花紋結(jié)構(gòu)對載重輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律研究*

曹金鳳，黃 偉，，張春生，侯丹丹，項(xiàng)大兵，危銀濤

（1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院和結(jié)構(gòu)聲與機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)室，青島 266520； 2.中策橡膠集團(tuán)有限公司，杭州 310018；3.易瑞博科技（北京）有限公司，北京 100083； 4.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

載重輪胎是載重汽車的重要組成構(gòu)件［1－2］，當(dāng)車速大于70 km／h時(shí)，輪胎噪聲是汽車噪聲的主要噪聲源之一，而花紋結(jié)構(gòu)噪聲是輪胎噪聲的重要組成部分［3－6］。載重輪胎具有胎壓高、載荷重、沖擊大等特點(diǎn)，其噪聲輻射比半鋼子午線輪胎更加嚴(yán)重，且輪胎噪聲輻射與輪胎內(nèi)部質(zhì)量缺陷和均勻性問題密切相關(guān)，其對駕乘人員和周圍環(huán)境影響較大。因此，研究花紋結(jié)構(gòu)對載重輪胎噪聲輻射影響規(guī)律顯得非常重要。

Wang等［7］采用虛擬預(yù)測方法分析了滾動輪胎的振動特性和噪聲輻射，使用邊界元方法計(jì)算了振動輻射噪聲，為研究載重輪胎滾動噪聲輻射奠定了理論基礎(chǔ)；項(xiàng)大兵等［8］分析了3款不同花紋結(jié)構(gòu)輪胎對滾動噪聲的影響規(guī)律，找出花紋結(jié)構(gòu)與輪胎滾動噪聲之間的關(guān)系，提出的半經(jīng)驗(yàn)公式能較好地評判泵浦噪聲和其他噪聲在整體聲壓級中的比重，但未能解釋載重輪胎噪聲輻射的差異性問題；危銀濤等［9］提出了噪聲圓度的輪胎近場噪聲指向性評判依據(jù)，能很好地評價(jià)5種典型花紋形式的載重輪胎近場噪聲指向性規(guī)律，分析了不同車速和不同頻率下輪胎近場噪聲的輻射規(guī)律，為研究載重輪胎近場噪聲輻射提供理論指導(dǎo)；周福強(qiáng)等［10］利用聲全息技術(shù)分析了載重輪胎的低頻噪聲與速度的相關(guān)性，并通過聲壓測試獲得了輪胎近場噪聲輻射，但未解釋輪胎噪聲輻射規(guī)律的發(fā)聲機(jī)理。束永平等［11］通過仿真方法研究了橫向花紋溝的幾何參數(shù)對輪胎泵浦噪聲的影響規(guī)律，為研究花紋結(jié)構(gòu)對輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律提供重要指導(dǎo)。劉海潮等［12］通過頻譜分析法研究了變節(jié)距花紋對乘用子午線輪胎的噪聲輻射，揭示了不同花紋類型對輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律，但未探究花紋結(jié)構(gòu)對輪胎噪聲輻射的影響。

上述研究成果，通過試驗(yàn)或仿真研究了不同花紋形式輪胎近場噪聲的特性，但載重輪胎近場滾動噪聲接地前／后端差異性尚未得到解釋，缺乏花紋結(jié)構(gòu)對輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律研究。鑒于此，本文中選取3款典型花紋結(jié)構(gòu)（橫溝／縱溝／光面）載重輪胎，設(shè)計(jì)近場噪聲試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散度和相關(guān)性分析，得出花紋結(jié)構(gòu)對輪胎近場噪聲輻射的影響規(guī)律。該研究工作對輪胎降噪和花紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 輪胎噪聲發(fā)聲機(jī)理

載重輪胎近場噪聲輻射存在指向性，輪胎噪聲在不同方向的傳播過程中存在能量差別，主要受噪聲發(fā)生機(jī)理、結(jié)構(gòu)振動和輪胎質(zhì)量均勻性的影響。馮希金等［13］介紹了輪胎噪聲的基本發(fā)聲機(jī)理，包括空氣泵浦效應(yīng)、花紋塊切向振動、胎壁振動、粘結(jié)效應(yīng)和管腔共振效應(yīng)等，大致分為兩類：振動噪聲和氣動噪聲。本文中在研究不同花紋結(jié)構(gòu)對載重輪胎近場噪聲輻射影響規(guī)律的過程中，考慮了花紋塊振動、泵浦噪聲和管腔共振與號筒效應(yīng)。

1.1 花紋塊振動

輪胎花紋塊振動機(jī)理包括兩種情況：滑移（stick-slip）和粘著（stick-snap）。載重輪胎的花紋塊較大，當(dāng)其撞擊地面時(shí)，受壓發(fā)生壓縮變形，離開地面時(shí)，會發(fā)生劇烈的徑向和切向振動而產(chǎn)生振動噪聲。花紋塊振動的低頻噪聲發(fā)聲示意圖見圖1。

圖1 花紋塊振動發(fā)聲示意圖

圖2 泵浦噪聲和管腔共振噪聲的發(fā)聲機(jī)理

1.2 泵浦噪聲與管腔共振

汽車在中高速（50～120 km／h）行駛時(shí)，輪胎花紋塊在滾動過程中處于吸氣／排氣的循環(huán)狀態(tài)而產(chǎn)生泵浦噪聲。輪胎溝槽和地面形成的管腔結(jié)構(gòu)則會引起管腔共振噪聲，泵浦噪聲和管腔共振噪聲的發(fā)聲示意圖見圖2。其中，泵浦噪聲的聲壓公式見式（1），通過聲壓級公式［14－15］可求得泵浦噪聲值，管腔噪聲的發(fā)聲頻率公式見式（2）和式（3）。

式中：v為車速；Q″為花紋溝體積變化的2階導(dǎo)數(shù)；r為測點(diǎn)到聲源的距離；ρ0為空氣靜態(tài)密度。

式中：λn為波長；le為管子有效長度；n為模態(tài)階次；fn為頻率；c為聲速（一般取340 m／s）。

1.3 號筒效應(yīng)

由于輪胎接地前／后端與地面形成號筒效應(yīng)，輪胎接地前／后端噪聲大于胎側(cè)方向的噪聲。研究發(fā)現(xiàn)：距離喇叭口0.5～3.5 cm處，輪胎噪聲聲壓級增強(qiáng)5～20 dB（A）；由于胎側(cè)方向沒有形成號筒效應(yīng)，不會對噪聲起到放大效果。輪胎噪聲號筒效應(yīng)如圖3所示。

圖3 號筒效應(yīng)

2 橫溝／縱溝／光面胎近場噪聲試驗(yàn)研究

2.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法［16］試驗(yàn)可重復(fù)性強(qiáng)，對試驗(yàn)環(huán)境的控制較嚴(yán)格，本文中選取該法在國內(nèi)某大型輪胎研發(fā)基地的先進(jìn)試驗(yàn)平臺（半消聲室）上進(jìn)行，選取315／80R22.5全鋼子午線輪胎為研究對象，采用單因素分析方法研究3款花紋結(jié)構(gòu)（橫溝／縱溝／光面）對輪胎噪聲的影響程度和相關(guān)的作用機(jī)理。為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，試驗(yàn)時(shí)每款花紋結(jié)構(gòu)均設(shè)置了3種設(shè)計(jì)水平，如表1所示。3款試驗(yàn)花紋結(jié)構(gòu)輪胎示意圖見圖4，傳聲器的布置見圖5。

表1 3款不同花紋結(jié)構(gòu)輪胎試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖4 試驗(yàn)輪胎示意圖

圖5 試驗(yàn)傳聲器布置圖

2.2 橫溝／縱溝／光面胎噪聲輻射結(jié)果分析

（1）橫溝寬度對輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律

選取3種設(shè)計(jì)因素水平下5個(gè)測點(diǎn)的聲壓級數(shù)據(jù)，利用式（4）求得不同速度時(shí)測點(diǎn)的總聲壓級。

式中：pi為有效聲壓；pref＝2×10－5Pa為參考壓力。

選取不同速度下各測點(diǎn)總聲壓級數(shù)據(jù)并繪制曲線（圖6），研究發(fā)現(xiàn)：橫溝胎聲壓級與速度呈正相關(guān)，而隨著橫溝寬度的增加，輪胎噪聲聲壓級略有升高，但對噪聲輻射規(guī)律的影響不明顯，輪胎噪聲隨測點(diǎn)序號呈先降后升的變化趨勢；在低速（30－60 km／h）工況下，輪胎噪聲主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)振動噪聲，其中低頻振動噪聲與速度的相關(guān)性較強(qiáng)；在中高速（60－90 km／h）工況下，速度與聲壓級曲線出現(xiàn)不平滑段，考慮為結(jié)構(gòu)振動噪聲和花紋節(jié)距噪聲的共振影響。為此，根據(jù)E-rubber和清華大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的“輪胎節(jié)距設(shè)計(jì)與排列優(yōu)化軟件”，設(shè)計(jì)了3組花紋節(jié)距以優(yōu)化輪胎噪聲試驗(yàn)結(jié)果，讀取64－86 km／h各測點(diǎn)聲壓級和速度數(shù)據(jù)，繪制的曲線如圖7所示。對比圖7與圖6可明顯發(fā)現(xiàn)：在中高速工況下花紋節(jié)距的合理設(shè)計(jì)與排列能使輪胎噪聲聲壓級與速度近似為一條平滑曲線，且顯著改善了兩者的線性相關(guān)性；但對比圖7的3個(gè)分圖可見，3種節(jié)距優(yōu)化的差別不大。

圖6 橫溝寬度因素下速度與聲壓級曲線圖

圖7 64－84 km／h速度與聲壓級變化規(guī)律

借鑒統(tǒng)計(jì)學(xué)離散度的概念，定義離散度為同一倍頻下聲壓級數(shù)據(jù)的差異程度。選取3種設(shè)計(jì)因素下輪胎噪聲的1／3倍頻數(shù)據(jù)進(jìn)行離散度分析，繪制的曲線如圖8所示。由圖可見：3款輪胎的離散度基本一致，在400和1 000 Hz倍頻段，3款輪胎離散度波動加大，主要原因是節(jié)距噪聲基頻分布在該倍頻段，橫溝胎噪聲被放大；在3 150 Hz倍頻處，3款輪胎的離散度同時(shí)達(dá)到最小。

根據(jù)通過噪聲測試法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)［17］，選取 60－80 km／h下的聲壓級數(shù)據(jù)，利用式（5）進(jìn)行回歸處理，獲得等效70 km／h下的各測點(diǎn)聲壓級數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同設(shè)計(jì)因素水平下輪胎噪聲指向性差值并繪制總聲壓曲線，分別見表2和圖9（以下所選70 km／h下的聲壓級數(shù)據(jù)均經(jīng)過回歸處理，L0－90指接地前端噪聲與輪胎正側(cè)方向噪聲聲壓級差值，L180－90指接地后端噪聲與輪胎正側(cè)方向噪聲聲壓級差值，以下L0－90、L180－90表示含義相同）。由表可見，橫溝寬度與指向性噪聲差值負(fù)相關(guān)，輪胎接地后端噪聲略大于接地前端噪聲；而由圖9可見，輪胎噪聲聲壓級與基面寬度正相關(guān)。

式中：LR為n個(gè)測試結(jié)果回歸計(jì)算后的聲壓級為滾動噪聲聲壓級測試數(shù)據(jù)的平均值；Li為第i次輪胎測試試驗(yàn)聲壓級；υ為第i個(gè)測試速度的對數(shù)值為速度對數(shù)的算術(shù)平均值。

圖8 70 km／h下橫溝胎近場噪聲離散度分析

表2 3款橫溝胎近場噪聲指向性噪聲差值

圖9 等效70 km／h下橫溝胎總聲壓級數(shù)據(jù)比較

（2）縱溝條數(shù)對輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律

選取不同條數(shù)縱溝花紋輪胎近場噪聲各測點(diǎn)的總聲壓級數(shù)據(jù)，繪制聲壓級與速度相關(guān)性曲線（研究方法同橫溝胎），如圖10所示。

圖10 不同縱溝條數(shù)時(shí)速度與聲壓級曲線圖

由圖可見：總聲壓級仍隨著速度的升高而增大，只是其增幅隨速度升高而減小；而縱溝條數(shù)對噪聲分布規(guī)律影響不明顯。

選取3種不同縱溝條數(shù)下輪胎的1／3倍頻數(shù)據(jù)進(jìn)行離散度分析，結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯觯涸? 000 Hz倍頻之前，縱溝條數(shù)對輪胎近場噪聲輻射影響不明顯；在1 000－2 500 Hz頻率段，噪聲輻射的離散度與縱溝條數(shù)呈負(fù)相關(guān)；在2 500 Hz倍頻以后，離散度與縱溝條數(shù)呈正相關(guān)。選取等效70 km／h下輪胎的總聲壓級（SPL）數(shù)據(jù)，繪制輪胎噪聲指向性噪聲差值表（表3）和總聲壓級曲線（圖12），可以看出：縱溝條數(shù)對輪胎噪聲聲壓級及其指向性影響較??；而與橫溝胎分析結(jié)果相反，縱溝胎接地前端噪聲大于接地后端噪聲。

圖11 等效70 km／h下縱溝胎近場噪聲離散度分析

表3 3款不同縱溝條數(shù)輪胎指向性噪聲差值

圖12 等效70 km／h下縱溝胎總聲壓級數(shù)據(jù)比較

（3）基面寬度對光面胎的噪聲輻射影響規(guī)律

光面胎近場測點(diǎn)在不同速度下的聲壓級曲線如圖13所示?？梢钥闯觯狠喬ソ鼒鰷y點(diǎn)聲壓級與速度仍近似成光滑曲線；而不同基面寬度對近場噪聲分布規(guī)律的影響不大。

圖13 不同基面寬度時(shí)速度與聲壓級曲線圖

3款光面胎的1／3倍頻離散度曲線如圖14所示?？梢钥闯觯?種基面寬度的光面胎近場噪聲離散度相差不大；但大基面寬度呈現(xiàn)稍大的離散度。

不同基面寬度光面胎在等效70 km／h下的指向性噪聲差值和總聲壓級曲線分別如表4和圖15所示?？梢钥闯觯褐赶蛐栽肼暡钪蹬c基面寬度呈弱正相關(guān)；光面胎接地前端噪聲大于接地后端噪聲；基面寬度對輪胎噪聲總聲壓級的影響較小。

（4）橫溝／縱溝／光面胎接地前／后端噪聲差異性分析

圖14 等效70 km／h下光面胎近場噪聲離散度分析

表4 3款不同基面寬度光面胎指向性噪聲差值

圖15 等效70 km／h下光面胎總聲壓級數(shù)據(jù)比較

由圖9、圖12和圖15可知：不同花紋結(jié)構(gòu)的各設(shè)計(jì)因素水平只對輪胎近場測點(diǎn)的噪聲幅值有影響，而對噪聲空間分布規(guī)律影響不明顯；橫溝寬度與測點(diǎn)聲壓級正相關(guān)；縱溝條數(shù)和基面寬度對測點(diǎn)聲壓級的影響很?。欢鴻M溝／縱溝／光面胎接地前／后端噪聲能量分布具有差異。

讀取等效70 km／h的橫溝／縱溝／光面胎的聲壓級數(shù)據(jù)，以輪胎正側(cè)方向測點(diǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算接地前／后端噪聲差值以表征輪胎近場噪聲指向性的強(qiáng)弱，結(jié)果如表5所示，表中Δ（L0－L180）以光面胎前／后端噪聲差值為參照對象，可以看出：橫／縱溝胎的接地前／后端噪聲差值較光面胎分別減小3.11和1.03 dB（A）。由此可知，橫／縱溝結(jié)構(gòu)是造成輪胎接地后端噪聲大于接地前端噪聲的主要原因，其接地前／后端噪聲差值分別為－0.35、1.73 dB（A）；而光面結(jié)構(gòu)是造成接地后端噪聲小于接地前端噪聲的主要原因，接地前／后端噪聲差值為2.76 dB（A）；3款輪胎的指向性由強(qiáng)到弱的順序?yàn)楣饷嫣?、縱溝胎、橫溝胎。

表5 輪胎接地前／后端噪聲差異比較

3 橫溝／縱溝／光面胎近場噪聲仿真研究

3.1 輪胎近場噪聲仿真方法

噪聲指向性與滾動輪胎周圍的速度場、壓力場和湍流場有關(guān)。選取橫溝／縱溝／光面結(jié)構(gòu)的某315／80R22.5載重輪胎進(jìn)行流 固耦合仿真，根據(jù)試驗(yàn)輪胎花紋結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)條件進(jìn)行有限元建模。充氣壓力為600 kPa，垂向預(yù)加載Fz＝26.75 kN；通過 import命令將有限元軟件Abaqus的隱式分析結(jié)果導(dǎo)入Abaqus／Explicit求解器中，以模擬輪胎的加速和勻速轉(zhuǎn)動（70 km／h），保證勻速轉(zhuǎn)動3周，以獲得較穩(wěn)定的輸出數(shù)據(jù)；輪胎壁面模型如圖16所示，在Abaqus軟件分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫（ODB）文件中提取輪胎網(wǎng)格信息，生成INP文件，使用“Co-Simulation”關(guān)鍵詞調(diào)用外部流場仿真軟件FlowVison，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

圖16 輪胎壁面模型

提取流-固耦合仿真后的壓力波動數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Virtual Lab軟件中并設(shè)置為偶極子源［18］。采用軟件提供的自動匹配層技術(shù)，在輪胎結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外設(shè)置聲學(xué)包絡(luò)面網(wǎng)格，設(shè)置傳播介質(zhì)和材料屬性，具體設(shè)置可參照文獻(xiàn)［19］。由于輪胎噪聲輻射具有指向性，因此在輪胎一側(cè)設(shè)計(jì)了5個(gè)測點(diǎn)（與試驗(yàn)傳聲器測點(diǎn)布置方位完全相同），角度分別為 0°、60°、90°、120°和 180°，如圖17所示。

圖17 仿真測點(diǎn)網(wǎng)格布置圖

3.2 橫溝／縱溝／光面輪胎噪聲仿真結(jié)果分析

為獲得穩(wěn)定的輪胎周圍流場數(shù)據(jù)，選取t＝0.6 s的仿真結(jié)果，以距地面高度1 cm處的平面作為輻射顯示面，輪胎的流場分布如圖18所示。從壓力場可以看出：3款花紋結(jié)構(gòu)輪胎在接地前／后端的壓力波動較大，輪胎正側(cè)方向的壓力波動較小，輪胎周圍壓力波動分布不均勻的主要原因是輪胎接地前／后端與路面形成“號筒效應(yīng)”和泵浦噪聲；速度場結(jié)果與壓力場結(jié)果相反，橫／縱溝處氣體流速較大，縱溝胎管腔共振效應(yīng)較為明顯，而橫溝胎泵浦效應(yīng)較為明顯；由于光面胎無花紋且只考慮簡單流速的影響，因此，其胎側(cè)流體速度較大；湍流場的結(jié)果與壓力場類似，有花紋結(jié)構(gòu)影響時(shí)，可從輪胎接地前／后端區(qū)域看到清晰的尾部渦流。

圖18 3款不同花紋結(jié)構(gòu)輪胎噪聲流場分布圖

將3款輪胎在70 km／h下的聲壓級結(jié)果進(jìn)行窄帶處理，獲得輪胎的頻譜特性，如圖19所示。

根據(jù)3款不同花紋結(jié)構(gòu)輪胎頻譜特性的仿真結(jié)果，可以看出：

（1）輪胎接地前／后端的聲壓級較大，3號測點(diǎn)的聲壓級數(shù)據(jù)較小，輪胎噪聲具有較強(qiáng)的指向性，與試驗(yàn)結(jié)果一致；

（2）流場仿真結(jié)果可直觀反映輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律：由壓力場可以看出，3款輪胎接地前／后端均存在壓力集中和波動，胎側(cè)方向壓力較??；輪胎周圍的流體速度分布呈現(xiàn)“＜”字形向兩側(cè)散開；由速度場和湍流場可以看出，在速度較低處渦流現(xiàn)象越明顯。

圖19 3款輪胎的頻譜分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文中通過試驗(yàn)和仿真研究了3款不同花紋結(jié)構(gòu)載重輪胎噪聲輻射的影響規(guī)律，解釋了載重輪胎前／后端噪聲差異的現(xiàn)象，得出下列主要結(jié)論。

（1）橫溝胎在中高速工況下，花紋節(jié)距的合理設(shè)計(jì)能顯著改善噪聲聲壓級與速度的線性相關(guān)性；縱溝／光面胎的噪聲聲壓級與速度相關(guān)性較好；3款不同花紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素水平對輪胎近場噪聲聲壓級有影響，但對輪胎噪聲輻射的分布規(guī)律無明顯影響；指向性噪聲差值與橫溝寬度負(fù)相關(guān)而與基面寬度正相關(guān)；縱溝條數(shù)對指向性噪聲差值的影響較小。

（2）輪胎近場噪聲輻射呈“U”字型分布，接地前／后端噪聲較大，90°方向噪聲值最小。試驗(yàn)和仿真結(jié)果均表明：橫溝胎／縱溝胎／光面胎的指向性噪聲差值分別為9.5、11和14 dB（A）；3款花紋結(jié)構(gòu)輪胎噪聲指向性由強(qiáng)到弱為光面胎、縱溝胎、橫溝胎。

（3）橫／縱溝是造成接地后端噪聲大于接地前端噪聲的主要原因，橫／縱溝胎接地前／后端噪聲差值分別為－0.35、1.73 dB（A）；光面結(jié)構(gòu)是造成載重輪胎接地后端噪聲小于接地前端的主要原因，光面胎接地前／后端差值為2.76 dB（A），橫／縱溝胎的接地前／后端噪聲差值分別比光面胎減小3.11和1.03 dB（A）。

致謝

感謝易瑞博（北京）有限公司和中策橡膠集團(tuán)有限公司允許本文的研究工作解密發(fā)表。感謝中國臺灣山衛(wèi)科技Cloud Yu在流-固耦合仿真方面給予的大力支持與細(xì)心指導(dǎo)。