高志彬，蔣紅敏，劉志紅，陳守佳

（青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

1 引言

輪胎是一種具有多種結(jié)構(gòu)和復(fù)雜材料屬性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生令人十分討厭的噪聲與振動(dòng)信號(hào)。由于國(guó)內(nèi)早期缺乏技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)車內(nèi)輪胎噪聲[1-2]沒(méi)有系統(tǒng)的研究方法。通過(guò)對(duì)車輛噪聲源[3]的分析，可以得出輪胎噪聲產(chǎn)生的最根本原因在于輪胎與地面的接觸摩擦。目前很多主機(jī)廠測(cè)得輪胎噪聲通過(guò)一系列介質(zhì)傳遞到車內(nèi)時(shí)的噪聲頻率集中在低頻段。由于輪胎是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對(duì)輪胎噪聲影響的因素很多，其中占比最大的部分是花紋，輪胎花紋塊與花紋溝排列的順序會(huì)影響到輪胎噪聲的峰值，如果排列具有很強(qiáng)的規(guī)律性，那么噪聲可能會(huì)在某一處疊加，在頻譜圖中產(chǎn)生很高的峰值，通過(guò)室內(nèi)輪胎噪聲試驗(yàn)，得出大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合各大主機(jī)廠的經(jīng)驗(yàn)和目前已經(jīng)得出的理論，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析[4]，來(lái)研究輪胎變節(jié)距花紋[5]對(duì)低頻段的影響，找出影響輪胎噪聲的具體因素，即花紋節(jié)距的哪一種因素對(duì)噪聲的影響占比更大。為各個(gè)實(shí)驗(yàn)室研究設(shè)計(jì)出更優(yōu)的輪胎花紋提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而設(shè)計(jì)出主觀評(píng)價(jià)[6]更優(yōu)的輪胎。

2 輪胎噪聲產(chǎn)生機(jī)理

輪胎材料的復(fù)雜性決定了輪胎整體的復(fù)雜性，對(duì)輪胎噪聲產(chǎn)生機(jī)理[7-8]的研究為以后低噪音輪胎的設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。輪胎噪聲產(chǎn)生的原因特別多，可簡(jiǎn)單歸納為以下三部分：第一部分是動(dòng)力系統(tǒng)，即輪胎的動(dòng)力裝置，如電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)等，他們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中自身會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，進(jìn)而與周圍零部件進(jìn)行摩擦，產(chǎn)生噪聲；第二部分是風(fēng)噪，即輪胎在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，輪胎周圍環(huán)境的空氣會(huì)與轉(zhuǎn)動(dòng)的輪胎之間不斷摩擦，空氣阻力會(huì)阻礙輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪胎與空氣的摩擦碰撞產(chǎn)生噪聲[9]，車輛行駛速度越大，碰撞摩擦噪聲越大；第三部分輪胎噪聲，在這三大噪聲源中占比最大，是對(duì)輪胎噪聲影響最大的因素，主要由振動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲兩部分組成。

下面主要介紹幾種與輪胎表面花紋相關(guān)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理。

2.1 泵浦噪聲

輪胎在滾動(dòng)時(shí)，當(dāng)輪胎表面的花紋塊與地面接觸時(shí)，花紋塊受到地面給的作用力，會(huì)與地面之間產(chǎn)生輕微的碰撞，花紋塊與花紋塊之間會(huì)因受到地面的作用力而相互擠壓，造成花紋塊與花紋塊之間溝槽的縫隙減少，使原本處于溝槽內(nèi)的空氣被趕出去；當(dāng)?shù)孛媾c花紋塊分離時(shí)，花紋塊受到地面的力消失，花紋溝槽縫隙恢復(fù)原來(lái)的形狀，外部的空氣又被擠壓進(jìn)來(lái)。我們將花紋溝槽的重復(fù)壓縮和張開稱為“泵浦效應(yīng)”，它可以產(chǎn)生較大的輪胎噪聲。如果花紋塊振動(dòng)，就如同它們離開接地區(qū)域一樣，那么，聲波將以正弦波形式振動(dòng)衰減。

2.2 氣管鳴叫

輪胎接觸到地面時(shí)，花紋塊與地面相接觸，當(dāng)花紋溝槽被地面完全密封，內(nèi)部形成一個(gè)全封閉的空間，類似氣管，里面的空氣會(huì)產(chǎn)生窄頻的鳴叫，這就是氣管鳴叫。

2.3 胎面花紋塊撞擊和振動(dòng)

輪胎在高速滾動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)輪胎表面花紋剛剛與路面接觸時(shí)，花紋塊受到路面給予的激勵(lì)力，這個(gè)力會(huì)對(duì)輪胎花紋塊進(jìn)行擠壓，使花紋塊產(chǎn)生變形，造成花紋塊與路面之間產(chǎn)生摩擦碰撞，在摩擦碰撞的過(guò)程中，花紋塊自身會(huì)有輕微振動(dòng)。當(dāng)花紋塊剛剛與路面分離時(shí)，地面給予花紋塊的力消失，隨著外力的消失，花紋塊因之前受力導(dǎo)致的變形得到恢復(fù)，此時(shí)因變形恢復(fù)對(duì)地面產(chǎn)生沖擊。在花紋塊從擠壓到變形再到恢復(fù)的過(guò)程中，會(huì)與地面有微小的振動(dòng)摩擦，形成噪聲。

3 室內(nèi)輪胎轉(zhuǎn)鼓法噪聲測(cè)試

3.1 試驗(yàn)條件及方法

輪胎低噪音室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法[10-11]是與室外噪聲測(cè)試相反的，不受環(huán)境條件的制約，在室內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，用數(shù)采設(shè)備采集噪聲的室內(nèi)測(cè)試方法，該方法與室外測(cè)試具有很強(qiáng)的相關(guān)性，操作靈活。試驗(yàn)地點(diǎn)為半消音實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)TS公司生產(chǎn)的低噪音轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)，由轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)部分和加載裝置組成，試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓表面為粗糙路面，粗糙度參照ISO10844 標(biāo)準(zhǔn)，加載裝置可以實(shí)現(xiàn)位移調(diào)整、氣壓調(diào)整、負(fù)荷加載與速度加載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用西門子LMS 多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。試驗(yàn)開始前需要將已經(jīng)裝配好的輪胎放置在環(huán)境為22℃停放至少3h；測(cè)量過(guò)程中保持溫度為22℃，濕度≤65%，試驗(yàn)輪胎充氣壓力按照標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法輪胎充氣壓力標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Tire Inflation Pressure Standard by Indoor Drum Method

3.2 輪胎噪聲試驗(yàn)方案

采用不同斷面寬、高寬比、輪輞直徑的五種規(guī)格的子午線輪胎進(jìn)行噪聲試驗(yàn)的對(duì)比分析，這樣得出的結(jié)論更精確更具普遍性。分別為195/65R15、215/60R16、175/65R14、245/70R16、225/55R17，測(cè)試時(shí)采用實(shí)驗(yàn)室輪胎轉(zhuǎn)鼓法的標(biāo)準(zhǔn)載荷與標(biāo)準(zhǔn)氣壓。輪胎預(yù)熱速度為80km·h-1，預(yù)熱時(shí)間20min，測(cè)試速度（72～88）km·h-1，速度間隔2km·h-1，每個(gè)速度下記錄三次數(shù)據(jù)取平均。實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓設(shè)備及麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖，如圖1所示。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中均采用麥克風(fēng)1采集的數(shù)據(jù)，因?yàn)辂溈孙L(fēng)1距離輪胎近，所測(cè)得的聲壓級(jí)具有研究意義。

圖1 實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓設(shè)備及麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Layout of Measuring Points of Laboratory Drum Equipment and Microphone

4 不同規(guī)格不同花紋噪聲頻譜分析

影響輪胎噪聲的因素不是單一的，輪胎結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了影響輪胎噪聲因素的多樣性，其中在影響因素中占比例最大的部分是輪胎花紋，為研究輪胎花紋結(jié)構(gòu)與輪胎噪聲之間的關(guān)系，總結(jié)規(guī)律，為各個(gè)實(shí)驗(yàn)室研究設(shè)計(jì)出更優(yōu)的輪胎花紋提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)以后優(yōu)化花紋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出主觀評(píng)價(jià)更優(yōu)的輪胎具有重要意義。選擇不同花紋節(jié)距以及花紋塊之間不規(guī)則的三種不同花紋，對(duì)比這三種花紋頻譜圖之間的差異性及花紋節(jié)距和花紋塊不規(guī)則化對(duì)輪胎噪聲產(chǎn)生影響的所占比重，花紋形式，如圖2所示。花紋1是市面上應(yīng)用最為廣泛的五節(jié)距花紋，并且花紋左半部分與右半部分明顯不對(duì)稱，并且左右大小有明顯差異的花紋；花紋2是三節(jié)距花紋，并且花紋塊之間相互錯(cuò)開，不會(huì)有交點(diǎn)的花紋；花紋3是單節(jié)距花紋，并且花紋溝有一定連通的花紋。

圖2 三種不同類型花紋圖Fig.2 Three Different Patterns

4.1 不同規(guī)格不同花紋輪胎A聲級(jí)對(duì)比分析

胎面花紋是輪胎噪聲的主要來(lái)源，目前主機(jī)廠測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明低頻部分是影響車內(nèi)噪聲的主要頻率段，在車內(nèi)測(cè)得輪胎噪聲在800Hz以內(nèi)，因此將關(guān)注重點(diǎn)放在（20～800）Hz的頻率段上。225/55R17、245/70R16、215/60R16三種不同規(guī)格、不同花紋的輪胎采用室內(nèi)低噪音轉(zhuǎn)鼓法測(cè)得的80km·h-1下輪胎噪聲頻譜圖，如圖3所示。研究花紋對(duì)輪胎噪聲影響的頻率段。從圖中可以看出，在（0～300）Hz頻率段，三條輪胎聲壓級(jí)變化趨勢(shì)一致，在300Hz之后聲壓級(jí)出現(xiàn)明顯差異變化，不同規(guī)格不同花紋的輪胎對(duì)300Hz之后輪胎噪聲的影響各不相同，因此花紋對(duì)輪胎噪聲的影響集中在（300～800）Hz頻率段。

圖3 速度80km·h-1下不同規(guī)格不同花紋類型輪胎噪聲頻譜圖Fig.3 Noise Spectrum of Tyres with Different Specifications and Tread Patterns at a Speed of 80km·h-1

4.2 相同規(guī)格不同花紋A聲級(jí)對(duì)比分析

195/65R15的三種不同花紋形態(tài)輪胎在速度工況為80km·h-1時(shí)噪聲頻譜圖為研究表明速度工況為80km·h-1時(shí)，花紋噪聲成為主要噪聲源，如圖4所示。215/60R16的三種不同花紋形態(tài)輪胎在速度工況為80km·h-1時(shí)噪聲頻譜圖，如圖5所示。175/65R14與225/55R17兩種不同規(guī)格相同花紋在速度工況為80km·h-1時(shí)的噪聲頻譜圖，如圖6所示。對(duì)比這四種規(guī)格輪胎，噪聲峰值均集中在（600～1000）Hz的頻率段。從圖4中可以看出花紋3聲壓級(jí)最高，花紋1明顯優(yōu)于其他兩種類型?；y1性能之所以優(yōu)于另外兩個(gè)花紋，原因是合理利用了左半節(jié)距序列花紋與右半節(jié)距序列花紋之間的錯(cuò)位，能量疊加會(huì)造成噪聲峰值的疊加，錯(cuò)位可以將能量分散，不至于集中分布，能量分散之后，噪聲峰值也會(huì)隨之分散，因此錯(cuò)位可以將噪聲峰值較均勻分布，不會(huì)在某一頻率段產(chǎn)生突然升高的現(xiàn)象。研究表明合理的錯(cuò)位可降噪（1～5）dB，達(dá)到降低花紋噪聲峰值的效果。

圖4 規(guī)格為195/65R15的三種不同花紋形態(tài)輪胎在80km·h-1時(shí)噪聲頻譜圖Fig.4 Noise Spectrum of 195/65R15 Tyres with Three Different Tread Patterns at 80km·h-1

圖5 規(guī)格為215/60R16的三種不同花紋形態(tài)輪胎80km·h-1時(shí)噪聲頻譜圖Fig.5 Noise Spectrum of Three Different Tread Patterns of 215/60R16 Tyres at 80km·h-1

圖6 相同花紋不同規(guī)格輪胎80km·h-1時(shí)噪聲頻譜圖Fig.6 Noise Spectrum of Tire with the Same Tread Pattern and Different Specifications at 80km·h-1

圖5顯示，在（500～800）Hz頻率段內(nèi)，從噪聲峰值上看花紋2的噪聲峰值明顯大于另外兩個(gè)花紋，花紋3 的噪聲峰值較為適中，花紋1聲壓級(jí)曲線最為平緩。如果輪胎花紋是以相同的花紋塊與花紋溝重復(fù)排列出現(xiàn)，具有很強(qiáng)的規(guī)律性，那么噪聲可能會(huì)在某一處產(chǎn)生疊加，造成在某一頻率段類，出現(xiàn)很高的峰值，從而對(duì)乘客的乘坐舒適性造成影響，會(huì)出現(xiàn)主觀評(píng)價(jià)不可接受的現(xiàn)象。為了避免疊加，將噪聲峰值均勻分布到每一個(gè)頻率段，在進(jìn)行輪胎表面花紋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將花紋不規(guī)則化，降低輪胎噪聲出現(xiàn)重疊的概率。五節(jié)距花紋較三節(jié)距與單節(jié)距花紋有更多的排列組合方式，有更大概率減少噪聲的能量疊加。

綜合這兩種不同規(guī)格的六條輪胎，可以得出在半鋼乘用輪胎中花紋1 性能最穩(wěn)定。五節(jié)距花紋性能比三節(jié)距花紋更優(yōu)，而單節(jié)距花紋因排列方式單一，噪聲可能會(huì)在某一處產(chǎn)生疊加，造成在某一頻率段類，出現(xiàn)很高的峰值，所以性能最差；左右花紋塊之間明顯不對(duì)稱分布的花紋輪胎降噪效果更好。即便規(guī)格尺寸花紋一模一樣的輪胎，也會(huì)因做工，雕刻的微小差異對(duì)噪聲產(chǎn)生影響。

4.3 相同規(guī)格不同花紋輪胎隨速度變化下的A聲級(jí)

規(guī)格為195/65R15的三種不同花紋形態(tài)輪胎在不同速度下的聲壓級(jí)變化曲線，如圖7所示。

圖7 規(guī)格為195/65R15的三種不同花紋形態(tài)輪胎在不同速度下的聲級(jí)變化曲線Fig.7 The Sound Level Curves of 195/65R15 Tyres with Three Different Tread Patterns at Different Speeds

三種輪胎聲壓級(jí)均隨著速度的增加呈現(xiàn)一種線性增加趨勢(shì)，分析原因是隨著速度的不斷增加，輪胎花紋溝槽與轉(zhuǎn)鼓表面的重復(fù)壓縮和張開產(chǎn)生的“泵浦噪聲”增加，它可以產(chǎn)生較大的輪胎噪聲；其次是空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)造成周圍空氣的不穩(wěn)定，以至于氣壓發(fā)生變化，所以速度越大，噪聲越大。

輪胎速度在不斷上升的過(guò)程中，輪胎內(nèi)部的氣壓不是保持不變的，內(nèi)部空氣受到地面力的作用，會(huì)導(dǎo)致輪胎內(nèi)壓強(qiáng)增大。壓強(qiáng)的增大又會(huì)導(dǎo)致輪胎對(duì)地面擠壓力變大，由于力的作用是相互的，地面給予輪胎的外力也隨之增大，輪胎表面花紋塊受力擠壓變形嚴(yán)重，對(duì)地面的撞擊力增大，振動(dòng)噪聲就會(huì)隨著速度的增加變大。這是輪胎噪聲聲壓級(jí)隨著速度呈現(xiàn)線性增加的原因。175/65R14與225/55R17兩種不同規(guī)格相同花紋輪胎隨速度變化下的聲壓級(jí)變化曲線，如圖8所示。

圖8 相同花紋不同規(guī)格輪胎在不同速度下的聲級(jí)變化曲線Fig.8 Change Curve of Sound Level of Tyres with the Same Tread Pattern and Different Specifications at Different Speeds

在（72～80）km·h-1區(qū)間，175/65R14規(guī)格輪胎聲壓級(jí)較低，由于輪胎斷面窄，接地面積小，管腔共振噪聲減少；在（80～88）km·h-1區(qū)間，175/65R14 規(guī)格輪胎噪聲聲壓級(jí)明顯增大，當(dāng)速度大于80km·h-1時(shí)，空氣擾動(dòng)噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位，速度越高，噪聲越大，可能是因?yàn)樵谕容d荷下，接地面積小，壓強(qiáng)變大，輪胎受到路面的力越大，輪胎花紋與地面的撞擊噪聲越大。

5 結(jié)論

基于室內(nèi)輪胎轉(zhuǎn)鼓法測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同規(guī)格不同花紋輪胎產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)不同花紋聲壓級(jí)變化的規(guī)律，得出一些對(duì)低噪音輪胎花紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值的結(jié)論：

（1）花紋對(duì)輪胎低頻噪聲的影響主要集中在（300～800）Hz頻率段；

（2）花紋左半部分與右半部分明顯不對(duì)稱，并且左右大小有明顯差異的花紋可以有效降低輪胎噪聲；

（3）五節(jié)距花紋有更多的排列方式，將能量分散，不至于集中分布，不會(huì)在某一頻率段產(chǎn)生突然升高的現(xiàn)象，更能有效減少相同頻率上噪聲的疊加。

（4）對(duì)于轎車輪胎，輪胎花紋噪聲與車輛行駛速度呈現(xiàn)正相關(guān)。