輪胎花紋節(jié)距噪聲研究及其應(yīng)用

朱振華，金基典，田 穎，張 敏，王建中，陳 弘

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

近年來(lái)輪胎噪聲是輪胎性能研究的熱點(diǎn)。根據(jù)資料和實(shí)測(cè)分析，當(dāng)車速大于70 km·h-1時(shí)，花紋噪聲成為輪胎噪聲的主體[1]?；y噪聲發(fā)聲機(jī)理包括花紋塊撞擊噪聲及花紋溝槽泵浦噪聲、氣柱共鳴噪聲等[2]，輪胎滾動(dòng)過(guò)程中胎體和胎面振動(dòng)向外輻射的噪聲是輪胎噪聲的主要來(lái)源之一[3]。轎車子午線輪胎胎面撞擊產(chǎn)生的噪聲頻譜峰值在800～1 000 Hz之間[4]，該頻段處于人耳較為敏感的聽覺(jué)頻率范圍內(nèi)。

降低胎面花紋噪聲有兩種方法：一是防止輪胎噪聲能量集中在較窄頻帶內(nèi)，該方法可通過(guò)多種節(jié)距排列實(shí)現(xiàn)；二是降低輪胎在滾動(dòng)過(guò)程中由于花紋塊的不連續(xù)性產(chǎn)生的自激力[5]。采用多種花紋節(jié)距設(shè)計(jì)，通過(guò)節(jié)距序列優(yōu)化改善輪胎噪聲是目前普遍采用的方法[6-8]?；y噪聲仿真可以采用節(jié)距和花紋樣式設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算[6，9]，也可以先對(duì)節(jié)距噪聲進(jìn)行仿真，再與花紋樣式匹配進(jìn)行計(jì)算[5]。

本工作從胎面撞擊地面的發(fā)聲機(jī)理出發(fā)，探討花紋節(jié)距噪聲。

1 花紋節(jié)距噪聲計(jì)算方法

1.1 花紋節(jié)距噪聲計(jì)算

將輪胎胎面沿周向用與行駛方向垂直的橫向花紋溝分成N個(gè)節(jié)距，如圖1所示。

圖1 輪胎胎面節(jié)距劃分示意

當(dāng)輪胎行駛時(shí)，與地面接觸的胎面受到力F的作用，而橫向花紋溝與地面不接觸，受力為零，則可得到胎面隨時(shí)間（t）變化的受力函數(shù)F（t），如圖2所示，可將其看成節(jié)距噪聲的時(shí)域波[9-10]。

圖2 輪胎行駛時(shí)胎面隨時(shí)間變化的受力函數(shù)

假設(shè)輪胎行駛速度為v，第i個(gè)節(jié)距長(zhǎng)度為Di，則經(jīng)過(guò)第i個(gè)節(jié)距長(zhǎng)度所需時(shí)間（ti）為

對(duì)F（t）進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，設(shè)輪胎的旋轉(zhuǎn)周期為T，則可得輪胎節(jié)距噪聲頻譜函數(shù)為

其中

式中，n為階次。若輪胎的周長(zhǎng)為L(zhǎng)，則輪胎的基頻（f）為

第n階的頻率（fn）為

根據(jù)以上計(jì)算公式，采用編程軟件進(jìn)行編程計(jì)算，以階次或頻率為橫坐標(biāo)，噪聲的幅值（相對(duì)值，無(wú)單位）為縱坐標(biāo)，即可得花紋節(jié)距噪聲頻譜圖。

1.2 花紋節(jié)距噪聲評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

得到花紋節(jié)距噪聲頻譜圖后，需有優(yōu)劣評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)行后續(xù)方案優(yōu)選及對(duì)節(jié)距設(shè)計(jì)優(yōu)化。205/55R16輪胎花紋節(jié)距設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 205/55R16輪胎的花紋節(jié)距設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述計(jì)算方法，取前300階的計(jì)算結(jié)果，可得到節(jié)距噪聲頻譜，如圖3所示。階次越大，分析的頻率越高，一般分析到300階就可以了。

從圖3可以看出，在50～100階之間出現(xiàn)了一個(gè)波峰，稱為一次諧波，在100～200階之間又出現(xiàn)一個(gè)波峰，稱為二次諧波，以此類推，隨著階次的增大，波峰越來(lái)越不明顯。

圖3 205/55R16輪胎節(jié)距噪聲頻譜

LT245/75R17輕型載重輪胎的花紋節(jié)距設(shè)計(jì)方案如表2所示，其節(jié)距噪聲頻譜如圖4所示。

表2 LT245/75R17輪胎的花紋節(jié)距設(shè)計(jì)方案

圖4 LT245/75R17輪胎節(jié)距噪聲頻譜

從圖4可以看出，前三次諧波的波峰很明顯。

采用多節(jié)距排列的目的是使節(jié)距噪聲的能量盡量分散在較寬頻帶上。大部分節(jié)距噪聲頻譜一次諧波能量最集中，峰值最大，也有小部分二次諧波的峰值大于一次諧波峰值。為了使評(píng)判快捷高效，一般采用一次諧波對(duì)不同方案進(jìn)行評(píng)判。

一次諧波的分散程度可用能量集中因數(shù)（To）表示，如果一次諧波中的最大幅值為AP，最大幅值對(duì)應(yīng)的階次為P，第n階的幅值為An，則To的計(jì)算公式為

式中，k表示衡量分散程度的帶寬，可以自定義，例如對(duì)于轎車輪胎，節(jié)距數(shù)為60～70個(gè)比較常見(jiàn)，k可以取6～14之間的某個(gè)值。To值越小，說(shuō)明能量分布越分散，節(jié)距噪聲性能越好。

除了To值評(píng)價(jià)方法外，也可以采用一次諧波中的AP及i～i＋h階的幅值之和等參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，h取值可根據(jù)情況自定義，都是越小越好。

2 花紋節(jié)距噪聲仿真的應(yīng)用

由于花紋節(jié)距噪聲是因胎面撞擊而產(chǎn)生，頻譜峰值在800～1 000 Hz之間，而室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法測(cè)得的噪聲和室外滑行法測(cè)得的噪聲頻譜峰值一般也處于或者接近這個(gè)范圍，并且有一定的相關(guān)性[11]，因此在某種程度上可以推斷，在花紋樣式、行駛面寬度、輪胎結(jié)構(gòu)基本一致的情況下，節(jié)距噪聲仿真模型不僅可以用于節(jié)距噪聲大小趨勢(shì)判定，而且可以對(duì)輪胎噪聲大小趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，既可以對(duì)不同規(guī)格輪胎進(jìn)行比較，也可以對(duì)同規(guī)格不同花紋節(jié)距方案輪胎進(jìn)行比較，但不同方案的節(jié)距總數(shù)應(yīng)盡量相等或相近。

2.1 不同規(guī)格輪胎的對(duì)比

2.1.1 節(jié)距設(shè)計(jì)方案

某195/65R15和195/60R14輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和花紋樣式設(shè)計(jì)一致，行駛面寬度都是158 mm，花紋節(jié)距設(shè)計(jì)方案如表3所示，兩個(gè)輪胎行駛面寬度部分的花紋展開如圖5所示。

圖5 195/65R15和195/60R14輪胎花紋展開示意

表3 195/65R15和195/60R14輪胎的花紋節(jié)距設(shè)計(jì)方案

2.1.2 節(jié)距噪聲仿真和實(shí)測(cè)

兩個(gè)輪胎的節(jié)距噪聲仿真頻譜如圖6所示，一次諧波的To值和峰值如表4所示。

表4 195/65R15和195/60R14輪胎節(jié)距噪聲參數(shù)

圖6 195/65R15和195/60R14輪胎節(jié)距噪聲頻譜

從圖6和表4可以看出，195/65R15輪胎一次諧波的To值和幅值峰值都明顯小于195/60R14輪胎，峰值都出現(xiàn)在69階的位置，從而可以預(yù)判前者的噪聲低于后者。

對(duì)兩個(gè)輪胎進(jìn)行滑行法噪聲測(cè)試[12]，測(cè)試車輛相同，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 195/65R15和195/60R14輪胎滑行法噪聲測(cè)試結(jié)果 dB（A）

從表5可以看出，195/65R15輪胎滑行法噪聲的實(shí)測(cè)結(jié)果比195/60R14輪胎低，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)一致。

2.2 不同花紋節(jié)距方案輪胎的對(duì)比

2.2.1 節(jié)距設(shè)計(jì)方案

205/55R16輪胎的節(jié)距設(shè)計(jì)方案如表6所示，其中方案一有4種節(jié)距，方案二有3種節(jié)距。

表6 205/55R16輪胎的花紋節(jié)距設(shè)計(jì)方案

兩方案輪胎共用胎坯，花紋設(shè)計(jì)樣式相似，行駛面寬度都是164 mm，兩方案輪胎行駛面寬度部分的花紋展開如圖7所示。

圖7 205/55R16輪胎兩方案花紋展開示意

2.2.2 節(jié)距噪聲仿真和實(shí)測(cè)

兩個(gè)方案的節(jié)距噪聲仿真頻譜如圖8所示。進(jìn)行滑行法噪聲測(cè)試時(shí)采用同一測(cè)試車輛，節(jié)距噪聲仿真頻譜一次諧波的To值、幅值峰值及噪聲測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 205/55R16輪胎兩方案節(jié)距噪聲參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和噪聲測(cè)試結(jié)果

圖8 205/55R16輪胎兩方案節(jié)距噪聲頻譜

從圖8和表7可以看出，205/55R16輪胎方案一的噪聲仿真結(jié)果明顯優(yōu)于方案二，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致。

從以上兩方案來(lái)看，噪聲仿真與測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致，說(shuō)明以節(jié)距噪聲頻譜的一次諧波參數(shù)To值和幅值峰值作為輪胎噪聲優(yōu)劣判據(jù)是合理的，因此該判據(jù)也可作為后續(xù)節(jié)距噪聲優(yōu)化的依據(jù)。

3 結(jié)論

本工作基于花紋節(jié)距噪聲仿真原理，在除了節(jié)距設(shè)計(jì)外其他條件盡量一致的情況下，研究了不同規(guī)格和不同節(jié)距設(shè)計(jì)方案輪胎的噪聲差異，說(shuō)明節(jié)距設(shè)計(jì)對(duì)于輪胎降噪有一定的貢獻(xiàn)度和重要性。由于節(jié)距噪聲仿真比花紋噪聲仿真快捷很多，因此輪胎花紋噪聲仿真可先對(duì)節(jié)距進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，再與花紋樣式進(jìn)行匹配，這樣可以提高仿真和優(yōu)化效率，縮短新花紋開發(fā)周期。

通過(guò)以上分析，可以認(rèn)為以節(jié)距噪聲頻譜一次諧波的能量集中因數(shù)和峰值作為節(jié)距噪聲性能趨勢(shì)的判據(jù)是合理的。在行駛面寬度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一致、花紋樣式類似的前提下，不同規(guī)格或不同節(jié)距設(shè)計(jì)方案輪胎的節(jié)距噪聲仿真結(jié)果與滑行法噪聲測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致，因此在特定情況下可采用節(jié)距噪聲仿真結(jié)果對(duì)輪胎噪聲性能趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判。

由于輪胎花紋噪聲的發(fā)聲機(jī)理較為復(fù)雜，還需要通過(guò)花紋其他的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行降噪，而且還涉及到水滑、磨耗等其他花紋性能，因此輪胎花紋設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的工程。