吸音海綿輪胎使用補胎劑后對其空腔噪聲的影響分析

莫龍根，于 江，馬祖國，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代的到來，對于整車 噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）的要求也水漲船高了。沒了發(fā)動機(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，引起輪胎空腔模態(tài)共振并與輪輞耦合后通過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。

若通過輪胎結(jié)構(gòu)調(diào)整來降低空腔噪聲，則對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)市場調(diào)研，目前多款電動汽車采用此技術(shù)的輪胎，說明此技術(shù)的降噪效果普遍獲得車企的認(rèn)可，未來可能成為電動汽車的新寵。

現(xiàn)今，電動汽車因空間布置問題，一般用補胎套裝代替?zhèn)涮ィ裙?jié)省了空間也節(jié)省了成本還減輕了整車重量，并且補胎套裝的使用比備胎更換更加輕松便捷，對于動手能力和體力的要求更低。補胎套裝由電動充氣泵和補胎劑組成，作為應(yīng)急工具使用，適用于臨時修補輪胎胎面被扎孔徑小于6 mm 的情況。其工作原理利用電動充氣泵的壓力將補胎劑注入到輪胎內(nèi)腔，然后隨著輪胎滾動，補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胎劑產(chǎn)生橡膠顆粒，隨即實現(xiàn)補胎效果。這樣就與吸音海綿輪胎發(fā)生矛盾了。1）補胎劑能否修補吸音海綿輪胎？2）補胎劑修補過程中會滲透到吸音海綿中，且無法完全將其從吸音海綿中清理干凈，如此是否會影響吸音海綿輪胎的降噪功能？

1 試驗方案

1.1 補胎劑修補吸音海綿輪胎的試驗方案

1.1.1 試驗材料清單

材料清單如表1 所示。

表1 試驗材料清單

1.1.2 試驗過程

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 補胎套裝按其說明組裝完成，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，打開充氣泵開關(guān)，將補胎劑打到輪胎內(nèi)腔里（圖3）。

圖3 將補胎劑打入到輪胎內(nèi)

第五步：補胎劑打入到輪胎內(nèi)腔后，將胎壓補充到250 kPa，然后關(guān)閉充氣泵，斷開充氣泵與氣門嘴的鏈接，迅速收起實驗設(shè)備，以 30～80 km/h的速度開動試驗車。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 使用過補胎劑的吸音海綿輪胎的空腔噪聲測試試驗方案

1.2.1 試驗材料清單

試驗材料清單如表2 所示。

表2 試驗材料清單

1.2.2 試驗過程

輪胎空腔噪聲是由于路面激勵車輪，輪胎胎面振動與輪胎空腔系統(tǒng)共振引起的噪聲[4]。由此可知，路面激勵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較大的測試路況來檢測輪胎空腔噪聲的大小，具體的測試條件如表3 所示。

表3 測試工況表

輪胎空腔噪聲有其固有模態(tài)，稱為腔體模態(tài)，對于典型的乘用車輪胎來說，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，頻率分布很廣，一般為800～2 000 Hz。所以研究中會通過看此頻率范圍內(nèi)是否有明顯峰值來確認(rèn)是否有花紋噪聲。據(jù)此，本試驗僅需選取200～250 Hz 區(qū)間的空腔噪聲分貝值進(jìn)行對比分析。

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。具體測試點布置如圖5 所示。

圖5 車內(nèi)麥克風(fēng)布置示意圖

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

表4 試驗方案表

為了避免胎面打孔對試驗效果的影響，A、B、C、D 四組輪胎的胎面均不扎孔，直接利用電動充氣泵將補胎劑打入到C、D 組的輪胎內(nèi)腔，同時胎壓充至240 kPa。再以30 km/h 的速度行駛10 km，使補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胎劑（圖6），再將輪胎組裝好，等待整車測試。

圖6 清理輪胎內(nèi)腔的補胎劑

2 試驗結(jié)果分析

2.1 補胎劑修補吸音海綿輪胎的結(jié)果分析

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

補胎劑打入輪胎內(nèi)腔后，隨著車輛行駛，并在胎壓和重力的作用下，液態(tài)狀的補胎劑通過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。因為海綿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。同時與內(nèi)襯層接觸面極為細(xì)小，不會遮擋住被扎的孔，故不影響補胎劑滲入到孔內(nèi)。所以在輪胎內(nèi)襯層上貼吸音海綿，不影響補胎劑的補胎功能，即不影響補胎套裝的使用效果。

2.2 使用過補胎劑的吸音海綿輪胎的空腔噪聲測試結(jié)果分析

2.2.1 光滑瀝青路面測試結(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 測試結(jié)果

對比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。

對比C、D 方案，其分貝值基本相當(dāng)，無明顯差異，即吸音海綿輪胎使用補胎劑一周后，其空腔噪聲分貝值基本與剛使用時一致。推測，補胎劑干燥后，對吸音海綿上小孔沒有形成顯著的阻礙，不影響其吸收噪音的功能，故補胎劑對吸音海綿的影響不隨時間地延長而變差。

如圖8 所示，光滑瀝青路面60 km/h 情況下，無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 測試結(jié)果

對比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)該是測試誤差所致。故推測60 km/h 行駛在光滑瀝青路面上時，補胎劑的使用對吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的效果基本無影響。

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

2.2.2 粗糙瀝青路面測試結(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 測試結(jié)果

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

對比C、D 方案，兩方案所測的分貝值也基本一致，無明顯差。故推測，補胎劑對吸音海綿的影響不隨著時間的延長而變差。

如圖10 所示，粗糙瀝青路面60 km/h 情況下，無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 測試結(jié)果

對比B、C 方案，兩方案所測的分貝值基本一致，無明顯差別。故推測在60 km/h 的粗糙瀝青路面上，補胎劑的使用對吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的效果無影響。

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

2.2.3 水泥刻槽路面測試結(jié)果分析

如圖11 所示，水泥刻槽路面40 km/h 情況下，無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 測試結(jié)果

對比B、C 方案，兩方案所測的分貝值基本一致，無明顯差別。故推測在40 km/h 的水泥刻槽面上，補胎劑的使用對吸音海綿輪胎優(yōu)化空腔噪聲的效果無影響。

對比C、D 方案，兩方案所測的分貝值也基本一致，無明顯差。故推測，補胎劑對吸音海綿的影響不隨著時間的延長而變差。

3 結(jié)論

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

2）通過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證，不使用補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。說明剛使用補胎劑的情況下，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，與不使用補胎劑的差異細(xì)微，也基本處于同一水平。說明使用補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，隨著時間地延長，補胎劑對吸音海綿降噪的功能不會持續(xù)性惡化。

3）通過60 km/h 分別在光滑瀝青和粗糙瀝青兩種路況下的驗證，不使用補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。說明剛使用補胎劑的情況下，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。說明使用補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，隨著時間地延長，補胎劑對吸音海綿降噪的功能不會持續(xù)性惡化。

4）通過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）通過對比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）通過圖7—圖11 分析對比發(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。