噪声与轮胎设计参数.pptx

李勇 15020082616 噪声与轮胎设计参数的关系 -NVH为车辆档次的一个重要标准NVH：Noise，vribtation and harshness2024/9/16 2024/9/16 周一周一2 2轮胎噪声分类产生机理由振动而产生（structure-borne）冲击机制花纹块撞击路面路面粗糙度行驶中的变形粘附机制Stick-slipStick-snap由空气运动产生（airborne）空气位移机制空气扰动气泵管腔共振亥姆霍兹共振放大机理喇叭效应声学阻抗效应机械阻抗效应轮胎共振带束共振空腔共振低频段主要为冲击机理，高频段主要为空气位移机理。由于行驶工况的改变所带来的胎面加速度的变化，伴随着轮胎SPL的变化。2024/9/16 2024/9/16 周一周一3 3总体特征行驶时轮胎的变形会产生力和振动，但会很快被衰减。(non-uniformities noise)轮胎花纹是振动激励的一个输入(impact noise)，路面粗糙度是振动激励的另一个输入(rumble noise)。胎面振动强于胎侧，但是胎面的振动会传到胎侧，胎侧的传播声音的能力更强。带束的材料(弯曲刚度)和结构影响其共振品质，近而影响1000Hz左右的峰值。2024/9/16 2024/9/16 周一周一4 4冲击机制Stick-slip mechanismStick-snap mechanism黏附黏附机制机制2024/9/16 2024/9/16 周一周一5 5黏附机制胎面单元在通过接地区时积聚能量，直到克服摩擦。在过程中胎面单元向后滑行，直到被地面黏附。这个过程重复发生在轮胎纵向的切面内。这种机制与轮胎的磨损程度相关。(改变胎面单元的高度会使得胎面单元的弯曲和拉伸模态的特征值移向高频)合成胶可以有效的降低这种噪声。stick-slip mechanism也受到路面粗糙度的影响。这种机制仅在加速、制动和转弯这种极限工况下占主导。(squealing noise)2024/9/16 2024/9/16 周一周一6 6Stick-slip mechanism轮胎转动方向？2024/9/162024/9/16周一周一7 7适用于粘性的胎面和光滑的路面(如高温下的冬季胎面)，其原理为分子之间的吸引力。这种机制也可能由胎面和路面之间的静电排斥作用引起。整体来说，这种机制产生的噪声占车辆噪声的很小一部分。两种机制都是首先作用于接地区的后端。路面粗糙度的提高可以增加第一种机制噪声（增大摩擦力），但是会减少第二种机制噪声（降低粘附强度）。2024/9/16 2024/9/16 周一周一8 8Stick-snap mechanism2024/9/16 2024/9/16 周一周一9 9空气噪声机制空气空气噪声噪声Air pumpingHelmholtzresonance 空气空气扰动Pipe resonance2024/9/16 2024/9/16 周一周一1010空气噪声机制空气空气噪声噪声Air pumpingHelmholtzresonance 空气空气扰动Pipe resonance气泵噪声被认为是最重要的轮胎道路噪声之一。由压缩的花纹排出的空气可以被看成是单极子。大振幅的压力和密度的变化使得单极子模型有其局限性。封闭式花纹胎比噪声最大的横沟花纹胎的SPL高了10个分贝。气泵噪声主要发生的接地区的后端。气泵噪声的有效频段是1-10kHz。2024/9/16 2024/9/16 周一周一1111Air pumping空气在封闭管道中会形成驻波。对于两端封闭的管道来说，波长等于管长的2倍，半封闭的管道，波长等于管长的4倍。这种机制取决于胎面花纹的几何形状，而与轮胎的转动速度无关。2024/9/16 2024/9/16 周一周一1212Pipe resonance两端开口的管子产生的波长是其长度L的两倍，称为管共振。对于直径为d的管子。气共振频率为 式中c是声速，n谐波次数。对于一段开口的管子，改为 可以看成一个简单的质量弹簧系统，把花纹沟看成一个弹簧，进入花纹沟的空气视为一个质量。(运动中都在变化)在花纹沟空腔的运动中，共振的频率会变化，与此同时，共振的振幅也会减小。这种机制集中于1000-2500Hz。Helmholtz 共振频率可有轮胎花纹和路面之间良好的通风性能而降低，多孔路面、多孔胎面和想通的花纹沟。可以通过改变胎面空腔的体积和轮胎与路面之间的空间（改变轮胎直径和接地长度）。2024/9/16 2024/9/16 周一周一1414Helmholtz Resonance对于靠近胎面的部位，特别是气泵噪声发生的部位，喇叭效应作用明显。(接地点的前后两端)与角度有关。车辆驶过时动态的分析可知，车辆在远处时(0度)，角度较小，放大作用最明显，但是衰减作用也很大，车辆正对时(90度)，角度较大，放大作用不明显，但是衰减作用也小。最优的放大作用产生的角度是60-75度。喇叭效应的放大作用不仅影响面内噪声，也对侧面的噪声有很大的影响。2024/9/16 2024/9/16 周一周一1515Horn effectHorn产生的放大效应可达20db。Horn效应与接触边的距离越近越大，并在2000-3000Hz达到最大。胎面越宽，horn效应越大。空腔共振 轮胎/轮辋之间的空腔也产生噪声，在轮辋里面加吸声材料后，轮胎内的声强从140dB降到130dB，轮胎外部降了0.8分贝。P113 空腔共振频率只由轮胎和轮辋的尺寸以及腔内气体的声速决定。C-腔内气体的声速；l-腔的长度D腔的外直径；d-腔的内直径例如：对P205/65R15，测量和模型计算得到的频率分别为223和227Hz。轿车胎的空腔共振频率在220-280Hz，载重胎在150Hz。管腔共振40摄氏度时的声速为349m/s，氦气是1039m/s，因此空气的共振频率是230-280Hz，而氦气的是680-830Hz。实验证明，空气的噪声在250Hz明显比氦气高，而在700Hz时氦气高得并不明显，因此，充氦气能降低低频噪声。空腔共振 所有的花纹沟都形成管共振，共振频率主要依赖于几何性能。这意味着载荷和充气压力会对频率产生影响。降低管共振的两个方法：1.避免管共振频率接近胎面的冲击频率（至少对轮胎的正常行驶速度），2.增加通气。三种噪声测量方式1.Coast-by 关闭发动机滑行2.Cruise-by 不关发动机，匀速3.Dirve by 不关发动机，踩下油门，加速4.Pass-by 总称，包含以上三种情况噪声与轮胎宽度的关系 胎面振动响应超过胎侧振动响应达10dB，因此胎面为主要的噪声发生区。轮胎越宽,噪声越大,主要是因为Horn效应;而直径没有这明显的关系,因为它受两个因素的影响:直径大,冲击小,但Horn效应大.当PCR宽度大于200mm时,声音随宽度的增加变缓.而385超级单胎却是下降的,主要是因为他们为拖轮花纹.噪声与带束层的关系提高胎面或带束层的弯曲刚度,就能降低噪声,因为这会降低胎肩的震动.在1000Hz处产生的峰值被认为是由带束的共振引起。噪声与均匀性的关系轮胎的均匀性对低频波段影响较大,如80HZ大约为7分贝.对轿车胎,当径向力的变动(a radial force variation twice as large as that of an average tyre 70-180N)加倍时,增加0.5-1DB，在80HZ时，Peak to peak 测量为2DB。在用A权测量时，低频信号权重很低，因此在总的噪声中显示很少。噪声与配方关系1.天然胶改为高生热合成胶胎面时，在粗糙路面上，噪声稍微上升；在光滑路面上，下降。总之，胎面材料对轮胎的影响很小。2.胎面模量对噪声的影响要比胎侧模量大；3.胎面或胎侧的tan对噪声的影响很小；4.胎面硬度对载重胎噪声的影响很大，邵氏硬度59比40的要高5-8DB。5.胎面硬度对噪声的影响主要集中在1-3KHz，主要跟气泵噪声有关。主要原因可能是Stick-slip mechanism。提高硬度，会导致stick-slip的幅值。6.封闭的pocket轮胎的噪声要高10dB左右噪声与花纹花纹的randomization(synchronous or asynchronous)虽然会使某些频谱段变得平缓，降低A权噪声。采用随机花纹的另一个重要好处是提高了重量和刚度的均匀性，即轮胎的静平衡和均匀性。采用不是所有的轮胎都可以采用asynchronous排列，他必须有一中心沟或中心rib。Synchronous同步的，指轮胎的左右两边按照相同的节距排列，asynchronous指左右两边的节距排列不同。传统方法是将采用2-4个节距，新方法是采用连续变化节距，甚至花纹在轮胎周向上变化，这样的噪声更低。光面轮胎也会产生噪声，主要来自轮胎的下沉和stick-slip过程。为减小air pumping 和 pipe resonance,应避免closed pocket,cavities with narrow outlets and long grooves without ventilated side branches.这与排水的要求一致。大多数轮胎的关键频率范围为1000Hz。相应的groove的Critical length（共振长度）是：两端开口的是175mm；一端开口，一端闭合的是90MM；这与轮胎印痕的长度差不多。为避免此情况，普利司通采用“groove fence”来打破声波的传播。应尽量避免花纹沟与印痕边缘一致，最少要45度角。这就要求轮胎肩部与轴向大体垂直，在中部尽可能一致。2024/9/162024/9/16周一周一28282024/9/162024/9/16周一周一2929使用窄的花纹沟，减少花纹沟深度。小的横向花纹沟可以减小振动，并且排气量小较小花纹块代替大块花纹。降低行驶面的碰撞。增大横向花纹沟的周向角度。从一个单元到下一个单元提供了一个平滑过渡的负载，并在入口处降低了接触振动的影响，从接触出口逐步释放空气。花纹沟应排气好。避免了空气的密封，并使能够引起共鸣的密封花纹沟尽量最小化。轮胎的外侧是操纵性能，内侧是驱动性能。因此外侧需要更多的硬度高的块或条，并且细槽要少。路面对有向花纹的噪声影响很大，在很光滑路面上（safety walk）有向花纹轮胎正反转差别可以达到2.7DB，非对称花纹的左右在1DB之内。在GRB_S（similar to a smooth textured asphalt concrete）,影响更小，非对称花纹的左右影响大约为0.3DB，但是有向花纹正反转可达到3.6DB，无向花纹可达0.5-0.7dB。花纹块与噪声关系2024/9/162024/9/16周一周一3131噪声与节距关系花纹沟错开设计，避免花纹沟同时进入接地面和离开接地面保证大的激励不会发生在轮胎的不连续位置，噪声接地面内的花纹沟面积是恒定的。轮胎左右两侧的花纹排列应不同，也就是常说的相位调整或平移进一步使节距随机化使用大的节距比例，但不要使用整数比例，如3/2、4/3等等对能量的分散有帮助，但整数比例容易引起共振使用尽可能多的节距长度使频谱图变得更光滑节距个数多要比少更好减少了花纹块的大小，进而减少了撞击相同的幅值情况下，花纹节距排列的傅立叶分析应该避免一次谐波，并包含二次、三次谐波对平滑频谱图有帮助1.节距排列循序沿轮胎节距排列循序沿轮胎圆周成正弦曲线形式圆周成正弦曲线形式变化。变化。2、一、一个小节距百分数个小节距百分数随后有一个大节距随后有一个大节距图图12：随机间距序列的效果：随机间距序列的效果 19，修改图，修改图10.29 噪声与胎冠曲率关系改变花纹的曲率，可使轮胎噪声上升6-9dB。这说明胎面曲率对噪声有重要影响噪声与磨损轮胎的关系总的说，随着轮胎的磨损，噪声上升。对卡车胎，一半磨损的比新胎要高2.5-4.2dB。但随着磨损的继续，噪声会下降至光胎。对已磨光的胎，在光滑路面上，要比新胎安静得多，但在实际的沥青路面上，却是噪声最大的，尤其是1-3KHz。这主要是因为胎面太薄，降低了动态刚度使胎面更容易震动。噪声与路面的关系路面结构与轮胎噪声的关系如下：1.当路面wavelength为10-500mm，低频声强随粗糙度的增加而增加；当路面wavelength为0.5-10mm时，高频声强随粗糙度的增加而减小。P102注意：低频声强是有胎面冲击造成的，高频声强是空气波动产生的。花纹块或路面不平引起的冲击包括周向和径向。冲击角度主要由轮胎半径决定噪声与各部位的关系胎面噪声要比胎侧噪声高10dB,因此胎面是主要噪声源胎面和相邻的胎侧区的响应一致，这说明胎侧不是独立的噪声源，应作为低幅的胎面噪声；冲击噪声在1000Hz左右达到高峰，是有带束层的共振引起的。共振与轮胎参数关系因素因素效果变化效果变化增加充气压力气压每增加1psi，频率提高0.51.5Hz增加胎体帘线的模量模量增加10%，则频率增加2.0Hz增加胎体帘线压延密度密度增加10%，则频率增加1.01.5Hz增加橡胶的模量橡 胶 模 量 增 加 50%，则 频 率 增 加0.71.2Hz增加带束层角度带 束 层 角 度 增 加 10%，则 频 率 增 加0.10.4Hz增加带束层帘线压延密度压 延 密 度 增 加 10%，则 频 率 增 加0.81.8Hz2024/9/162024/9/16周一周一3838噪声与实验速度关系实验速度对轮胎噪声有重大影响，乘用车胎的噪声提高和速度的关系是40logV。卡车胎的噪声提高和速度的关系在30logV 和4logV 之间。2024/9/162024/9/16周一周一3939噪声影响因素的频率范围现代轮胎在700-1300Hz产生极值。其主要原因：A权对1000Hz范围的权重最大花纹的周节在20-65mm，在高速时可产生300-1500Hz的冲击噪声。纵沟在接地区的管共振频率在900-2000Hz一端封闭的横沟，共振频率在900-2000HzHelmholtz共振在1000-2500Hz内最重要花纹块的切向共振频率在800-3000Hz轿车花纹块的的径向震动（与轮胎结构有关）在800-1000Hz带束层共振在600-1300HzHorn效应在coastby和Passingby条件下是600-2000Hz普通路面的跨度wavelength为16-20mm，在70Km/h时的激励频率为800-1000Hz；在90Km/h为1000-1250Hz。它的峰值并不明显，但是放大了共振，对带束层共振输入了一个更大的激励。在中低频率200-1000Hz，主要是从接地区的leading edge发出。在1000-1250Hz是接地区的拖边。更高频率时，就不一致了，有时在主动边，有时在拖边。低频声音占了印痕中心的主要部分，在高频区印痕的主边和拖边占主要。从主边到印痕中心的区域是主要的发声源，有可能加上胎侧的贡献。这主要是因为在1000Hz（带束层共振区）左右，声音主要沿着轮胎传播，高于1000Hz时，主要在印痕区的主边和拖边，气泵效应和空气共振其主要作用。Nissan研究表明主边和拖边的频率在800-1600Hz。轮胎上半部的频率在400-600Hz，并通过轮罩共振得到加强。胎侧的贡献在高于700Hz时迅速降低。胎侧和轮罩的声音对A权影响不大。谢谢！