低噪聲轎車輪胎的研發

趙洪玲，李紅衛，王 鈺，吳長輝，田 健，陳 虎

[特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266000]

城市噪聲主要有交通噪聲、工業噪聲、建筑施工噪聲等。輪胎噪聲是汽車噪聲的主要來源之一，也是城市道路噪聲污染的一部分。輪胎噪聲無法完全避免，但通過一些降噪方法可以在一定程度上得到緩解。

近年來，輪胎企業及科研機構相繼增大了在輪胎噪聲產生機理研究和低噪聲輪胎設計方面的投入。由于汽車技術的快速發展，車輛行駛速度有了大幅提高，輪胎噪聲與行駛速度成正比，因此輪胎噪聲顯著增大。當車輛行駛速度超過50 km·h-1時，輪胎與路面接觸產生的噪聲將是汽車噪聲的主要組成，能達到整車噪聲的30%左右[1]。目前，降低汽車噪聲和噪聲污染研究的主要對象之一就是輪胎。國內外知名輪胎品牌紛紛推出自己的低噪聲輪胎產品和低噪聲技術，低噪聲輪胎技術市場需求廣泛。

1 輪胎噪聲產生的機理

1.1 噪聲產生原因及分類

造成汽車行駛中噪聲大的因素很多，如發動機異響，剎車片偏磨異響，剎車盤不平整等，這些現象其實是比噪聲更加嚴重的問題，但輪胎噪聲因持續時間長，會讓人非常煩躁。

輪胎噪聲可以分為直接噪聲和間接噪聲。直接噪聲指車輛行駛中輪胎與路面相互作用、輪胎與空氣相互作用、輪胎自身產生的噪聲。直接噪聲分為胎面花紋噪聲（噪聲較高）、道路噪聲（噪聲較低）以及嘯叫噪聲（噪聲尖銳）。間接噪聲就是輪胎的變形、振動等間接原因產生的噪聲。當車輛在干燥路面上的行駛速度大于45 km·h-1時，輪胎直接噪聲為車輛的主要噪聲；當車輛在濕滑路面上行駛時，即使速度慢，直接噪聲也會明顯大于其他噪聲，從而成為車輛最主要的噪聲來源。車輛行駛速度越快、負荷越大，輪胎噪聲的能量級就越高，在汽車行駛噪聲中所占的比例也就越大。

因輪胎規格、胎面形狀、花紋種類以及輪胎行駛條件的差異，輪胎噪聲發生的幾率也不相同。按照發聲部位以及花紋種類不同，輪胎噪聲又可以分為以下3種。

（1）胎面花紋噪聲。其屬于比較高的噪聲。在車輛行駛過程中，胎面花紋溝槽與地面耦合形成多個半封閉的空腔，產生花紋溝槽泵浦噪聲。20世紀70年代Hayden首次發現泵浦效應[2]，他認為在輪胎與地面接觸的過程中，空氣被快速吸入花紋溝并被壓縮，然后在花紋塊離開接地面時排出，從而產生類似“氣泵作用”（見圖1）發出的聲音。

圖1 輪胎“氣泵作用”示意

泵浦噪聲產生機理還有另一種觀點，即由于橡膠有彈性，在輪胎滾動過程中，胎面會因受力而發生變形，且花紋不斷接觸地面。花紋塊接觸地面時被壓縮，一部分空氣從花紋溝槽內沿花紋塊前沿排出，形成較強的類似噴射的噪聲；輪胎繼續向前行駛，被擠壓的花紋溝槽得到釋放，空間膨脹恢復而吸入空氣，產生較弱的類似進氣的噪聲。所以一般靜音輪胎的花紋不能太密，以降低這些空氣擠壓和膨脹產生的泵浦噪聲。路面的凹凸不平處也會因泵浦效應發聲。

（2）輪胎振動噪聲。是指在外界激勵下，輪胎胎面和胎側產生振動而引起的噪聲，也是輪胎噪聲的主要來源之一。輪胎振動噪聲又分為沖擊振動噪聲、滑移振動噪聲、復原振動噪聲、路面振動噪聲、輪胎振鳴噪聲。

①在車輛行駛過程中，輪胎撞擊地面發生變形從而產生向前的一個沖擊力，導致胎面和胎側都發生一定的形變，在變形和恢復過程中產生的噪聲稱為輪胎沖擊振動噪聲。

②在輪胎行駛過程中，輪胎接地面上的花紋塊和地面在位移上發生一定的偏差，導致花紋塊在摩擦力作用下發生振動而產生的噪聲稱為滑移振動噪聲。

③在輪胎行駛過程中，發生位移的花紋塊離開接地面后恢復變形，在恢復變形過程中產生的噪聲稱為復原振動噪聲。

④在車輛行駛過程由于路面凹凸不平激勵產生的噪聲稱為路面振動噪聲。

⑤當汽車起步、急轉向或急剎車操作時，輪胎和道路接觸面發生局部自激振動而產生的噪聲稱為振鳴噪聲，其頻率一般為500～1 000 Hz[3]。

（3）無花紋光面輪胎的隨機“沙沙”聲。光面輪胎在干燥路面上的抓著力和操縱穩定性高于有花紋輪胎，常用于比賽場地。光面輪胎的表面并不是絕對光滑，路面上也存在著一些小沙粒和凹坑，胎面與地面之間會形成許多小空腔。在輪胎旋轉過程中這些空腔被壓縮和膨脹就會產生不規則的隨機“沙沙”聲，相當于有花紋輪胎的胎面花紋噪聲。光面輪胎的空腔數量和大小、與地面的接觸位置都是隨機的。光面輪胎的噪聲主要有輪胎與地面接觸時的摩擦聲，路面凹凸不平導致輪胎的加振聲，以及路面凹陷導致的泵浦噪聲等[4]。

1.2 噪聲的擴音現象

在輪胎行駛過程中，噪聲有喇叭口效應和管腔共振效應兩種擴音現象。

（1）喇叭口效應。輪胎與路面在接地面的前后方形成兩個喇叭口形狀的區域，在此區域內由不同音源形成的所有噪聲都會被擴大（見圖2）。

（2）管腔共振效應。聲音的本質就是振動，空氣在振動的同時也產生了噪聲。如果輪胎花紋溝尤其是圓形花紋溝槽內的空氣開始共鳴，那么輪胎與地面接觸所產生的噪聲就會被擴大，然后空氣開始在網狀系統內振動（見圖2），就像管樂器內的空氣一樣。噪聲頻率經過管腔共振效應擴大后一般會達到1 000 Hz左右。

圖2 噪聲擴音示意

1.3 噪聲的產生機制

綜上所述，可以歸納出輪胎噪聲的產生機制，如圖3所示。

圖3 輪胎噪聲產生機制

輪胎噪聲按傳播途徑可以分為車內噪聲和車外噪聲。車內噪聲主要指經由車身傳遞到車內的噪聲，其頻率范圍為80～100 Hz；車外噪聲指外部傳遞到車內的形式噪聲，也是歐盟輪胎標簽法規定的噪聲，其頻率范圍為300～3 000 Hz[5]。

1.4 噪聲的影響因素

1.4.1 路面類型

輪胎噪聲與路面發生耦合作用，因此輪胎噪聲與路面類型息息相關。車輛在光滑路面上行駛時，噪聲主要為泵浦噪聲；在粗糙路面上行駛時，路面的沖擊振動噪聲成為主要噪聲來源。

路面的粗糙程度分為微觀和宏觀粗糙，宏觀粗糙標準差范圍為0.1～10 mm，微觀粗糙標準差范圍為0.001～0.1 mm。路面的粗糙度可以分為4種情況（見圖4）。在宏觀粗糙路面上行駛的車輛雖然會產生機械振動，但乘客感知到的主要是聽覺干擾，大部分聲能低于800 Hz。

圖4 路面粗糙度種類

輪胎噪聲比較低的路面類型有：多孔隙瀝青混凝土路面、碎石瀝青瑪蹄脂路面、小粒徑超薄瀝青混凝土路面、低噪聲水泥混凝土路面、橡膠混凝土路面、橡膠瀝青路面和橡膠混凝土路面等[6]。

1.4.2 輪胎胎面花紋形式

花紋溝的噪聲來源主要是輪胎花紋溝中空氣先壓縮后膨脹產生的泵浦效應。不同的花紋溝槽設計直接導致輪胎泵浦噪聲聲強的不同。

在輪胎輪廓設計過程中，花紋溝深度有差異，但不同花紋溝槽的體積壓縮比可能比較接近，即花紋溝內噪聲振幅相等。噪聲總聲壓與花紋溝槽體積成正比，因此花紋溝的噪聲與花紋溝深度關系不大，主要取決于花紋溝的長度和寬度。

另外，泵浦噪聲與花紋溝的走向也有關系，花紋塊接地部分溝槽的長度決定了噪聲頻率。花紋溝槽有橫溝、縱溝和斜溝等。橫溝更容易形成封閉的型腔，產生更大的噴射流壓強，在輪胎轉動過程中不斷吸氣、排氣，因此泵浦噪聲持續存在；而在輪胎轉動過程中縱向溝槽內空氣流動較為順暢，受壓時容易排出，不會產生較大的空氣壓差，泵浦噪聲小從而可以忽略；斜溝存在一定角度，車輛行駛過程中花紋溝接地時間介于橫溝和縱溝之間，空氣的壓縮和釋放比較緩慢，聲壓幅值相對較小。因此從花紋溝形式來看，泵浦噪聲主要來源是橫向溝槽，而縱溝幾乎不發聲。輪胎結構和花紋溝槽的設計同時影響了輪胎的安全性、耐磨性能、乘坐舒適性、操控性和燃油經濟性等，因此輪胎花紋的設計過程是尋找這些性能的平衡點，根據適配車型的特點有不同的側重[7]。

1.4.3 花紋設計參數

輪胎花紋都是按照節距以一定的規律排列的，節距由花紋塊和花紋溝組成。節距種類、節距排列、節距比例以及花紋塊錯位值對輪胎的花紋噪聲都有直接的影響。

（1）節距種類是影響胎面噪聲的主要因素。花紋塊接地前沿撞擊地面時，撞擊速率由節距的相互跟隨速度決定。如果整個輪胎是一個單節距花紋，那么噪聲頻譜就會形成非常有規律的節奏（見圖5）。因此，如果要對輪胎噪聲進行優化，可以選擇多個節距種類，并作出一種噪聲頻譜峰值最小的節距排列。

圖5 單節距花紋節距噪聲頻譜

（2）節距排列順序也稱為節距序列。如果節距以固定的規律重復出現，頻譜峰值將會有規律地在某些頻率處疊加，從而產生很大的噪聲，如圖6所示（A，B，C 3種節距的排列方式為AAABBBCCC……）。

圖6 固定規律排列花紋節距噪聲頻譜

（3）節距比例。劃分節距時為了避免節距噪聲頻譜的峰值集中在某一區域，也就是能量集中，節距比例的取值以不接近整數的無理數比為最好，其次為素數比，最差的是倍數比[8]。

圖7所示為不同節距比例的節距噪聲頻譜，其中圖7（a），（b），（c）的節距比例分別為無理數比、素數比、倍數比。對比其噪聲頻譜峰值及能量集中情況可知，節距比例為無理數比的節距噪聲頻譜是最佳選擇。

圖7 不同節距比例的節距噪聲頻譜

（4）花紋塊錯位。花紋塊之間的相對位移稱為花紋塊錯位。輪胎的每個花紋塊都可以分析得到噪聲頻譜，經過傅里葉變換，噪聲頻譜可以拆分為不同的正余弦曲線，通過正余弦同相疊加、異相相消的原理，可以降低花紋噪聲頻譜峰值。

1.4.4 胎面膠硬度

從理論上來說，胎面膠硬度越大，噪聲也越大。因此選擇合適的胎面膠配方對降低輪胎噪聲非常重要，同時也需要在輪胎燃油經濟性、操控性能及耐磨性能等之間找到合適的平衡點。

1.4.5 輪胎剛度及均勻性

胎面和胎側的振動、輪胎與路面撞擊及輪胎滑動都會產生振動噪聲。如果這個振動頻率與輪胎的固有頻率接近或一致就會引起輪胎共振，產生比較大的噪聲。輪胎轉彎時胎側剛性不同導致輪胎與路面摩擦，產生噪聲。輪胎的均勻性決定了車輛行駛過程中輪胎的動平衡性能，從而影響車輛的振動，產生噪聲。

2 輪胎降噪技術

降噪方案一般是針對多種噪聲的降噪，也有的是針對某種特定噪聲的降噪。不同輪胎采用的降噪方案不同，但原理基本相同。輪胎降噪不能完全消除噪聲，如何運用多種降噪技術研發出低噪聲、舒適性高的輪胎，是目前輪胎技術開發的重要課題之一。

輪胎噪聲的影響因素主要是輪胎結構、配方和胎面花紋等，輪胎降噪也主要是從這幾方面實現技術突破。現有的輪胎降噪技術包括：改變花紋形式，調整花紋設計參數、有效降低噪聲頻率；在胎面內部附著涂層、靜音海綿或聚酯泡沫層等；配方中采用新型特殊材料以吸收噪聲。

2.1 花紋形式及角度調整

在橫溝、縱溝和斜溝這3種花紋溝中，噪聲最高的是橫溝，其次是斜溝，噪聲最低的是縱溝。因此可以修改花紋溝的形狀、減少封閉的型腔，從而降低輪胎噪聲，同時，盡量避免出現橫向花紋溝，肩部花紋溝可以選用沿氣流方向漸變溝槽設計。花紋設計盡量避免窄頻范圍內出現峰值，從而降低噪聲的總體幅值。

具體措施如下：（1）盡量減小橫向花紋溝的數量，橫向花紋采用細條狀設計（比如鋼片設計），從而降低橫溝的泵浦噪聲及過大花紋塊拍擊路面的振動噪聲，并且不影響輪胎的操控性能；（2）對周向角度接近90°的花紋溝進行優化，單純從降噪角度考慮的話，花紋溝角度越小越好；（3）花紋溝長度越大，花紋溝槽的共振頻率越低，因此可以適當加大花紋溝長度，并盡量避免喇叭口效應的發生；（4）兩端完全封閉的溝會發生較強的亥姆霍茲效應，花紋設計時應盡量避免此現象，但肩部花紋可采用封閉肋條或者臺階設計，避免肩部花紋溝的空氣流進入縱向溝槽發生共鳴；（5）一般來說，花紋溝比較深的話，進入溝槽的空氣量較大，因此可以適當降低花紋溝深度來降噪；（6）適當調整花紋塊之間的錯位值，花紋設計避免角度和寬度一成不變的現象；（7）在花紋溝槽增加一些降噪設計，如消音槽、消音壁、靜音壁等。

2.2 節距優化設計

選取最優的節距種類、節距排列、節距比例。具體措施如下：（1）節距比例選用無理數比；（2）采用不等節距，一般采用3種或5種節距，節距總數及每種節距的數量均采用素數[9]；（3）輪胎周向上采用優化的節距排列，同時為了避免輪胎的不均勻性，建議相鄰相同節距數最大為4；避免花紋的剛度出現大的變化，引起輪胎不規則的磨損，節距排列需要排除最大和最小節距相鄰。

2.3 其他方法

除了花紋形式和角度調整、節距優化等，也可以通過以下幾個方面降低噪聲。

（1）胎面采用滾動阻力低、抓著力大的高彈性膠料配方，降低胎面膠硬度。

（2）降低胎冠和胎側剛度，減小對路面的沖擊，也可有效降低噪聲。

（3）提高輪胎的動平衡均勻性，減少胎面的彈性振動，避免共振現象的發生。

3 低噪聲輪胎的設計

根據以上降噪技術要點設計205/60R16低噪聲不對稱花紋轎車輪胎。本設計采用了合理的花紋設計（花紋溝和花紋塊分布）、節距比例及個數，利用計算機軟件優化了節距排列順序，并運用噪聲分析軟件進行了輪胎花紋噪聲預測和分析。

3.1 花紋設計

輪胎花紋如圖8所示。縱向溝槽底部采用拔模角及圓弧來降低縱溝的泵浦噪聲；花紋塊肋條用細小的鋼片設計進行分割來降低滾動阻力；花紋內外側進行適當的錯位，采用細小溝槽設計。

圖8 輪胎花紋

3.2 節距排列

節距噪聲判定標準為：頻譜的峰值和Filter值越低，該節距排列的花紋噪聲性能越好。

本設計對節距排列進行優化，采用多節距變化的花紋，使特定頻率下集中音分散成較寬頻帶的音，使聲音整體平滑，從而不易被人察覺[10]。

優化后的節距噪聲頻譜如圖9所示，頻譜分析結果如表1所示。

從圖9和表1可以看出，節距排列優化后，節距噪聲性能優異。

表1 優化后的節距噪聲頻譜分析

圖9 優化后的節距噪聲頻譜

3.3 花紋錯位

利用軟件計算出每個分析軌道的噪聲頻譜，通過對各軌道的數據分析，定位出對花紋噪聲影響大的區域，進行有針對性的優化，并對花紋塊的位置進行了最優化調整。花紋分析軌道分布及各軌道的噪聲頻譜如圖10所示。

圖10 花紋分析軌道分布及各軌道的噪聲頻譜

花紋塊位置的優化調整過程及結果如表2所示。由表2可知，經過花紋錯位優化后，軟件分析的花紋噪聲從56.9 dB（A）降到55.3 dB（A）。

表2 花紋錯位優化過程及結果

3.4 噪聲分析及預測

3.4.1 噪聲分析軟件驗證

運用輪胎花紋噪聲分析軟件可以得到輪胎的噪聲-頻率曲線，從而分析輪胎花紋噪聲。從歷史數據中選取4個規格參考輪胎205/65R15，225/60R16，225/60R15，215/55R17，對其花紋噪聲數據進行軟件分析對比，結果見圖11和表3。

圖11 參考輪胎花紋噪聲分析曲線

表3 參考輪胎花紋噪聲驗證分析結果 dB（A）

由圖11和表3可知，4種參考輪胎花紋噪聲的實際測試結果與軟件分析結果符合性較好，從而驗證了利用噪聲分析軟件可以進行相對準確的輪胎花紋噪聲水平預測。

3.4.2 設計花紋的噪聲分析及預測

利用輪胎花紋噪聲分析軟件計算得到本設計205/65R15規格輪胎的噪聲-頻率曲線，分析了設計花紋的噪聲，并在積累大量輪胎測試數據與分析數據的前提下，對比4個規格參考 輪 胎（205/65R15，215/55R17，195/65R15，225/60R15）的噪聲分析歷史數據，對新開發的輪胎產品進行噪聲水平預測。

輪胎花紋噪聲分析曲線對比如圖12所示，噪聲分析數據如表4所示。

圖12 輪胎花紋噪聲分析曲線對比

表4 輪胎花紋噪聲分析 dB（A）

從表4可以看出，本設計的205/60R16規格輪胎的花紋噪聲值、1/3倍頻最大值及1/3倍頻噪聲值均低于4個參考輪胎。其中205/65R15規格參考輪胎的噪聲實測值為68 dB（A），因此可推斷，經過優化以后205/60R16規格輪胎的噪聲預測值不大于68 dB（A）。

4 結語

低噪聲轎車輪胎的設計要點為采用優化的節距及花紋溝槽設計、選擇合適的胎面膠、減小胎冠和胎側剛度等。運用合理的計算機軟件優化花紋形式并合理配置花紋溝和花紋塊，可以有效降低輪胎的噪聲。本工作在此基礎上，設計出了一款噪聲預測值不大于68 dB（A）的靜音轎車輪胎。

運用輪胎花紋噪聲分析軟件，使輪胎的設計過程實現了數字化設計和分析，對輪胎性能進行預測，大大提高了設計效率和成功率，縮短了新產品開發周期，降低了研發費用。