輪胎花紋節距噪聲研究及其應用

朱振華，金基典，田 穎，張 敏，王建中，陳 弘

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

近年來輪胎噪聲是輪胎性能研究的熱點。根據資料和實測分析，當車速大于70 km·h-1時，花紋噪聲成為輪胎噪聲的主體[1]。花紋噪聲發聲機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]，輪胎滾動過程中胎體和胎面振動向外輻射的噪聲是輪胎噪聲的主要來源之一[3]。轎車子午線輪胎胎面撞擊產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頻率范圍內。

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，該方法可通過多種節距排列實現；二是降低輪胎在滾動過程中由于花紋塊的不連續性產生的自激力[5]。采用多種花紋節距設計，通過節距序列優化改善輪胎噪聲是目前普遍采用的方法[6-8]。花紋噪聲仿真可以采用節距和花紋樣式設計同時進行計算[6，9]，也可以先對節距噪聲進行仿真，再與花紋樣式匹配進行計算[5]。

本工作從胎面撞擊地面的發聲機理出發，探討花紋節距噪聲。

1 花紋節距噪聲計算方法

1.1 花紋節距噪聲計算

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個節距，如圖1所示。

圖1 輪胎胎面節距劃分示意

當輪胎行駛時，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，則可得到胎面隨時間（t）變化的受力函數F（t），如圖2所示，可將其看成節距噪聲的時域波[9-10]。

圖2 輪胎行駛時胎面隨時間變化的受力函數

假設輪胎行駛速度為v，第i個節距長度為Di，則經過第i個節距長度所需時間（ti）為

對F（t）進行傅里葉級數展開，設輪胎的旋轉周期為T，則可得輪胎節距噪聲頻譜函數為

其中

式中，n為階次。若輪胎的周長為L，則輪胎的基頻（f）為

第n階的頻率（fn）為

根據以上計算公式，采用編程軟件進行編程計算，以階次或頻率為橫坐標，噪聲的幅值（相對值，無單位）為縱坐標，即可得花紋節距噪聲頻譜圖。

1.2 花紋節距噪聲評判標準

得到花紋節距噪聲頻譜圖后，需有優劣評判標準才能進行后續方案優選及對節距設計優化。205/55R16輪胎花紋節距設計方案如表1所示。

表1 205/55R16輪胎的花紋節距設計方案

根據上述計算方法，取前300階的計算結果，可得到節距噪聲頻譜，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階之間出現了一個波峰，稱為一次諧波，在100～200階之間又出現一個波峰，稱為二次諧波，以此類推，隨著階次的增大，波峰越來越不明顯。

圖3 205/55R16輪胎節距噪聲頻譜

LT245/75R17輕型載重輪胎的花紋節距設計方案如表2所示，其節距噪聲頻譜如圖4所示。

表2 LT245/75R17輪胎的花紋節距設計方案

圖4 LT245/75R17輪胎節距噪聲頻譜

從圖4可以看出，前三次諧波的波峰很明顯。

采用多節距排列的目的是使節距噪聲的能量盡量分散在較寬頻帶上。大部分節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。為了使評判快捷高效，一般采用一次諧波對不同方案進行評判。

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

式中，k表示衡量分散程度的帶寬，可以自定義，例如對于轎車輪胎，節距數為60～70個比較常見，k可以取6～14之間的某個值。To值越小，說明能量分布越分散，節距噪聲性能越好。

除了To值評價方法外，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進行評價，h取值可根據情況自定義，都是越小越好。

2 花紋節距噪聲仿真的應用

由于花紋節距噪聲是因胎面撞擊而產生，頻譜峰值在800～1 000 Hz之間，而室內轉鼓法測得的噪聲和室外滑行法測得的噪聲頻譜峰值一般也處于或者接近這個范圍，并且有一定的相關性[11]，因此在某種程度上可以推斷，在花紋樣式、行駛面寬度、輪胎結構基本一致的情況下，節距噪聲仿真模型不僅可以用于節距噪聲大小趨勢判定，而且可以對輪胎噪聲大小趨勢進行預判，既可以對不同規格輪胎進行比較，也可以對同規格不同花紋節距方案輪胎進行比較，但不同方案的節距總數應盡量相等或相近。

2.1 不同規格輪胎的對比

2.1.1 節距設計方案

某195/65R15和195/60R14輪胎的結構設計和花紋樣式設計一致，行駛面寬度都是158 mm，花紋節距設計方案如表3所示，兩個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輪胎的花紋節距設計方案

2.1.2 節距噪聲仿真和實測

兩個輪胎的節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輪胎節距噪聲參數

圖6 195/65R15和195/60R14輪胎節距噪聲頻譜

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，峰值都出現在69階的位置，從而可以預判前者的噪聲低于后者。

對兩個輪胎進行滑行法噪聲測試[12]，測試車輛相同，測試結果如表5所示。

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

從表5可以看出，195/65R15輪胎滑行法噪聲的實測結果比195/60R14輪胎低，仿真與實測結果的趨勢一致。

2.2 不同花紋節距方案輪胎的對比

2.2.1 節距設計方案

205/55R16輪胎的節距設計方案如表6所示，其中方案一有4種節距，方案二有3種節距。

表6 205/55R16輪胎的花紋節距設計方案

兩方案輪胎共用胎坯，花紋設計樣式相似，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 節距噪聲仿真和實測

兩個方案的節距噪聲仿真頻譜如圖8所示。進行滑行法噪聲測試時采用同一測試車輛，節距噪聲仿真頻譜一次諧波的To值、幅值峰值及噪聲測試結果如表7所示。

表7 205/55R16輪胎兩方案節距噪聲參數的計算結果和噪聲測試結果

圖8 205/55R16輪胎兩方案節距噪聲頻譜

從圖8和表7可以看出，205/55R16輪胎方案一的噪聲仿真結果明顯優于方案二，測試結果與仿真結果趨勢一致。

從以上兩方案來看，噪聲仿真與測試結果趨勢一致，說明以節距噪聲頻譜的一次諧波參數To值和幅值峰值作為輪胎噪聲優劣判據是合理的，因此該判據也可作為后續節距噪聲優化的依據。

3 結論

本工作基于花紋節距噪聲仿真原理，在除了節距設計外其他條件盡量一致的情況下，研究了不同規格和不同節距設計方案輪胎的噪聲差異，說明節距設計對于輪胎降噪有一定的貢獻度和重要性。由于節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節距進行設計和優化，再與花紋樣式進行匹配，這樣可以提高仿真和優化效率，縮短新花紋開發周期。

通過以上分析，可以認為以節距噪聲頻譜一次諧波的能量集中因數和峰值作為節距噪聲性能趨勢的判據是合理的。在行駛面寬度和結構設計一致、花紋樣式類似的前提下，不同規格或不同節距設計方案輪胎的節距噪聲仿真結果與滑行法噪聲測試結果趨勢一致，因此在特定情況下可采用節距噪聲仿真結果對輪胎噪聲性能趨勢進行預判。

由于輪胎花紋噪聲的發聲機理較為復雜，還需要通過花紋其他的結構設計進行降噪，而且還涉及到水滑、磨耗等其他花紋性能，因此輪胎花紋設計是一個復雜而龐大的工程。