轮胎噪声是由行驶车辆的轮胎与路面相互作用、轮胎与空气相互作用以及轮胎的变形而产生的噪声,它是汽车噪声的两个主要来源之一。轮胎噪声产生的原因和机理都比较复杂,尽管产生噪声激励源的因素众多,但是所有轮胎/路面噪声均源自于轮胎与道路的相互接触、轮胎的变形以及轮胎与空气的相互作用。
概念简介
轮胎噪声是由行驶车辆的轮胎与路面相互作用、轮胎与空气相互作用以及轮胎的变形而产生的噪声,它是汽车噪声的两个主要来源之一。
有关研究表明,在干燥路面上,当汽车行驶速度达到70km/h时,载重汽车轮胎噪声成为汽车主要噪声源,而对于轿车和轻型载重汽车,当车速高于45~55km/h时,轮胎噪声就成为主要因素;在湿路面上,即使车速慢,轮胎噪声也会超过其他噪声成为最主要的噪声源。车速越快、负荷越大,轮胎噪声的能量级就越高,在汽车行驶噪声中所占的比例也就越大。
危害
轮胎噪声是汽车噪声的的重要组成部分,是城市道路噪声污染的的一部分,对人们的危害归纳起来有以下几方面:
(1)损伤听力,影响人体健康。大量调查研究表明,如果人长时间处于强噪声的环境中,会使内耳听觉器官组织受到损伤,造成不同程度的耳聋;
(2)噪声的生理效应,暴露在噪声中所导致的人体生理变化称为噪声的生理效应,噪声具有强烈的刺激作用,对人体的影响也是多方面的,除去对听力的影响外,对神经系统、心血管系统、消化系统、内分泌系统等也有明显的影响;
(3)噪声对人们生活和工作的影响,噪声妨碍人们休息、睡眠,干扰语言交谈和日常社交生活,使人烦躁、注意力下降,甚至精神失控、行为反常;
(4)噪声还对动物、建筑物和仪器设备有影响。
分类与机理
轮胎噪声是轮胎与路表面接触时发出的声响,轮胎噪声产生的原因和机理都比较复杂,尽管产生噪声激励源的因素众多,但是所有轮胎/路面噪声均源自于轮胎与道路的相互接触、轮胎的变形以及轮胎与空气的相互作用。照其产生的机理主要可以分为空气噪声、振动噪声和振鸣噪声,其详细的分类如下图所示。
空气噪声
当轮胎转动时,轮胎周围的空气因相互流动和扰动而引起的噪声称为空气噪声。主要有以下几部分:
①空气泵气噪声
车辆行驶时,轮胎胎面花纹槽与地面耦合形成多个半封闭的空腔。当轮胎与路面接触时,空腔内的空气被压缩而向花纹槽侧面开口处流动,形成喷射气流;当轮胎离开路面时,受挤压的胎面花纹槽恢复原状,导致空腔容积迅速恢复而使得空腔内气体压强过小,具有一定的真空度,而外界空气受压力差影响被吸入花纹槽空腔内,这个过程即为轮胎的泵气效应。
因为轮胎的泵气效应是以一定的周期重复出现的,从而形成疏密不同的空气波,以轮胎为中心向外界辐射,即形成了噪声。由轮胎花纹的空气泵气效应产生的噪声被称为轮胎的泵气噪声,它是轮胎噪声的重要声源之一,路面上凹凸不平处也会因泵气效应而发出泵气噪声。
②空气共鸣噪声
车辆行驶过程中,轮胎受外界激励产生振动,导致花纹槽中流动的气体在某一特定的频率下发生共振,由此引起的噪声称为空气共鸣噪声,这个特定的频率不受轮胎外形结构的影响,而一般固定出现在 1~2kHz 范围之内。
③空气扰动噪声
轮胎转动时会带动周围的空气流动,形成湍流,湍流中空气压力起伏变化引起的噪声称为空气扰动噪声。这种噪声的声能不强,在轮胎噪声中所占的比重较小,只有车速超过200km/h,才对轮胎噪声级有所影响。
振动噪声
轮胎胎面和胎侧在外界激励下产生振动引起的噪声称为振动噪声,它也是轮胎噪声的最重要声源之一。
①冲击振动噪声
当轮胎与路面接触时存在一个冲击力,该冲击力使得轮胎胎面和胎侧发生一定的形变,而该形变变形与恢复过程中产生的噪声称为轮胎冲击振动噪声。
②滑移振动噪声
轮胎胎面与路面耦合时,接触面上的橡胶花纹块与路面之间在位移上产生了一定的偏移,而偏移过程中花纹块在摩擦力作用下引起振动而产生的噪声称为滑移振动噪声。
③复原振动噪声
轮胎转动过程中,受压部位离开接触面后变形恢复,而形变复原过程中产生的振动噪声称为复原振动噪声。
④路面振动噪声
车辆行驶过程中轮胎受凹凸不平的路面激励所引起的噪声称为路面振动噪声。
振鸣噪声
汽车在路面上起步、急刹车或急转向时,轮胎和地面接触面发生局部自激振动而产生的噪声称为振鸣噪声,其频率一般为 0.5~1kHz。
还有其他一些机理,不过,有些机理还有待进一步研究考证。不同性质的轮胎噪声,其产生机理各不相同,在大多数情况下,这些机理是同时存在的,只是形成噪声能量的大小和对轮胎总噪声的贡献主次不同。
影响因素
轮胎噪声的影响因素可以分为轮胎的设计因素和使用因素。设计因素主要包括轮胎结构设计和花纹设计;使用因素主要包括汽车的行驶速度、轮胎载荷和气压、路面状况以及轮胎磨耗等,其中花纹设计和路面状况是影响轮胎噪声的主要因素。
轮胎的设计因素
花纹槽的设计不同直接造成各种花纹轮胎泵气噪声声强的不同,横向花纹槽容易形成封闭空腔,产生的空气喷射流压强也较大,而纵向花纹槽中空气流动较为顺畅,受压时容易排出,不会产生较大的空气压差,因而引起的噪声也较小。
轮胎使用因素
使用因素包括车辆行驶速度、路面状况以及轮胎载荷和气压等。一般情况下,车速越快,轮胎噪声越大;路面的粗糙度以及干湿程度能影响轮胎噪声大小;而轮胎的新旧程度也对轮胎噪声有一定影响,相同型号的轮胎磨损后要比新轮胎噪声增加 2~4dB;负荷越大,噪声越大,因此载重轮胎噪声一般比轿车轮胎噪声高3~5dB。
降低轮胎噪声的方法
基于轮胎噪声的发声机理,降低轮胎噪声主要从以下几方面考虑。
(1)由于轮胎振动噪声与轮胎的刚度、阻尼、均匀性和动平衡有关,要降低轮胎的噪声,从材料上来讲,可以采用高阻尼橡胶材料,调整轮胎整体刚度和负荷平衡、提高轮胎的均匀性和动平衡;
(2)由于轮胎胎面花纹噪声是轮胎噪声的主要来源,可以通过优化轮胎花纹结构来降低噪声,这也是轮胎降噪最主要的方法。胎面花纹设计应该尽量减小噪声的总体幅值,同时使噪声能量分布在尽可能宽的频率范围上,避免在窄的频率范围上出现峰值。可以利用多种方法实现轮胎降噪:优化花纹块(槽)的设计、优化花纹错位的设计,以及选择轮胎花纹的最优节距等。
轮胎降噪还有其他一些方法,但是有可能对轮胎其他性能产生不利影响,所以在选择降噪方法时要兼顾轮胎其他性能。