柱振动发声的频率决定于管长和端口的开放情况。如果 管子一段开放一段封闭，则其谐振频率为： 六= 2 胪1 胪1 ，2 3 ( 2 5 ) 如果管子两端开放，谐振频率为： 2 f ，以= 1 ，2 ，3 ( 2 6 ) 式中： c 声速： ，管长。 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 由于花纹块是以一定的顺序排列的，其产生的噪声将会出现在某些特定的 频率上。当花纹沟的固有频率与花纹间距频率及其它他花纹噪声频率相一致时， 就会发生气柱共鸣现象，此时轮胎的噪声将出现峰值，给人一种最吵闹的感觉。 这是我们不希望的，因此在胎面花纹的设计时，应该尽量将花纹的固有频率与 其它花纹噪声的频率错丌，以避免发生共鸣现象。 三、亥姆霍兹共振 两端封闭的横向沟( 即“袋状沟 或“死沟 ) 在接地区被完全封闭，袋状 沟中空气被过分挤压；至接地后缘处被打开时，花纹块突然离开路面，使原来 在接地中央区被压缩的空气迅速从刚离开路面的第一个花纹沟与路面形成的喷 口处喷出，沟内空腔与喷口形成了一个亥姆霍兹谐振器( 沟中空气象个弹簧振 子，它与喷口处空气质量一起作用，产生了谐振现象) 。该谐振器发出很强的噪 声，其频率主要集中在1 5 2 5k l - l z 处，该谐振频率可近似通过电声类比法求 得： 厂= 盖 亿7 ， 式中： c 0 为空气中声速； s 为喷口面积； 矿为空腔容积； 为等效喷口长度。 这种效应由n i l s s o n 在1 9 7 9 年首次发现d 引。它实际上是前文提及的空气泵 图2 4 喇叭效应 1 4 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 效应的特例，着重强调频率选择性的谐振放大作用。相比之下，对于有一端或 两端开口在外的花纹沟，这种谐振效应明显减小。 四、喇叭放大效应 1 9 9 6 年k e i j i r o 在研究轮胎路面噪声机制时发现，由于牵引力矩及路面粗 糙度引起的激振力是导致轮胎接地区“目状振动点”振动的主要原因n 刳，而当 “目状振动点”处于轮胎与地面接触形成的“咽喉”位置时( 见上页图2 4 ) ， 振动声源的辐射噪声由于“喇叭效应”而放大b 引。 五、空气紊流噪声 由于轮胎滚动，在轮胎周围产生空气的乱流，引起音压变化，因此诱发噪 声。如果观察整个轮胎在行进过程中断开空气流的情况，就可发现，在轮胎进 行方向空气被分开，而在后方空气被吸入。日本学者曾在噪声试验室，对有代 表性的横沟花纹及纵沟花纹轮胎，在不接地情况下高速转动时测定其噪声水平。 测试结果表明：在有花纹的轮胎，空气乱流噪声与没有花纹的光面轮胎相比， 噪声只在1 0 d b 附近的低水平上。 2 2 2 轮胎振动噪声 除了胎面花纹噪声之外，轮胎的弹性振动向外界辐射的噪声对整条轮胎的 前进方向 接地中央区 法向 匕向 切向 图2 5 轮胎接地区的振动 噪声也会产生很大的影响。由于路面的粗糙不平以及轮胎结构的不均匀性等因 素的存在，使得轮胎在路面上滚动时，会发生胎体振动，从而产生弹性振动辐 第2 章轮胎噪声分类与机理分析 射噪声。 轮胎的弹性振动噪声包括胎面和胎侧的振动噪声，胎面打击路面发生的振 动噪声以及胎面相对于路面滑动所发生的强制振动噪声等。此外，轮胎的不规 则振动还会引起车辆其他部件的振动，产生车辆振动辐射噪声。 轮胎的振动主要可以分为法向、轴向和切向振动。图2 5 所示为轮胎的接 地振动情况。在接地前缘，随着轮胎的连续滚动，胎面花纹块不断撞击路面， 主要引起胎面花纹块及胎体中低频段的法向振动。由于法向振动与周围声场耦 合得较好，因此在接地前缘法向振动起了主要作用。特别对于等节距花纹或花 纹节距呈周期排列的轮胎，花纹块周期性地撞击路面，将使轮胎振动谱在花纹 块撞击路面所对应的啮合频率处明显增强，辐射出频率范围大约在5 0 0 1 0 0 0 h z 的较强的窄声带引。 ， 在接地区，由于轮胎花纹块被压紧在路面上，此时的法向和切向振动均较 弱；但由于此时轮胎胎面接地，胎面花纹沟槽与地面形成了空腔，容易产生气 柱共鸣噪声，因此在花纹设计时要注意避免产生气柱共鸣效应。 在接地后缘，由于花纹块突然离开路面，失去了摩擦力，轮胎切向变形迅 速消失，导致花纹块高频切向振动，从而辐射出高于l k h z 的噪声。但是一般情 况下，由于切向振动与周围空气的耦合没有像法向振动那样耦合得好，所以切 向振动对噪声的影响不是很大。另外，在轮胎胎面接地的整个过程中，轮胎轴 向振动和胎侧振动的振幅均较小，对轮胎噪声的影响不大。1 9 8 4 年，j e n n e w e i n m 等实测了纵向花纹轮胎在光滑路面上前进中的法向、切向、轴向三个方向的振 动加速度的情况，并得出结论：纵向花纹轮胎在光滑路面上的法向振动是主要 噪声机理。 1 6 第3 章低噪声轮胎的优化设计流程与测试 第3 章低噪声轮胎的优化设计流程与测试 本章结合我们在低噪声轮胎研发过程的实际经验，总结了低噪声轮胎的优 化设计流程，重点介绍了花纹节距的设计和轮胎噪声测试方法。 3 1 低噪声轮胎的优化设计流程 低噪声轮胎的设计要考虑到诸多因素，包括材料属性、力学性能和燃油经 济性等，因此在设计过程中必须遵循一定的操作流程。“上海轮胎橡胶集团有限 公司一同济大学轮胎噪声与振动技术中心( 以下简称“上轮一同济轮胎噪声与 图3 1 低噪声轮胎的优化设计流稃图 1 7 第3 章低噪声轮胎的优化设计流程与测试 振动技术中心 ) 在利用现有条件的基础上，结合现代设计方法，开发出了自己 的低噪声轮胎优化设计流程，见上页图3 1 。一个完整低噪声轮胎优化设计流程， 包括以下七道工序： 轮胎基本花纹设计轮胎花纹噪声仿真计算选择五种优化花纹结构 一一手工刻制轮胎花纹一一轮胎噪声测试轮胎噪声主观评价批量生 产。 以下将做详细介绍。 3 1 1 轮胎基本花纹设计 花纹设计初期应该考虑到轮胎花纹的综合性能，如：接地摩擦力、排水性 能、燃油经济性能和噪声水平等：在现有的经验基础上设计出若干个花纹结构 参数方案，如：花纹沟槽的深度、长度、宽度，沟槽密度、沟槽相对于壁面的 角度、沟槽形状，花纹块形状大小、花纹节距，封闭沟槽和开放沟槽等。 在花纹基本设计中，一个非常重要的方面就是节距的排列。对于一定的花 纹设计，其沟槽和花纹块的设计是有一定要求的，在满足这个要求的前提下能 调整的最大因素就是节距的设计。实验研究也表明，适当的调整花纹节距可以 取得较好的降噪效果。 轮胎花纹设计时一般先把轮胎圆周分为若干段，每段的长度称为一个节距， 在每个节距上设计不同的花纹图案花纹块和花纹沟槽，每种节距长度与数 量的乘积之和等于轮胎圆周长，即： 月 。 三：ym 厶 ( 3 1 ) 冒。 式中： 为轮胎的周长； 为第f 种节距的数量； 。为第f 种节距的长度； 轮胎节距种类一般取3 5 种， 所有的节距之和为3 5 7 5 较合适 【】 图3 2 等节距花纹结构 当i = 1 时，就是等节距花纹，如图3 2 。如果胎面由节距相等的花纹构成， 1 8 第3 章低噪声轮胎的优化设计流程与测试 各节距花纹所发声音的时域波形基本相同，时域波形呈周期性分布。假设在某 车速下时域波周期为丁。由傅立叶变换可知，胎面发声的基频兀= 蟛，频谱 按厶的整数倍分布于其整个频域。 如果是两节距周期分布在轮胎上，胎面由两种不等节距花纹构成。先假设 两种不等节距花纹呈周期性排列的情况。假设两个不同花纹块长度之和等于上 面等节距花纹块长度的2 倍，则这种花纹的周期为2 r 。同理，胎面发声的基频 五= 7 1 ，频谱按五的整数倍分布于其频域。这样使声音信号比较均匀的分布 ，- j 在整个频域，在每个频率下其峰值得以降低。 如果节距有多种，并且每个节距是呈非周期随机排列，那么每个节距在频 域上的信号就是随机均匀分布，使声音信号分布更加均匀的分布在整个频域上， 从而可以整体降低轮胎噪声水平。图3 3 为一个典型的节距排列口7 1 。 l ( a ) 图3 3 节距及其在轮胎上的排列