轮胎花纹噪声及其降噪方法_陈理君

文章编号:1006-1355(2004)01-0010-04

轮胎花纹噪声及其降噪方法

陈理君1,李晓辉1,杨 立1,杨光大2

(1.武汉理工大学,武汉 430070;2.上海米其林回力轮胎股份有限公司,上海 200082)

摘 要:从动力学观点阐述了花纹块和花纹槽的发生机理,对花纹块宽度和长度、花纹槽宽度、长度与走向、花纹条数、基本节距数、节距排列次序以及错位参数进行了分析,得出降低轮胎噪声的原理和方法。根据结构参数分析并结合模糊控制理论和遗传算法,提出了一种轮胎花纹结构参数进行优化的设计方法)))模糊遗传算法。利用轮胎噪声仿真分析软件(T NS2002)和仿真优化软件(ODS2002)进行轮胎花纹结构设计,达到了降低轮胎噪声的目的,同时也得到低噪声轮胎花纹结构方案。研究成果为低噪声轮胎花纹设计规范与方法提供了路径。

关键词:声学;轮胎花纹噪声;发声机理;模糊遗传算法;优化方法中图分类号:T B52 文献标识码:A

T read Patterns Noise and Method of Noise -Redu ction

C HEN Li -j un 1

,LI Xiao -hui 1

,YAN G Li 1

,YANG Guang -da

2

(1.Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China;2.Shanghai Mic helin Warrior Tire Co.,Ltd.,Shanghai 200082,China)

Abstract:In this paper,the sound generating mec hanisms of the tire tread patterns noise was described by means of the dynamics principle.The width and length of pattern block,the width length and direc tion of pat -tern slot,the number of pattern strip the basic number of pattern pitch,the pitc h array and the pattern mis -placement were investigated as the structure parameters of tread pattern sound generating mechanism.Thereby the principle and method of tire noise -reduction were educed.The fuzzy genetic arithmetic was proposed based on the analytic result of pattern parameters,the fuzzy theory and the genetic principle,which may optimize the struc ture parameters of tread pattern.By means of the softw are of TNT2002and ODS2002simulation,the tread patterns noise should be reduced,and the merit project of structure parameters may be found.The re search w as successfully applied to the design of w ay for the low -noise tread patterns.

Key w ords:acoustics;tread patterns noise;sound generating mechanism;fuzzy genetic arithmetic;optimize

收稿日期:2003-04-30作者简介:陈理君(1938-),男,上海人,现任武汉理工大学应用技术研

究所所长,教授。长期从事噪声控制和自动控制科研与教学工作。

引 言

经多年研究,得出轮胎花纹噪声主要由¹花纹块击地噪声,它跟花纹块面积大小有关,与其形状基本无关;º花纹槽泵浦喷吸噪声,它只跟花纹槽宽度、长度及走向有关,与其深度基本无关;»因噪声波互相干涉产生声波增强或抵消现象,合成的噪声强度大小跟花纹结构参数及花纹排列有极大关联。这三个原则[1][4][6]是轮胎花纹降噪的理论依据。

1 轮胎花纹结构参数

参数主要包括:花纹块的宽度W b 和长度H b 、

花纹槽的宽度W s 与长度D s (等于H b )、花纹条数、基本节距数、节距排列次序以及错位。

图1 轮胎花纹方案简化图

如图1所示,花纹条数为3,基本节距数为2的简易花纹图案,整圈轮胎就是由基本节距A 和B 组合拼接而成的。变化这些花纹参数会改变各自噪声

波互干涉程度,使合成噪声波增强或减弱。1.1 花纹块参数

轮胎以_v 0速度行驶时(如图2(a)所示),在花纹块接触地面处的矢量速度_v 0突变成_v 1,而|_v 1|U |_v 0|,依据平行四边形分析原则必有指向胎中心附近的矢量速度_v 2存在。若要突然产生_v 2必伴有指向胎中

心区的力_

F ,形成块撞击地面产生撞击噪声。胎痕后

沿情况类同,产生的负压声强度比前者弱。

图2(a)中轮胎半径为r ,胎痕长为l ,块面积为

图2 花纹块槽发声机理示意图

s,块高度为h,块的密度为Q b ,则花纹块的等效质量为:

m b

=

Q b sh G b ,G b 为转换系数。由

图知道_v 2方向的加速度

为: a =

$ v 2$t = v 2-0$t ,因$t =d

| v 0|

,d 为花纹块完全接地的宽度。由动力学 F =m a 求花纹块撞击地面产生的力[16]为

| F |=Q b sh G b

d

2-4-r

l

2

| v 0|

2

(1)

又有效声压P b 与_F

大小成正比,故P b 与花纹块面积s 成正比。因而,在确保轮胎的其他力学性能的

前提下,应尽量使用较小花纹块,由于轮胎花纹条排列比较整齐,一般同一条的花纹块具有同样的高度,因此可取其宽度比不等且不成整数比的花纹块,这样取舍可以使噪声能量分散在各频段上,从而可使噪声谱峰值声压级降低,理论上也证明了同行的花纹块的宽度比取无理数比最好、素数比次之、倍数比

最差的[1][3]。由式(1)得出声强度I 与_v 4

成正比。1.2 花纹槽参数

如图2(b),车速 v c ,在槽接触地面时,喷射气团质量可等效为m g =Q g c g G g 的空气团(吸入同理),Q g 为空气密度,c g 为喷出气团的体积,G g 为转换系数。此空气团喷出速度为 v g ,但由于车前进的速度 v c 影响气体喷出的速度,由动能公式W =mv 22

可求

出气团喷出产生的动能,若有部分动能转为声能量,则声能量为

W d =

Q g c g G g F d ( v g + v c *cos B )2

2

(2)

F d 为动能与声能量的转换系数,B 为槽开口角,可见噪声能量与气团等效质量m g 和槽的走向(B 为锐角时是逆向,B 为钝角时是顺向)有关。

当空气团刚喷出时,气团是被压缩的,除具有动能外,还有势能。我们可求出势能E ,设气团喷出瞬间体积变化V ,则势能E =V 2C,C 为一系数常

量[16]。若部分转化成声能量W s =F s V 2C,F s 为势

能与声能量的转换系数。故槽产生的总声能量W g =W d +W s 。

实际上槽的深度有一定要求,变化较少,可认为

是一常数。花纹槽的发声与槽的长度和槽的宽度以

及槽的走向有关,而与深度基本无关。因此取各槽的宽度比为不接近整数比的无理数比为好。顺逆向槽数要搭配好,否则实测噪声会高出5~7dB 。1.3 花纹条数

轮胎花纹块和花纹槽按照一定的比例排列组合成为花纹条,花纹条数的多少影响到了轮胎花纹块的面积变化,从而会引起轮胎噪声的变化。根据实验,轮胎花纹条数越多,降噪效果越好。(注意,其他力学性能会下降,诸如耐磨、抓着力等,故要折衷处理)。1.4 节 距

轮胎花纹噪声频谱按FFT 变换知若以轮胎基本频率的整数倍分布,噪声频谱线上峰值会集中即声能量集中,使人听起来烦躁程度提高。所以节距划分时,应采用多种节距来构成轮胎花纹。轮胎花纹的节距比例取不接近整数比的无理数比最好,素数比次之,倍数比最差[7][15]。1.5 节距排列顺序

轮胎花纹就是由基本节距进行排列组合构成。如果轮胎花纹的节距以固定的规律重复出现,伴随着的是这些节距的波形的有周期地重复出现,使得频谱峰值将会有规律地在某些频率处叠加,导致产生很大的噪声。为了降低噪声,给轮胎花纹的重复出现部分赋以不同的宽度来使之不规则化,从而减少相同频率的集中,通过合理安排布置节距,减少在相同频率上发生叠加性加强的现象[7]

。

用随机化抽取节距尺寸和分布的无序化技术,可把轮胎花纹噪声产生的噪声能量分布到一个较宽的频率区域上,使之接近于白噪化噪声。1.6 错 位

设计组合完整的轮胎花纹一般应有错位,错位有两种:一种为各花纹条之间的错位,另一种为左半节距序列花纹与右半节距序列花纹之间的错位。轮胎花纹的合理错位会使时域声中心能量分布趋于较均衡,从而降低轮胎花纹的总噪声峰值,合适的错位可降噪5~7dB 。

图3 M 曲线与实测轮胎噪声N 曲线

2 轮胎花纹结构参数优化方法

2.1 低噪声胎M 曲线目标函数 按照美国某测试中心

噪声容许标准线(M 曲线)来确定优化目标函数,该测试中心要求送检轮胎在规定的测试条件下的噪声谱在M 曲线以下,否则判被测轮胎不满足低噪声要求。如图3所示,图中