轮胎花纹与路面纹理耦合对轮胎噪声的影响胡伟

轮胎花纹与路面纹理耦合对轮胎噪声的影响胡伟
发表时间：2018-03-05T15:13:30.140Z 来源：《基层建设》2017年第33期作者：胡伟
[导读] 摘要:随着车辆发动机性能的改进和路面条件改善，车辆高速行驶时胎/路噪声已成为一个主要噪声源，如何降低胎/路噪声成为控制交通噪声的主要途径。

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摘要:随着车辆发动机性能的改进和路面条件改善，车辆高速行驶时胎/路噪声已成为一个主要噪声源，如何降低胎/路噪声成为控制交通噪声的主要途径。

论文对胎/路噪声的国内外研究现状进行系统的总结分析；对道路纹理与轮胎花纹噪声的发声机理分别进行了定量分析；提出了从纹理耦合的观点出发来降低轮胎噪声的新方法；并指出了基于胎/路纹理耦合的几点研究内容；研究结果可为降低胎/路噪声从而控制交通噪声提供新方法。

关键词:交通环境；降噪；路面纹理；轮胎花纹；耦合
汽车噪声属于线性声学范畴，故对其可分别定义如下:(1)道路噪声是轮胎行驶产生的，因道路凹凸不平度、粗糙度、路面刻槽花纹的尺寸大小和走向以及材料等不同其强度和频谱不同[1]，其测量必须采用光面轮胎或标准纵向槽轮胎；(2)轮胎噪声是指有花纹轮胎在滚动时(一定速度和负荷下)接触平直地面所产生的噪声，其室内测试是在转鼓上进行噪声试验，但测出的噪声谱不仅包含“花纹”噪声而且含有沙声、摩擦声和涡流声等，室外(现场)测试除上述内容外，测试路面还要符合测试规范(平直、硬度等要求)；(3)轮胎花纹噪声是用微机仿真(TNS/ODS分析软件)得到的噪声，是轮胎花纹产生的噪声；(4)道路/轮胎噪声是道路噪声和轮胎噪声的线性合成。

1.轮胎/路面噪声的形成机制
通常认为，轮胎/路面噪声的产生包括以下三个方面:1)轮胎振动:轮胎振动由两个结构振动所引起。

轮胎材料结构的不均匀性、路面平整性及粗糙性、轮胎花纹块等因素会引起胎体振动；轮胎与路面接触面产生的局部切向力会导致轮胎滑移，轮胎与路面间的摩擦力会引起胎面形变，进而产生胎面振动:轮胎振动包括内胎面和外胎面的振动，研究表明，轮胎振动尤其是外胎面的振动是产生轮胎/路面噪声的最重要原因。

2)空气泵吸噪声:轮胎与路面接触时，轮胎花纹与路面形成封闭区域。

汽车在行驶过程中，封闭区域内部及边缘空气被挤压排出，同时又很快被空气回填，形成“气泵效应”。

由于接触面很小、汽车行驶速度快、接触时间短暂、挤压力度大，产生了较强的“泵吸噪声”。

3)空气动力性噪声:当车辆以较高速度行驶时，轮胎的直线运动和圆周运动促使周围气流发生振动，特别是在轮胎后部与路面间形成局部涡流，引起空气压力的急剧变化进而产生空气动力性噪声。

一般情况下，空气动力性噪声可不作考虑。

2.轮胎花纹的发声机理
轮胎在滚动时发出的轮胎噪声可以归结为如下几种:花纹块打击地面时所发出的撞击噪声、沟槽腔体中空气被挤压和膨胀而产生的“泵浦效应”噪声、横沟槽内气柱共鸣的噪声、光面胎面作用在地面中大小不等的隙腔时而产生的不规则沙声(随机噪声)、由于道路的凹凸不平和轮胎均匀性不良而激起的轮胎振动噪声(一般频率较低，为80～150Hz)、轮胎滚动时切割空气产生的切割噪声、轮胎与地面相摩擦而产生的摩擦噪声以及车辆行驶时对路面产生的低频路面噪声。

2.1花纹沟的发声
由于胎面橡胶是弹性体，因而在轮胎接地前沿区轮胎触地时花纹沟两侧的花纹块被压缩变形，沟槽腔内空气因体积减小而压力增大，空气被突然压缩排出，形成类似喷射的噪声，声强度较大。

而在轮胎接地后沿区轮胎离开地面时，沟槽腔体又恢复原状，腔内空气压力变小，周围空气急速补充到腔体内产生“扑”声，声强度较弱。

腔中空气被挤压和膨胀的泵浦效应产生了花纹沟的噪声。

对于匀速行驶的汽车，不同的花纹沟仍可能具有相同的体积压缩比，也就是说沟槽内各声点阵产生的声振幅是相等的，因而沟槽体积越大，总声压也越大。

在实际花纹设计中，沟槽的深度有一定要求，可以认为是在2个常数范围内，所以花纹沟的发声与沟的长度和宽度有关，与它的深度基本无关。

此外，花纹沟的发声还与其走向有关。

2.2随机沙声
由于路面和胎面不可能绝对光滑平坦，胎面不可能完全紧贴地面，在胎面和地面之间存在着大小不等的隙腔，其中的空气被压缩和膨胀就产生了不规则沙沙声，称之为随机沙声。

对于有花纹的胎面，随机沙声能量较小，可以不作考虑。

但是对于没有花纹的光面和肋条花纹(忽略纵槽的直流噪声)，随机沙声即是它们的“花纹”噪声。

各隙腔的大小是随机的，与胎面相接触的位置也是随机的。

而发声原理与花纹块和花纹沟腔体的发声原理相同。

3.轮胎/路面噪声的形成及影响因素
3.1轮胎/路面噪声的形成及吸收过程
轮胎/路面噪声形成后，一部分被路面混合料的粗糙纹理所反射，另一部分直接排放到大气环境中，最后一部分进入孔隙内部往深处传播并被吸收和消耗。

图1是路面噪声形成区域及多孔隙路面吸收噪声示意图。

图1轮胎路面噪声形成及吸收示意图
3.2轮胎/路面噪声的影响因素分析
其中主要影响因素在于轮胎与路面两个方面，由于汽车类型、车速及环境状况不易控制，所以轮胎与路面的设计显得尤为重要。

研究表明，轮胎与路面的主要影响因素在于轮胎花纹块、轮胎材料、轮胎充气压力、轮胎荷载、轮胎沟槽深度、路面厚度、空隙率、级配类型、路面结构、车速等。

轮胎花纹块类型对轮胎/路面噪声影响明显。

轮胎外胎的花纹块类型与路面接触区域形成封闭空腔，一方面外胎花纹块间对轮胎具有一定的减震效果，另一方面轮胎花纹块简单间距与空气泵吸噪声息息相关。

因此，不同外胎花纹的轮胎所产生的振动噪声和空气泵吸噪声不同。

轮胎结构正常的规则性运动所产生的噪声值并不明显，而轮胎在经历挤压、摩擦、振动、旋转后贡献的噪声值明显增大。

研究发现，交错横沟外胎花纹间的沟槽间距无规则排序更有利于降低噪声。

通常情况下，轮胎花纹块所产生的噪声值并不大，这与花纹块的数量、排序、结构设计有关，有利于空气外排而减小了“泵吸效应”。

3.3胎/路纹理耦合对胎/路噪声的影响
(1)波形耦合:不考虑接触面耦合，仅考虑波形的时、频耦合。

(2)物理耦合:或者叫接触面耦合，即胎/路接触面最佳匹配，例如“菱形路面适合卡车减噪”。

(3)应力耦合:利用车轮力测量真实的胎/路间作用力，把力作为胎/路耦合的桥梁，其他条件一样的情况下(同车同路)，力越大，振动越大，噪声越大。

在轮胎花纹和路面纹理的发声机理研究基础上，建立包括胎/路噪声各主要噪声源的发声模型。

通过计算机仿真，对轮胎花纹和路面纹理的不同组合产生的胎/路噪声，分别在时域和频域对其进行耦合分析，总结胎/路耦合的基本规律，得到胎/路的发声预测模型，并通过试验检验和修正模型。

研究胎/路耦合规律的试验主要利用拖车进行，分两大方面:研究轮胎对胎/路噪声的影响试验；研究道路对胎/路噪声的影响试验。

最后，改变车速和轴重，测量不同花纹的轮胎在不同纹理的路面上的行驶噪声，研究胎/路纹理耦合对胎/路噪声的影响。

试验地点待定。

4.降低轮胎/路面噪声的措施
4.1路面纹理的优化
路面纹理的优化主要是增大路面的粗糙度和减小凹凸不平度。

此外，优化路面的纹理应尽量使道路发声单元发出的声压时域波的同向峰值错开，避免同向峰值的叠加，并且使噪声趋向于白噪化，其优化方法与轮胎花纹优化类似。

当路面粗糙度增大到一定程度时，轮胎滚动时胎面振动减小，摩擦振动噪声也相应减小。

路面的凹凸不平度增加，胎面振动增加，则轮胎的振动噪声增大。

道路表面花纹节距排列组合调节，改变节距比和纹路粗细走向，相对错位变化，同样可进行低噪声优化。

4.2轮胎方面
1)轮胎花纹块采用柔韧性好的材料制作，以减轻荷载条件下胎面对路面的冲击；花纹块间距应按照不等比例设计。

2)保证花纹沟良好的透性，有利于花纹沟闭合区域空气流动外排，减小了空气泵吸噪声和共振效应；花纹沟越窄越细越能够减轻轮框振动。

3)加强轮胎的平衡性和均一性设计。

结论
轮胎/路面噪声是一个特别复杂的问题，有些机理往往共同存在，几种噪声增强机理的贡献难以与声源产生机理相互区分开来，这些机理的相对贡献大小随轮胎类型、路面形式和车速的变化而改变。

参考文献：
[1]陈理君，何灿，李福军.基于免疫遗传算法的低噪声轮胎花纹结构参数优化[J].轮胎工业，2006(11).
[2]陈理君，杨立，钱业青，等.轮胎花纹噪声的发声模型[J].轮胎工业，1999(10).
[3]陈理君，李晓辉，杨立，等.轮胎花纹噪声及其降噪方法[J].噪声与振动控制，2004(1).
[4]陈理君，杨立，钱业青，等.轮胎花纹噪声的发声机理[J].轮胎工业，1999(9).。