吸音海綿輪胎使用補(bǔ)胎劑后對(duì)其空腔噪聲的影響分析

莫龍根，于 江，馬祖國(guó)，鐘震海

（極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著乘用汽車電氣化時(shí)代的到來(lái)，對(duì)于整車 噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）的要求也水漲船高了。沒(méi)了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的遮掩，輪胎胎噪聲就顯得更明顯了。其中輪胎的空腔噪聲是胎噪的主要來(lái)源之一，也是輪胎特有的噪聲。輪胎空腔噪聲是由路面不平度和輪胎不均勻性激勵(lì)，引起輪胎空腔模態(tài)共振并與輪輞耦合后通過(guò)車軸和車身部件的傳遞導(dǎo)致車內(nèi)噪聲[1]。這嚴(yán)重影響了整車的靜音效果。

若通過(guò)輪胎結(jié)構(gòu)調(diào)整來(lái)降低空腔噪聲，則對(duì)輪胎其他性能有較大影響，如滾阻系數(shù)、操控性、耐久性等。因此，輪胎內(nèi)部添加吸音材料和輪輞進(jìn)行聲學(xué)處理等方式成為目前降低空腔共振噪聲的主要途徑[2]。而輪胎內(nèi)部添加吸音材料（即吸音海綿）降噪最明顯，最大可以達(dá)到8.0 dB[3]（噪聲峰值），如此，可以從源頭上優(yōu)化輪胎空腔噪聲。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，目前多款電動(dòng)汽車采用此技術(shù)的輪胎，說(shuō)明此技術(shù)的降噪效果普遍獲得車企的認(rèn)可，未來(lái)可能成為電動(dòng)汽車的新寵。

現(xiàn)今，電動(dòng)汽車因空間布置問(wèn)題，一般用補(bǔ)胎套裝代替?zhèn)涮?，既?jié)省了空間也節(jié)省了成本還減輕了整車重量，并且補(bǔ)胎套裝的使用比備胎更換更加輕松便捷，對(duì)于動(dòng)手能力和體力的要求更低。補(bǔ)胎套裝由電動(dòng)充氣泵和補(bǔ)胎劑組成，作為應(yīng)急工具使用，適用于臨時(shí)修補(bǔ)輪胎胎面被扎孔徑小于6 mm 的情況。其工作原理利用電動(dòng)充氣泵的壓力將補(bǔ)胎劑注入到輪胎內(nèi)腔，然后隨著輪胎滾動(dòng)，補(bǔ)胎劑均勻地分布在輪胎內(nèi)壁上，在胎壓的作用下將其擠壓滲入到扎孔處，最后在輪胎彈性摩擦作用下補(bǔ)胎劑產(chǎn)生橡膠顆粒，隨即實(shí)現(xiàn)補(bǔ)胎效果。這樣就與吸音海綿輪胎發(fā)生矛盾了。1）補(bǔ)胎劑能否修補(bǔ)吸音海綿輪胎？2）補(bǔ)胎劑修補(bǔ)過(guò)程中會(huì)滲透到吸音海綿中，且無(wú)法完全將其從吸音海綿中清理干凈，如此是否會(huì)影響吸音海綿輪胎的降噪功能？

1 試驗(yàn)方案

1.1 補(bǔ)胎劑修補(bǔ)吸音海綿輪胎的試驗(yàn)方案

1.1.1 試驗(yàn)材料清單

材料清單如表1 所示。

表1 試驗(yàn)材料清單

1.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

第一步：將輪胎與輪輞裝配好，胎壓充至250 kPa，并在環(huán)境溫度（25±5）℃下，存放24 h。

第二步：存放24 h 后，再檢測(cè)胎壓，若胎壓存在差異，則將其再次調(diào)整至250 kPa，并裝配到整車上。

第三步：在輪胎胎面中部溝槽內(nèi)用直徑為6 mm 的鋼釘扎孔。扎穿后拔出釘子并做好標(biāo)記（圖1）。然后用肥皂水噴在扎孔處，有氣泡冒出，說(shuō)明輪胎已經(jīng)被扎穿（圖2）。

圖1 用鋼釘扎輪胎

圖2 扎釘處冒泡

第四步：TEK 補(bǔ)胎套裝按其說(shuō)明組裝完成，并與車輛電源口鏈接，確保充氣泵能正常工作。同時(shí)將輪胎胎壓調(diào)整至0 kPa 為止。然后將充氣泵的軟管鏈接到氣門嘴上，打開(kāi)充氣泵開(kāi)關(guān)，將補(bǔ)胎劑打到輪胎內(nèi)腔里（圖3）。

圖3 將補(bǔ)胎劑打入到輪胎內(nèi)

第五步：補(bǔ)胎劑打入到輪胎內(nèi)腔后，將胎壓補(bǔ)充到250 kPa，然后關(guān)閉充氣泵，斷開(kāi)充氣泵與氣門嘴的鏈接，迅速收起實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以 30～80 km/h的速度開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)車。行駛5 km 后，停下車輛，將肥皂水再次噴在輪胎扎孔處，看是否有氣泡冒出，以此判斷輪胎是否漏氣（圖4）。

第六步：當(dāng)確認(rèn)輪胎不再漏氣后，將胎壓調(diào)整至250 kPa，車輛再行駛60 km。然后再用肥皂水噴在輪胎扎孔處，看是否有氣泡冒出，以此判斷輪胎是否漏氣（圖4）。

圖4 輪胎扎孔處未冒泡

1.2 使用過(guò)補(bǔ)胎劑的吸音海綿輪胎的空腔噪聲測(cè)試試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)材料清單

試驗(yàn)材料清單如表2 所示。

表2 試驗(yàn)材料清單

1.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

輪胎空腔噪聲是由于路面激勵(lì)車輪，輪胎胎面振動(dòng)與輪胎空腔系統(tǒng)共振引起的噪聲[4]。由此可知，路面激勵(lì)是引起空腔噪聲的主要影響因素之一，故選取了光滑瀝青路面、粗糙瀝青路面、水泥刻槽路面等三種激勵(lì)較大的測(cè)試路況來(lái)檢測(cè)輪胎空腔噪聲的大小，具體的測(cè)試條件如表3 所示。

表3 測(cè)試工況表

輪胎空腔噪聲有其固有模態(tài)，稱為腔體模態(tài)，對(duì)于典型的乘用車輪胎來(lái)說(shuō)，一階腔體模態(tài)的頻率為200～250 Hz，而且頻率大小與其體積有關(guān)[5-6]。而輪胎的花紋噪聲一般出現(xiàn)在車輛高速行駛時(shí)，頻率分布很廣，一般為800～2 000 Hz。所以研究中會(huì)通過(guò)看此頻率范圍內(nèi)是否有明顯峰值來(lái)確認(rèn)是否有花紋噪聲。據(jù)此，本試驗(yàn)僅需選取200～250 Hz 區(qū)間的空腔噪聲分貝值進(jìn)行對(duì)比分析。

另外，LMS 數(shù)據(jù)多通道采集儀所采集到的頻率按《GB/T 3240—1982 聲學(xué)測(cè)量中的常用頻率》的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行1/3 頻程處理分析。具體測(cè)試點(diǎn)布置如圖5 所示。

圖5 車內(nèi)麥克風(fēng)布置示意圖

考慮補(bǔ)胎劑使用情況的不同，將采用對(duì)比分析法，分析補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿輪胎的影響程度，詳細(xì)試驗(yàn)方案內(nèi)容如表4 所示。

表4 試驗(yàn)方案表

為了避免胎面打孔對(duì)試驗(yàn)效果的影響，A、B、C、D 四組輪胎的胎面均不扎孔，直接利用電動(dòng)充氣泵將補(bǔ)胎劑打入到C、D 組的輪胎內(nèi)腔，同時(shí)胎壓充至240 kPa。再以30 km/h 的速度行駛10 km，使補(bǔ)胎劑充分滲透到吸音海綿中。然后傾倒出未滲入到吸音海綿中的補(bǔ)胎劑（圖6），再將輪胎組裝好，等待整車測(cè)試。

圖6 清理輪胎內(nèi)腔的補(bǔ)胎劑

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 補(bǔ)胎劑修補(bǔ)吸音海綿輪胎的結(jié)果分析

通過(guò)1.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，被扎的吸音海綿輪胎用補(bǔ)胎劑修補(bǔ)后，輪胎扎孔處沒(méi)有冒泡。再繼續(xù)行駛60 km 后，扎孔處依然沒(méi)有冒泡。據(jù)此判斷，吸音海綿輪胎被扎后，可以用補(bǔ)胎劑進(jìn)行修補(bǔ)。靜音海綿的使用，不影響補(bǔ)胎劑的修補(bǔ)功能。

補(bǔ)胎劑打入輪胎內(nèi)腔后，隨著車輛行駛，并在胎壓和重力的作用下，液態(tài)狀的補(bǔ)胎劑通過(guò)靜音海綿表面密密麻麻的小孔，能順利地流淌到了輪胎內(nèi)襯層表面。因?yàn)楹＞d表面有密密麻麻的小孔，且都是互通的，形成了一條條通道通往輪胎內(nèi)襯層。同時(shí)與內(nèi)襯層接觸面極為細(xì)小，不會(huì)遮擋住被扎的孔，故不影響補(bǔ)胎劑滲入到孔內(nèi)。所以在輪胎內(nèi)襯層上貼吸音海綿，不影響補(bǔ)胎劑的補(bǔ)胎功能，即不影響補(bǔ)胎套裝的使用效果。

2.2 使用過(guò)補(bǔ)胎劑的吸音海綿輪胎的空腔噪聲測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 光滑瀝青路面測(cè)試結(jié)果分析

如圖7 所示，在光滑瀝青路面40 km/h 情況下，無(wú)論吸音海綿輪胎是何種狀態(tài)，其空腔噪聲分貝值平均比普通輪胎低2 dB 以上，即補(bǔ)胎劑使用后，吸音海綿輪胎依然保有著降低空腔噪聲的效果。

圖7 光滑瀝青路面40 km/h 測(cè)試結(jié)果

對(duì)比B、C 方案，C 方案分貝值略有提高，平均僅上升0.66 dB，即吸音海綿輪胎使用補(bǔ)胎劑后，其空腔噪聲略有提高，但其分貝值極其細(xì)小，不足1 dB，非專業(yè)人士，一般很難感知到。

對(duì)比C、D 方案，其分貝值基本相當(dāng)，無(wú)明顯差異，即吸音海綿輪胎使用補(bǔ)胎劑一周后，其空腔噪聲分貝值基本與剛使用時(shí)一致。推測(cè)，補(bǔ)胎劑干燥后，對(duì)吸音海綿上小孔沒(méi)有形成顯著的阻礙，不影響其吸收噪音的功能，故補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿的影響不隨時(shí)間地延長(zhǎng)而變差。

如圖8 所示，光滑瀝青路面60 km/h 情況下，無(wú)論吸音海綿輪胎是何種狀態(tài)，其空腔噪聲分貝值平均比普通輪胎低0.93 dB 以上，即補(bǔ)胎劑使用后，吸音海綿輪胎依然保有著降低空腔噪聲的效果。

圖8 光滑瀝青路面60 km/h 測(cè)試結(jié)果

對(duì)比B、C 方案，其分貝值基本相當(dāng)，差值僅0.35 dB，極其輕微，應(yīng)該是測(cè)試誤差所致。故推測(cè)60 km/h 行駛在光滑瀝青路面上時(shí)，補(bǔ)胎劑的使用對(duì)吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的效果基本無(wú)影響。

對(duì)比C、D 方案，其分貝值也基本相當(dāng)，差異值僅0.39 dB，應(yīng)該是測(cè)試誤差所致。即吸音海綿輪胎使用補(bǔ)胎劑一周后，其空腔噪聲的分貝值基本與剛使用時(shí)的一致。故推測(cè)，補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿的影響不隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變差。

2.2.2 粗糙瀝青路面測(cè)試結(jié)果分析

如圖9 所示，在粗糙瀝青路面40 km/h 情況下，無(wú)論吸音海綿輪胎是何種狀態(tài)，其空腔噪聲分貝值平均比普通輪胎低2.58 dB 以上，即補(bǔ)胎劑使用后，吸音海綿輪胎依然保有著降低空腔噪聲的效果。

圖9 粗糙瀝青路面40 km/h 測(cè)試結(jié)果

對(duì)比B、C 方案，兩方案所測(cè)的分貝值基本一致，差值僅0.14 dB，應(yīng)是測(cè)試誤差所致。故推測(cè)在40 km/h 的粗糙瀝青路面上，補(bǔ)胎劑的使用對(duì)吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的效果無(wú)影響。

對(duì)比C、D 方案，兩方案所測(cè)的分貝值也基本一致，無(wú)明顯差。故推測(cè)，補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿的影響不隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變差。

如圖10 所示，粗糙瀝青路面60 km/h 情況下，無(wú)論吸音海綿輪胎是何種狀態(tài)，其空腔噪聲分貝值平均比普通輪胎低1.01 dB 以上，即補(bǔ)胎劑使用后，吸音海綿輪胎依然保有著降低空腔噪聲的效果。

圖10 粗糙瀝青路面60 km/h 測(cè)試結(jié)果

對(duì)比B、C 方案，兩方案所測(cè)的分貝值基本一致，無(wú)明顯差別。故推測(cè)在60 km/h 的粗糙瀝青路面上，補(bǔ)胎劑的使用對(duì)吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的效果無(wú)影響。

對(duì)比C、D 方案，D 方案所測(cè)的分貝平均值低0.62 dB，略成下降趨勢(shì)，但差距不明顯，若忽略測(cè)試誤差影響，差距極其細(xì)微。即補(bǔ)胎劑使用一周后，吸音海綿輪胎空腔噪聲分貝值基本與剛使用時(shí)處于同一水平。故推測(cè)，補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿的影響不隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變差。

2.2.3 水泥刻槽路面測(cè)試結(jié)果分析

如圖11 所示，水泥刻槽路面40 km/h 情況下，無(wú)論吸音海綿輪胎是何種狀態(tài)，其空腔噪聲分貝值平均比普通輪胎低1.76 dB 以上，即補(bǔ)胎劑使用后，吸音海綿輪胎依然保有著降低空腔噪聲的效果。

圖11 水泥刻槽路面40 km/h 測(cè)試結(jié)果

對(duì)比B、C 方案，兩方案所測(cè)的分貝值基本一致，無(wú)明顯差別。故推測(cè)在40 km/h 的水泥刻槽面上，補(bǔ)胎劑的使用對(duì)吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的效果無(wú)影響。

對(duì)比C、D 方案，兩方案所測(cè)的分貝值也基本一致，無(wú)明顯差。故推測(cè)，補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿的影響不隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變差。

3 結(jié)論

1）在胎壓和重力作用下，液態(tài)的補(bǔ)胎劑可以順著吸音海綿表面密密麻麻的小孔無(wú)阻礙地流淌到輪胎內(nèi)襯層地漏氣處進(jìn)行修補(bǔ)，并能使輪胎不再漏氣，故吸音海綿的使用不影響補(bǔ)胎劑對(duì)輪胎的補(bǔ)胎功能。

2）通過(guò)40 km/h 分別在光滑瀝青、粗糙瀝青或水泥刻槽等三種路況下的驗(yàn)證，不使用補(bǔ)胎劑的吸音海綿輪胎的空腔噪聲值分別降低了2.87 dB、2.58 dB、2.14 dB。而剛使用補(bǔ)胎劑的空腔噪聲值分別降低了2.21 dB、2.72 dB、1.86 dB，兩者差異細(xì)微，一般人很難感知到，基本處于同一水平。說(shuō)明剛使用補(bǔ)胎劑的情況下，完全不影響吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的功能。使用補(bǔ)胎劑一周后的空腔噪聲值分別降低了2.47 dB、2.87 dB、1.76 dB，與不使用補(bǔ)胎劑的差異細(xì)微，也基本處于同一水平。說(shuō)明使用補(bǔ)胎劑一周后的情況下，也完全不影響吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的功能。推斷，隨著時(shí)間地延長(zhǎng)，補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿降噪的功能不會(huì)持續(xù)性惡化。

3）通過(guò)60 km/h 分別在光滑瀝青和粗糙瀝青兩種路況下的驗(yàn)證，不使用補(bǔ)胎劑的吸音海綿輪胎的空腔噪聲值分別降低了1.28 dB、1.01 dB。而剛使用補(bǔ)胎劑的空腔噪聲值分別降低了0.93 dB、1.21 dB，兩者差異細(xì)微，基本處于同一水平。說(shuō)明剛使用補(bǔ)胎劑的情況下，完全不影響吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的功能。使用補(bǔ)胎劑一周后的空腔噪聲值分別降低了1.32 dB、1.83 dB，兩者差異不大，基本處于同一水平。說(shuō)明使用補(bǔ)胎劑一周后的情況下，也完全不影響吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的功能。推斷，隨著時(shí)間地延長(zhǎng)，補(bǔ)胎劑對(duì)吸音海綿降噪的功能不會(huì)持續(xù)性惡化。

4）通過(guò)40 km/h 分別在光滑瀝青、粗糙瀝青或水泥刻槽等三種路況下的驗(yàn)證，普通胎的空腔噪聲值分別是47.76 dB、55.58 dB、43.40 dB，發(fā)現(xiàn)粗糙瀝青路面對(duì)輪胎空腔噪聲影響最大，其次是光滑瀝青路面，最次是水泥刻槽路面。

5）通過(guò)對(duì)比40 km/h 和60 km/h 下普通胎空腔噪聲值的差異，發(fā)現(xiàn)光滑瀝青路面的差值是6.69 dB，粗糙瀝青路面的是3.27 dB，前者是后者的2 倍多。

6）通過(guò)圖7—圖11 分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)主駕左耳和右后右耳的曲線都在平均曲線的上方，即主駕和右后外耳的空腔噪聲值均高于主駕和右后內(nèi)耳的。