轮胎花纹与噪音的关系及对地面路况的适应的研究

轮胎花纹与噪音的关系及对地面路况的适应的研究摘要目前，人们对生活环境要求的提高，对道路与轮胎噪音、交通安全、能源等提出了更高的要求，因此研究汽车轮胎花纹也变得越来越迫切。

轮胎胎面花纹是轮胎与路面相互作用的直接部位，它不仅对轮胎的抓地性有直接的影响，同时也是噪音的主要影响因素。

在不同的路面情况下，不同的轮胎花纹有不同的效果。

一直以来，胎面花纹由于其几何形状很难利用实验等方法直观得到并加以分析，数值模拟方法成为研究汽车性能的一个主要方向。

本文利用数值模拟方法展开对轮胎的胎面花纹的变形特性及噪音产生进行研究，其目的是为后续的汽车通过噪声以及轮胎的抓地性等提供一定的基础和服务，结果轮胎花纹对汽车的噪音产生有一定的影响，而且轮胎与路面间附着性能是多方面因素综合作用的结果关键词：胎面花纹噪音抓地性地面路况目录一、问题的提出 ............................................................................................................................ I II二、问题的分析 (1)三、建模过程 (1)3.1轮胎花纹噪声 (1)3.1.1轮胎花纹块产生的噪声 (1)3.1.2轮胎花纹槽的泵浦噪声 (3)3.2轮胎花纹结构 (6)3.2.1轮胎花纹样式 (6)3.2.2 轮胎对附着性能的影响 (7)3.2.2.1 轮胎结构型式的影响 (8)3.2.2.2 胎面花纹的影响 (9)3.2.2.3 轮胎扁平率的影响 (11)四、结语 (15)参考文献 (15)图表目录图1胎痕前后沿 (1)图2某一块花纹的声压变化曲线 (2)图3花纹槽的三种形 (3)图4由横沟所发生的声压变化 (4)图 5 花纹槽走向和行驶方向逆向和顺向示意图 (5)图 6 (6)图7子午线轮胎与斜交轮胎 (8)图8轮胎胎面花纹 (10)图9路面潮湿程度对附着系数的影响 (13)图10抗滑水轮胎胎面花纹 (14)图11附着系数与滑动率的关系 (14)一、问题的提出问题一：目前减低生活噪音成为人们迫切的要求,轮胎花纹与噪音的关系是我们研究的课题,我们主要研究轮胎花纹的哪些因素对噪音的产生有着重要的关系。

问题二：研究轮胎花纹对路面状况的适应程度,主要对一些常用轮胎花纹与常规地面和非常规地面的适应程度进行研究。

二、问题的分析随着人们生活品质的提高，人们希望汽车在行驶过程中产生较小的噪音，同时通过对题目的分析，轮胎被广泛使用在多种陆地交通工具上。

根据性能的需要，轮胎表面常会加工出不同形状的花纹，因此我们通过对汽车轮胎花纹的研究来减少噪音的产生和各种轮胎对路面的适应情况，分析轮胎表面的花纹，轮胎花纹大致分为普通花纹、越野花纹、混合花纹、拱形胎花纹和特种花纹等，我们可以看到，一方面，不同的花纹产生噪音大小不同，另一方面，不同的花纹所适应的路面也不一样，例如：普通花纹因耐磨性和附着性较好，适用于较好的硬路面，混合花纹适用于好路面，也适用于碎石和松土路面等。

三、建模过程问题一：假设：轮胎花纹块的发声与花纹块的花纹块的面积、形状有关；花纹槽的发声与槽的长度、槽的宽度、槽的走向、槽的深度有关。

问题二：假设：轮胎对不同路面（一般硬地面、泥土地面）的适应成度与轮胎花纹块的形状（纵向条纹、横向条纹、泥雪地条纹、纵横向条纹等）有关。

3.1轮胎花纹噪声图1胎痕前后沿3.1.1轮胎花纹块产生的噪声首先,我们分析一下轮胎在行驶时的胎痕情况,见错误！未找到引用源。

, 滚动,从A点开始,轮胎的矢量速度由v突变成了水平速轮胎以速度度ν1,但1v v =,根据力学平行四边形法则分析,必有一矢量速度ν2存在,其方向指向胎中心,才会 有v 和ν2的合成速度ν1出现。

那么，ν2的产生必然伴有指向胎中心区的力F ,形成块撞击地面而引起的激振,这种振动能的一部分以声波的形式向四周辐射形成撞击噪声,也就是在胎痕的前沿区形成了撞击噪声。

胎痕的后沿区情况可以与前沿区作类J 以分析,但产生的是负压,声强度较弱。

当花纹块拍打地面时,前沿区的空气被压缩,空气密度增加,空气排出,产生正声压;随着花纹块的离地,空气变得逐渐稀疏从而形成负的声压,从而产生扰动噪声;两者合成即为花纹块的噪声,实验测定它的波形为上大下小的N形波"我们用一准正弦波()t P 1来近似描述, ()t P 1为花纹块产生的声压值:()()t Sin t Sin t x b b b g ωωθ⋅B ⋅+⋅⋅=A P 1其中，()A =B b 91~1 （3-1）()ωωbx 10~8= ()()100b b b Sin t Sin t g θξθωω⎧+≥⎪=⎨+<⎪⎩图 2某一块花纹的声压变化曲线ξ: 0<ξ<1,其大小与轮胎的载重量、充选取遵循原则为:硬度越大,ξ越小;s a b =A 为声压的振幅,与花纹块的面积有关,a 为转换系数;()l v b c b f ,=ω为圆频率,是车速v c 和花纹块面积l b 的函数;()z b b g ,ωθ=为相位角, ωb 为圆频率, z b 与记时起点和该花纹块在圆周上的位置有关。

在此计算中,我们采用了声点阵法进行分析,认为花纹块由许多点声源组成,那么,花纹块的发声是由这些点声源进行叠加而成的。

若两花纹块包含的点声源数相同,由于一个花纹块的点声源之间相位差极小,故认为这两个花纹块的声压相同。

由此我们得到轮胎花纹发声的第一个结论:花纹块的发声只与花纹块的面积有关,而与花纹块的形状无关。

花纹块声压波形如2。

经实验测定花纹块的发声为振动噪声,主要分布在低频区。

3.1.2轮胎花纹槽的泵浦噪声轮胎在路面旋转期间,胎面的花纹槽随着轮胎的旋转而被压缩、释放,由于胎面为橡胶体,所以槽内的气体随之被高速地在前沿区挤压、后沿区膨胀, 这样在胎前后沿产生压差(前沿为正压,后沿为负压),于是形成了空气涡流,从而引发了泵浦噪声。

从泵浦噪声产生的原理可知,腔体的发声与腔体内空气流单位时间内的变化率有关。

对于匀速行驶的汽车,各槽的体积压缩比相同,因此,槽体积越大, 腔体内空气的变化率越大"即:槽发声的最大声压与槽腔体的体积有关。

实际的花纹设计中,槽的深度有一定要求,变化极少,可认为是一常数,所以,在实际设计中,我们只考虑花纹槽的长度与宽度,而不考虑其深度。

花纹槽的走向对于槽的发生也有一定的影响,它分为三种:横槽、斜槽、纵槽。

如图3。

实测证明:横槽的声压级最大,斜槽次之,纵槽的声压级最低。

对于横沟槽,在汽车行驶时依次接地,一个接一个的小腔体喷气!吸气,产生泵浦噪声,类似于脉冲波,发出噪声;有a角度的斜槽由于接地时间比横槽时间长,所以气体压缩、释放较为缓慢,空气流变化率较小,从而产生的噪声较小; 对于纵槽,接地时槽内气体均匀压缩,产生一股直流气体,只产生声压的直流分量,气体喷出时仅仅因阻力而产生涡流,涡流噪声能量较小,可忽略.。

将其理想化,我们认为纵槽不发声。

综上所述,我们街出轮胎花纹发声的第二个结论:花纹槽的发声与槽的长度和槽的宽度以及槽的走向有关,而与深度基本无关。

图3花纹槽的三种形接下来我们以斜沟槽作为研究对象进行分析,假设横沟槽发声的时域波为Ps(t),那么具有 角度的斜沟槽发声的时域波为：()()2st t Sin p p α= （3-2） α为00时为纵沟槽,为090时为横沟槽。

式中()P t 的实测波形如图4(a)所示,若取沟宽为a(m),速度为Vc(m/s),则声压的脉冲宽度()T t ∆可由下式表示:：()cT a V ξ∆= （3-3）（a ）一个横沟发生的声压变化 （b ）多个横沟发生的声压变化图 4由横沟所发生的声压变化在由多数沟组成的场合,如图4(b)所示,声压的变化由各个槽所发生的声压合成。

若取槽的间距为,则脉冲间隔T(s)为： ()'c T v L η∆= （3-4）声压的最大值为：()^,K f l w V P =∆ （3-5） 式中(),f l w v ∆为槽沟声压函数式,l 、w 分别为槽的长度、宽度,ηξ、 、K 是转换系数,v ∆为槽沟腔压缩量。

斜沟槽的声波为：()()^2s s t Sin Sin t g w P P αθ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭（3-6） ()()100s s s Sin t Sin t w g w θηθ⎧+≥⎪=⎨+<⎪⎩,1:<<ηηo 式中，ωs、θ 定义与花纹块定义相同 就以上得的公式与结论,我们可得当两个花纹槽的Sin α取值相同时,两花纹槽发出的噪声相同,但依据经验这个结论对于如图3-5的两个花纹槽的走向与行驶方向刚好成逆向和顺向时显然是不对的。

当花纹槽的走向与行进方向为逆向 (图 5(a)) 时,由于开口端先接触地,空气从花纹槽的开口端接地开始受到压缩,但末端被封闭,所以整个腔内的空气压力越来越大,最后着胎体的前进而使该花纹槽离地时,腔内的气流突然冲出,所以它发出的噪声较大;当花纹槽的走向与行进方向为顺向 (图5( b)) 时,花纹槽的开口端与封闭端的接地顺序刚好与 (a) 相反,腔内空气随着轮胎的前进被挤到中央,在开口端释放,这样腔内的压力无逆向时存在的空气压力累积过程,仅产生了中央发声,所以引起的噪声较小。

所以我们对式(3-2)进行修正,修正如下当00180α<≤时，()()()20s t t Sin Cos Sin P P αεααε=+> （3-7）其中ε为正的修正量系数,当α为锐角时为逆向槽,槽的修正量噪声较大;当α为钝角时为顺向槽,槽的修正量噪声较小。

图 53.2轮胎花纹对附着性的影响轮胎的设计除了考虑低噪声外，还要考虑它的耐磨性、承载性和排水性等，以及它的工艺的可实现性，所以轮胎的这些主要参数涉及到了机械设计方面的一些相关知识。

轮胎花纹的作用是增进摩擦，防止当车行进时由于小的摩擦力而引起空转和打滑，保证轮胎与路面保持良好的附着力。

发挥制动!驱动和侧偏等力学特性，但胎面花纹的存在增加了轮胎/路面的噪声。

在国内外轮胎花纹的研究成果并不令人非常满意。

所以我们主要是研究轮胎花纹的参数对轮胎花纹噪声的影响。

3.2.1轮胎花纹样式轮胎花纹由花纹块和花纹沟组成，不同形状的花纹块与花纹沟组成不同的花纹样式，轮胎花纹的样式有很多，按照花纹沟的形状大致分为五类：(a)泥雪地花纹 (b)横向花纹 (c)纵横向花纹 (d)纵向花纹图 6 各种轮胎花纹1）纵向花纹如图(d)优点：这种花纹操纵稳定性优良,转动抵抗小，不容易横向滑移。

一般适用于路况较好的路面，如高速公路或城市路面等。

行驶中滚动阻力小，因此与地面摩擦力小，具有较好的行驶导向性，很适宜于高速行驶。