輪胎花紋節距對輪胎低頻噪聲的影響

高志彬，蔣紅敏，劉志紅，陳守佳

（青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

1 引言

輪胎是一種具有多種結構和復雜材料屬性的動態系統，它在運動過程中會產生令人十分討厭的噪聲與振動信號。由于國內早期缺乏技術與經驗，對車內輪胎噪聲[1-2]沒有系統的研究方法。通過對車輛噪聲源[3]的分析，可以得出輪胎噪聲產生的最根本原因在于輪胎與地面的接觸摩擦。目前很多主機廠測得輪胎噪聲通過一系列介質傳遞到車內時的噪聲頻率集中在低頻段。由于輪胎是一個復雜的動態系統，對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影響到輪胎噪聲的峰值，如果排列具有很強的規律性，那么噪聲可能會在某一處疊加，在頻譜圖中產生很高的峰值，通過室內輪胎噪聲試驗，得出大量的試驗數據，結合各大主機廠的經驗和目前已經得出的理論，對試驗數據進行詳細的對比分析[4]，來研究輪胎變節距花紋[5]對低頻段的影響，找出影響輪胎噪聲的具體因素，即花紋節距的哪一種因素對噪聲的影響占比更大。為各個實驗室研究設計出更優的輪胎花紋提供數據支撐，進而設計出主觀評價[6]更優的輪胎。

2 輪胎噪聲產生機理

輪胎材料的復雜性決定了輪胎整體的復雜性，對輪胎噪聲產生機理[7-8]的研究為以后低噪音輪胎的設計具有重要價值。輪胎噪聲產生的原因特別多，可簡單歸納為以下三部分：第一部分是動力系統，即輪胎的動力裝置，如電動機、內燃機，發動機等，他們在工作過程中自身會產生抖動，進而與周圍零部件進行摩擦，產生噪聲；第二部分是風噪，即輪胎在不斷轉動的過程中，輪胎周圍環境的空氣會與轉動的輪胎之間不斷摩擦，空氣阻力會阻礙輪胎的轉動，輪胎與空氣的摩擦碰撞產生噪聲[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，是對輪胎噪聲影響最大的因素，主要由振動噪聲和氣動噪聲兩部分組成。

下面主要介紹幾種與輪胎表面花紋相關的噪聲產生機理。

2.1 泵浦噪聲

輪胎在滾動時，當輪胎表面的花紋塊與地面接觸時，花紋塊受到地面給的作用力，會與地面之間產生輕微的碰撞，花紋塊與花紋塊之間會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，使原本處于溝槽內的空氣被趕出去；當地面與花紋塊分離時，花紋塊受到地面的力消失，花紋溝槽縫隙恢復原來的形狀，外部的空氣又被擠壓進來。我們將花紋溝槽的重復壓縮和張開稱為“泵浦效應”，它可以產生較大的輪胎噪聲。如果花紋塊振動，就如同它們離開接地區域一樣，那么，聲波將以正弦波形式振動衰減。

2.2 氣管鳴叫

輪胎接觸到地面時，花紋塊與地面相接觸，當花紋溝槽被地面完全密封，內部形成一個全封閉的空間，類似氣管，里面的空氣會產生窄頻的鳴叫，這就是氣管鳴叫。

2.3 胎面花紋塊撞擊和振動

輪胎在高速滾動過程中，當輪胎表面花紋剛剛與路面接觸時，花紋塊受到路面給予的激勵力，這個力會對輪胎花紋塊進行擠壓，使花紋塊產生變形，造成花紋塊與路面之間產生摩擦碰撞，在摩擦碰撞的過程中，花紋塊自身會有輕微振動。當花紋塊剛剛與路面分離時，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致的變形得到恢復，此時因變形恢復對地面產生沖擊。在花紋塊從擠壓到變形再到恢復的過程中，會與地面有微小的振動摩擦，形成噪聲。

3 室內輪胎轉鼓法噪聲測試

3.1 試驗條件及方法

輪胎低噪音室內轉鼓法[10-11]是與室外噪聲測試相反的，不受環境條件的制約，在室內通過轉鼓的轉動來帶動輪胎的轉動，用數采設備采集噪聲的室內測試方法，該方法與室外測試具有很強的相關性，操作靈活。試驗地點為半消音實驗室，試驗設備采用德國TS公司生產的低噪音轉鼓試驗機，由轉鼓驅動部分和加載裝置組成，試驗轉鼓表面為粗糙路面，粗糙度參照ISO10844 標準，加載裝置可以實現位移調整、氣壓調整、負荷加載與速度加載，數據采集系統采用西門子LMS 多通道數據采集分析系統。試驗開始前需要將已經裝配好的輪胎放置在環境為22℃停放至少3h；測量過程中保持溫度為22℃，濕度≤65%，試驗輪胎充氣壓力按照標準，如表1所示。

表1 室內轉鼓法輪胎充氣壓力標準Tab.1 Tire Inflation Pressure Standard by Indoor Drum Method

3.2 輪胎噪聲試驗方案

采用不同斷面寬、高寬比、輪輞直徑的五種規格的子午線輪胎進行噪聲試驗的對比分析，這樣得出的結論更精確更具普遍性。分別為195/65R15、215/60R16、175/65R14、245/70R16、225/55R17，測試時采用實驗室輪胎轉鼓法的標準載荷與標準氣壓。輪胎預熱速度為80km·h-1，預熱時間20min，測試速度（72～88）km·h-1，速度間隔2km·h-1，每個速度下記錄三次數據取平均。實驗室轉鼓設備及麥克風測點布置示意圖，如圖1所示。在數據處理過程中均采用麥克風1采集的數據，因為麥克風1距離輪胎近，所測得的聲壓級具有研究意義。

圖1 實驗室轉鼓設備及麥克風測點布置示意圖Fig.1 Layout of Measuring Points of Laboratory Drum Equipment and Microphone

4 不同規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，輪胎結構的復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，為研究輪胎花紋結構與輪胎噪聲之間的關系，總結規律，為各個實驗室研究設計出更優的輪胎花紋提供數據支撐，對以后優化花紋結構，進而設計出主觀評價更優的輪胎具有重要意義。選擇不同花紋節距以及花紋塊之間不規則的三種不同花紋，對比這三種花紋頻譜圖之間的差異性及花紋節距和花紋塊不規則化對輪胎噪聲產生影響的所占比重，花紋形式，如圖2所示。花紋1是市面上應用最為廣泛的五節距花紋，并且花紋左半部分與右半部分明顯不對稱，并且左右大小有明顯差異的花紋；花紋2是三節距花紋，并且花紋塊之間相互錯開，不會有交點的花紋；花紋3是單節距花紋，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 不同規格不同花紋輪胎A聲級對比分析

胎面花紋是輪胎噪聲的主要來源，目前主機廠測得的試驗數據表明低頻部分是影響車內噪聲的主要頻率段，在車內測得輪胎噪聲在800Hz以內，因此將關注重點放在（20～800）Hz的頻率段上。225/55R17、245/70R16、215/60R16三種不同規格、不同花紋的輪胎采用室內低噪音轉鼓法測得的80km·h-1下輪胎噪聲頻譜圖，如圖3所示。研究花紋對輪胎噪聲影響的頻率段。從圖中可以看出，在（0～300）Hz頻率段，三條輪胎聲壓級變化趨勢一致，在300Hz之后聲壓級出現明顯差異變化，不同規格不同花紋的輪胎對300Hz之后輪胎噪聲的影響各不相同，因此花紋對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 相同規格不同花紋A聲級對比分析

195/65R15的三種不同花紋形態輪胎在速度工況為80km·h-1時噪聲頻譜圖為研究表明速度工況為80km·h-1時，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輪胎在速度工況為80km·h-1時噪聲頻譜圖，如圖5所示。175/65R14與225/55R17兩種不同規格相同花紋在速度工況為80km·h-1時的噪聲頻譜圖，如圖6所示。對比這四種規格輪胎，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聲壓級最高，花紋1明顯優于其他兩種類型。花紋1性能之所以優于另外兩個花紋，原因是合理利用了左半節距序列花紋與右半節距序列花紋之間的錯位，能量疊加會造成噪聲峰值的疊加，錯位可以將能量分散，不至于集中分布，能量分散之后，噪聲峰值也會隨之分散，因此錯位可以將噪聲峰值較均勻分布，不會在某一頻率段產生突然升高的現象。研究表明合理的錯位可降噪（1～5）dB，達到降低花紋噪聲峰值的效果。

圖4 規格為195/65R15的三種不同花紋形態輪胎在80km·h-1時噪聲頻譜圖Fig.4 Noise Spectrum of 195/65R15 Tyres with Three Different Tread Patterns at 80km·h-1

圖5 規格為215/60R16的三種不同花紋形態輪胎80km·h-1時噪聲頻譜圖Fig.5 Noise Spectrum of Three Different Tread Patterns of 215/60R16 Tyres at 80km·h-1

圖6 相同花紋不同規格輪胎80km·h-1時噪聲頻譜圖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，從噪聲峰值上看花紋2的噪聲峰值明顯大于另外兩個花紋，花紋3 的噪聲峰值較為適中，花紋1聲壓級曲線最為平緩。如果輪胎花紋是以相同的花紋塊與花紋溝重復排列出現，具有很強的規律性，那么噪聲可能會在某一處產生疊加，造成在某一頻率段類，出現很高的峰值，從而對乘客的乘坐舒適性造成影響，會出現主觀評價不可接受的現象。為了避免疊加，將噪聲峰值均勻分布到每一個頻率段，在進行輪胎表面花紋設計時，應該將花紋不規則化，降低輪胎噪聲出現重疊的概率。五節距花紋較三節距與單節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 性能最穩定。五節距花紋性能比三節距花紋更優，而單節距花紋因排列方式單一，噪聲可能會在某一處產生疊加，造成在某一頻率段類，出現很高的峰值，所以性能最差；左右花紋塊之間明顯不對稱分布的花紋輪胎降噪效果更好。即便規格尺寸花紋一模一樣的輪胎，也會因做工，雕刻的微小差異對噪聲產生影響。

4.3 相同規格不同花紋輪胎隨速度變化下的A聲級

規格為195/65R15的三種不同花紋形態輪胎在不同速度下的聲壓級變化曲線，如圖7所示。

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

三種輪胎聲壓級均隨著速度的增加呈現一種線性增加趨勢，分析原因是隨著速度的不斷增加，輪胎花紋溝槽與轉鼓表面的重復壓縮和張開產生的“泵浦噪聲”增加，它可以產生較大的輪胎噪聲；其次是空氣動力學效應，在輪胎滾動過程中，輪胎轉動造成周圍空氣的不穩定，以至于氣壓發生變化，所以速度越大，噪聲越大。

輪胎速度在不斷上升的過程中，輪胎內部的氣壓不是保持不變的，內部空氣受到地面力的作用，會導致輪胎內壓強增大。壓強的增大又會導致輪胎對地面擠壓力變大，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重，對地面的撞擊力增大，振動噪聲就會隨著速度的增加變大。這是輪胎噪聲聲壓級隨著速度呈現線性增加的原因。175/65R14與225/55R17兩種不同規格相同花紋輪胎隨速度變化下的聲壓級變化曲線，如圖8所示。

圖8 相同花紋不同規格輪胎在不同速度下的聲級變化曲線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區間，175/65R14規格輪胎聲壓級較低，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區間，175/65R14 規格輪胎噪聲聲壓級明顯增大，當速度大于80km·h-1時，空氣擾動噪聲占據主導地位，速度越高，噪聲越大，可能是因為在同等載荷下，接地面積小，壓強變大，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 結論

基于室內輪胎轉鼓法測試的試驗數據，對不同規格不同花紋輪胎產生的噪聲數據進行對比分析，總結不同花紋聲壓級變化的規律，得出一些對低噪音輪胎花紋結構設計具有重要價值的結論：

（1）花紋對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，不會在某一頻率段產生突然升高的現象，更能有效減少相同頻率上噪聲的疊加。

（4）對于轎車輪胎，輪胎花紋噪聲與車輛行駛速度呈現正相關。