輪胎/路面噪聲影響因素研究

劉　威， 易　文， 何賢鋒， 譚　利

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙　410004；　2.長沙市公路管理局， 湖南 長沙　410007)

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輪胎/路面噪聲影響因素研究

劉威1， 易文1， 何賢鋒2， 譚利1

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙410004；2.長沙市公路管理局， 湖南 長沙410007)

摘要：通過研究輪胎/路面噪聲形成機(jī)制和相關(guān)成果，總結(jié)了輪胎/路面噪聲的主要影響因素，得到了不同車速條件下，不同模量輪胎的內(nèi)、外胎與噪聲的關(guān)系曲線，同時(shí)，對(duì)降低輪胎/路面噪聲提出了建議。

關(guān)鍵詞：輪胎/路面噪聲； 形成機(jī)制； 影響因素

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國道路交通事業(yè)迅速發(fā)展，隨之而來的噪聲污染問題也日趨嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人們的日常工作和生活，成為社會(huì)一大公害。隨著人們生活水平的提高，噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)提高，降低噪聲已成為當(dāng)前人們的迫切需求。

機(jī)動(dòng)車行駛時(shí)，輪胎與路面接觸產(chǎn)生的噪聲稱為輪胎/路面噪聲。由于路面與機(jī)動(dòng)車直接接觸，噪聲持續(xù)產(chǎn)生。研究表明，當(dāng)汽車行駛速度超過50 km/h時(shí)，輪胎/路面噪聲成為小型汽車的主要噪聲源[1]；當(dāng)汽車行駛速度超過60 km/h時(shí)，輪胎/路面噪聲成為機(jī)動(dòng)車的主要噪聲源[2]，因此，降低路面噪聲首先必須降低輪胎/路面噪聲。

輪胎與路面接觸產(chǎn)生噪聲，無論是輪胎還是路面，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，都能夠適當(dāng)降低噪聲值。目前國內(nèi)外很多汽車公司都進(jìn)行了低噪聲輪胎的設(shè)計(jì)，部分高校及科研院所也對(duì)降噪路面進(jìn)行了研究。因此，輪胎/路面噪聲的影響因素對(duì)輪胎及路面的設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵作用。通過對(duì)其影響因素探討，以求對(duì)今后的研究提供借鑒與參考。

1輪胎/路面噪聲的形成機(jī)制

通常認(rèn)為，輪胎/路面噪聲的產(chǎn)生包括以下三個(gè)方面：

1) 輪胎振動(dòng)：輪胎振動(dòng)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)所引起。輪胎材料結(jié)構(gòu)的不均勻性、路面平整性及粗糙性、輪胎花紋塊等因素會(huì)引起胎體振動(dòng)；輪胎與路面接觸面產(chǎn)生的局部切向力會(huì)導(dǎo)致輪胎滑移，輪胎與路面間的摩擦力會(huì)引起胎面形變，進(jìn)而產(chǎn)生胎面振動(dòng)：輪胎振動(dòng)包括內(nèi)胎面和外胎面的振動(dòng)，研究表明，輪胎振動(dòng)尤其是外胎面的振動(dòng)是產(chǎn)生輪胎/路面噪聲的最重要原因[3，4]。

2) 空氣泵吸噪聲：輪胎與路面接觸時(shí)，輪胎花紋與路面形成封閉區(qū)域。汽車在行駛過程中，封閉區(qū)域內(nèi)部及邊緣空氣被擠壓排出，同時(shí)又很快被空氣回填，形成“氣泵效應(yīng)”。由于接觸面很小、汽車行駛速度快、接觸時(shí)間短暫、擠壓力度大，產(chǎn)生了較強(qiáng)的“泵吸噪聲”。

3) 空氣動(dòng)力性噪聲：當(dāng)車輛以較高速度行駛時(shí)，輪胎的直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)促使周圍氣流發(fā)生振動(dòng)，特別是在輪胎后部與路面間形成局部渦流，引起空氣壓力的急劇變化進(jìn)而產(chǎn)生空氣動(dòng)力性噪聲。一般情況下，空氣動(dòng)力性噪聲可不作考慮。

2輪胎/路面噪聲的相關(guān)研究

為了降低輪胎/路面噪聲，大量學(xué)者對(duì)低噪聲輪胎及低噪聲路面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，部分成果已經(jīng)得到應(yīng)用。同濟(jì)大學(xué)深入研究輪胎噪聲的產(chǎn)生機(jī)理[5，6]，認(rèn)為輪胎/路面噪聲是車輛的主要噪聲源之一，主要包括胎面花紋噪聲、彈性振動(dòng)噪聲和空氣亂流噪聲3種。陳理君[7]等研究發(fā)現(xiàn)，輪胎噪聲的主要影響因素在于輪胎接地區(qū)域狀況、溝槽狀況、輪胎模態(tài)及胎面花紋形變。同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所俞悟周等[8]在研究中發(fā)現(xiàn)，輪胎/路面噪聲與多種因素有關(guān)，其中比較重要的影響因素是胎面花紋圖案、輪胎材料特性和路面。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在輪胎噪聲發(fā)聲機(jī)理研究中建立了物理數(shù)學(xué)模型分析[9]，在輪胎噪聲的量化模擬上提出定量設(shè)計(jì)理論，認(rèn)為輪胎噪聲與輪胎結(jié)構(gòu)與胎面花紋、運(yùn)行參數(shù)及環(huán)境因素密切相關(guān)。20世紀(jì)后期，人們很少再單獨(dú)研究輪胎或路面單個(gè)對(duì)噪聲的影響，而是將輪胎與路面作為整體結(jié)構(gòu)加以研究。日本學(xué)者研究路面平整度引起的輪胎振動(dòng)對(duì)輪胎噪聲的影響，認(rèn)為平整度是輪胎噪聲產(chǎn)生的重要原因，提出了輪胎-路面接觸模型，計(jì)算路面平整度對(duì)輪胎振動(dòng)的影響。

3輪胎/路面噪聲的形成及影響因素

3.1輪胎/路面噪聲的形成及吸收過程

輪胎/路面噪聲形成后，一部分被路面混合料的粗糙紋理所反射，另一部分直接排放到大氣環(huán)境中，最后一部分進(jìn)入孔隙內(nèi)部往深處傳播并被吸收和消耗。圖1是路面噪聲形成區(qū)域及多孔隙路面吸收噪聲示意圖。

圖1　輪胎路面噪聲形成及吸收示意圖

3.2輪胎/路面噪聲的影響因素分析

研究發(fā)現(xiàn)，輪胎/路面噪聲的影響因素主要在于輪胎狀況、路面狀況、汽車狀況及環(huán)境狀況4個(gè)方面，各個(gè)方面的主要影響因素如表1。

其中主要影響因素在于輪胎與路面兩個(gè)方面，由于汽車類型、車速及環(huán)境狀況不易控制，所以輪胎與路面的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。研究表明，輪胎與路面的主要影響因素在于輪胎花紋塊、輪胎材料、輪胎充氣壓力、輪胎荷載、輪胎溝槽深度、路面厚度、空隙率、級(jí)配類型、路面結(jié)構(gòu)、車速等。

表1 輪胎路面噪聲的影響因素輪胎路面汽車環(huán)境輪胎材料路面厚度車速環(huán)境本底值噪聲輪胎構(gòu)造空隙率荷載路況輪胎尺寸集料級(jí)配發(fā)動(dòng)機(jī)功率風(fēng)速外胎花紋塊類型粘結(jié)劑驅(qū)動(dòng)力裝置風(fēng)向輪胎充氣壓力路面結(jié)構(gòu)傳動(dòng)裝置溫度溝槽深度路面粗糙度車型路邊障礙物輪胎荷載路面濕度操作狀況輪胎旋轉(zhuǎn)走向路面材料交通流密度輪胎磨損

輪胎花紋塊類型對(duì)輪胎/路面噪聲影響明顯。輪胎外胎的花紋塊類型與路面接觸區(qū)域形成封閉空腔，一方面外胎花紋塊間對(duì)輪胎具有一定的減震效果，另一方面輪胎花紋塊簡單間距與空氣泵吸噪聲息息相關(guān)。因此，不同外胎花紋的輪胎所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲和空氣泵吸噪聲不同。輪胎結(jié)構(gòu)正常的規(guī)則性運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲值并不明顯，而輪胎在經(jīng)歷擠壓、摩擦、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)后貢獻(xiàn)的噪聲值明顯增大。研究發(fā)現(xiàn)，交錯(cuò)橫溝外胎花紋間的溝槽間距無規(guī)則排序更有利于降低噪聲[5]。通常情況下，輪胎花紋塊所產(chǎn)生的噪聲值并不大，這與花紋塊的數(shù)量、排序、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，有利于空氣外排而減小了“泵吸效應(yīng)”。

輪胎材料對(duì)輪胎噪聲也有一定的影響。輪胎材料類型和胎面直徑影響輪胎外胎的彈性模量，不同彈性模量的輪胎胎面會(huì)產(chǎn)生不同形式的形變及不同的振動(dòng)程度。輪胎充氣壓力與輪胎荷載不是噪聲的主要影響因素，但二者與輪胎/路面噪聲呈正相關(guān)，輪胎氣壓與驅(qū)動(dòng)力矩有關(guān)。當(dāng)車輛荷載及充氣壓力增加時(shí)，外胎面花紋擴(kuò)展，輪胎與路面的接觸面積減小，接地壓力增大，促使橫向花紋輪胎花紋塊內(nèi)部形成封閉“空腔”，進(jìn)而導(dǎo)致路面噪聲增加，而對(duì)縱向花紋輪胎則影響不大。圖2、圖3是對(duì)2種高、低彈性模量的輪胎在50 km/h和100 km/h時(shí)的輪胎/路面噪聲的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)外胎面彈性模量比內(nèi)胎面彈性模量影響大，不同彈性模量的輪胎/路面噪聲最大差別達(dá)到7 dB[10]。

圖2　車速為50 km/h時(shí)輪胎噪聲

圖3　車速為100 km/h時(shí)的輪胎噪聲

路面對(duì)輪胎/路面噪聲影響顯著，不同材料、粗糙度、濕度的路面所產(chǎn)生的噪聲值不同。剛性較高的路面，對(duì)汽車輪胎振動(dòng)的緩沖效果不佳，但其路面的穩(wěn)定性、平整性及耐久性良好，可以充分保證輪胎運(yùn)行過程中的平衡性，避免輪胎出現(xiàn)胎體非均一性，受熱時(shí)輪胎在路面運(yùn)行過程出現(xiàn)局部畸變等問題；剛性較低的多孔路面表面布滿大量孔隙，可以有效吸收噪聲，摻有有機(jī)改性劑的瀝青混合料可以減輕輪胎的顛簸程度，但路面強(qiáng)度較差，且路面易受環(huán)境溫度的影響，所以，不同路面輪胎的形變及振動(dòng)程度不同，不同路面對(duì)噪聲的吸收也不同。圖4是對(duì)長瀏S103兩種不同路面在不同車速條件下，采用TES-1352H型噪聲計(jì)，參照《機(jī)動(dòng)車輛噪聲測量方法》(GB1496-79)進(jìn)行測試所得的結(jié)果。圖中結(jié)果表明，兩種路面的噪聲值均值差值最大可達(dá)6.4 dB，說明汽車在密集配路面比防滑降噪路面產(chǎn)生更大的噪聲值；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，防滑降噪路面的噪聲值也比較大，結(jié)合現(xiàn)場觀察分析認(rèn)為，這與路面材料孔隙的填塞程度及連通孔隙空間結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。

圖4　路面對(duì)輪胎/路面噪聲的影響

對(duì)比兩種路面可以發(fā)現(xiàn)，同種車速條件下不同路面所產(chǎn)生的輪胎/路面噪聲值有一定的差異性，車速每提高1倍，輪胎/路面噪聲增加6～9 dB。輪胎/路面噪聲與路面厚度、空隙率、集料級(jí)配、粘結(jié)劑有一定關(guān)系。

路面厚度的通透性可以用流阻來衡量。流阻是指在穩(wěn)定狀態(tài)下，吸聲材料雙面壓力差與氣流線速度的比值，單位厚度材料的流阻稱作比流阻。當(dāng)路面材料厚度不大時(shí)，比流阻越大，穿過材料的空氣量則越小；若比流阻太小，那么聲波穿過多孔材料時(shí)會(huì)與多孔材料邊壁發(fā)生摩擦以及被粘滯力損耗，吸聲性能也就會(huì)有所降低，因此多孔材料只存在一個(gè)最佳流阻。

空隙率是輪胎/路面噪聲的重要影響因素，多孔隙路面通常具有較好的吸收噪聲的空間結(jié)構(gòu)，路面表面及內(nèi)部具有發(fā)達(dá)連通的孔隙，路面孔隙吸收噪聲進(jìn)入孔隙內(nèi)部并將其消耗掉。因此，材料表面孔隙保持開孔并與材料內(nèi)部孔隙連通，能夠有效吸收噪聲。增大瀝青混合料的空隙率可以提高吸收聲能的能力，連通空隙率越大，吸聲效果越好[11]。

集料級(jí)配對(duì)路面噪聲的吸收影響不大。最大粒徑較小的瀝青混合料路面平整度更好，這種路面可以有效降低行車的顛簸程度，減輕輪胎振動(dòng)。并且，路面發(fā)達(dá)的負(fù)紋理(單位面積內(nèi)表面的構(gòu)造數(shù)量)可以吸收和消耗噪聲。

瀝青混凝土中的外摻改性劑種類較多，通常采用的有SBS或橡膠類材料。改性后的瀝青體系具

有像蛋白質(zhì)、尼龍一樣的棒狀聚合物結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了瀝青一定的彈性，使得路面成功吸收輪胎的振動(dòng)和沖擊噪聲。

4降低輪胎/路面噪聲的措施

由所分析的輪胎/路面噪聲的產(chǎn)生機(jī)制及影響因素，可以采取如下措施。

4.1輪胎方面

1) 輪胎花紋塊采用柔韌性好的材料制作，以減輕荷載條件下胎面對(duì)路面的沖擊；花紋塊間距應(yīng)按照不等比例設(shè)計(jì)。

2) 保證花紋溝良好的透性，有利于花紋溝閉合區(qū)域空氣流動(dòng)外排，減小了空氣泵吸噪聲和共振效應(yīng)；花紋溝越窄越細(xì)越能夠減輕輪框振動(dòng)。

3) 加強(qiáng)輪胎的平衡性和均一性設(shè)計(jì)。

4.2路面方面

1) 采用低噪聲路面，能夠有效降低輪胎/路面噪聲。

2) 路面厚度采用4 cm為宜。呼安東[12]、尹義林[13]等均采用了駐波法對(duì)不同厚度的瀝青混合料配制的試件進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：大空隙低噪聲瀝青路面厚度選取4 cm時(shí)降噪效果最佳。

3) 適當(dāng)提高路面材料的空隙率，能夠較大程度地降低噪聲。

4) 采用柔性路面，如橡膠高粘高彈改性瀝青路面，既能夠利用孔隙吸收噪聲，也能夠降低輪胎的激振程度。

5) 同等條件下，選擇最大粒徑較小的集料級(jí)配，這種路面平整度好，保證了輪胎運(yùn)行的平衡性和均勻性。并且，路面發(fā)達(dá)的負(fù)紋理(單位面積內(nèi)表面的構(gòu)造數(shù)量)可以吸收和反射噪聲。

5結(jié)論

輪胎/路面噪聲的研究對(duì)降低交通噪聲意義深遠(yuǎn)，但是輪胎/路面噪聲的影響因素較多，某些發(fā)生機(jī)理間的關(guān)系還沒有完全理清，分析往往忽視了某些因素的共同作用達(dá)到的的疊加效果。同時(shí)，本次試驗(yàn)中對(duì)輪胎自身運(yùn)行產(chǎn)生的“純音”和輪胎路面相互作用產(chǎn)生的噪聲間沒有作明顯的區(qū)分，而是看作整體加以考慮；因?yàn)橹谎芯苛藘煞N路面，所以數(shù)據(jù)還不具備廣泛的代表性；輪胎/路面噪聲發(fā)生機(jī)理的貢獻(xiàn)程度會(huì)隨輪胎、路面、車速等因素的改變而變化；這些都需要在以后的研究中仔細(xì)考量。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0031-03

收稿日期:2015-12-14

基金項(xiàng)目:湖南省交通科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為201303; 土木工程應(yīng)用技術(shù)湖南省研究生創(chuàng)新基地資助項(xiàng)目

作者簡介:劉威( 1991-) ，男，在讀研究生，主要從事道路工程方面的研究。

通訊作者:易文( 1968-) ，女，教授，碩士學(xué)位，在讀博士，目前主要從事道路工程方面的研究。

中圖分類號(hào)：U 416.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A