轮胎气压对汽车振动噪声的影响

文章编号：1006-1355(2011)03-0065-04
轮胎气压对汽车振动噪声的影响
熊建强1，2，黄菊花1，廖群2
（1..南昌大学机电工程学院，南昌330031；
2..江西渝州科技职业学院机电工程学院，江西新余338029）
摘要：影响汽车振动噪声的因素有设计、材料、胎压、结构、路况等，研究轮胎充气压力变化对轮胎和整车振动噪声的影响。

通过实验数据和理论分析得知，轮胎刚度与固有频率随轮胎充气压力的升高而增加；悬架与汽车振动特性随轮胎充气压力的变化而有较明显改变；轮胎气压对气泵噪声也有不同程度的影响；胎压对轮胎噪声水平影响不大，而且对实验用轮胎噪声水平影响不具有规律性；胎压升高使得轮胎减振性能下降，增加整车冲击振动感，降低汽车行驶平顺性和乘坐舒适性。

因此，合理的轮胎充气压力，不但可以降低和改善整车振动噪声；而且还可以提高汽车行驶平顺性与乘坐舒适性。

关键词：声学；噪声与振动；固有频率；刚度；悬架；轮胎气压
中图分类号：TB533+.1文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1355-2011.03.015 Study on Influence of Tire Pressure on Noise and Vibration of
Vehicle
XIONG Jian-qiang1,2，HUANG Ju-hua1，LIAO Qun2
（1..School of Mechanical&Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang330031,China;
2..School of Mechanical&Electrical Engineering,Jiangxi Yuzhou Scientific&Technological Institute,
Xinyu338029,Jiangxi China）
Abstract:The influencing factors of noise and vibration of vehicles are material,tire pressure,vehicle’s structure,road conditions,and so on.This paper analyzes the influence of the inflation pressure of the tire on the noise and vibration of the vehicles.According to the experimental data and theoretical analysis,tire rigidity and natural frequency will increase with the rise of tire’s inflation pressure;suspension and auto vibration will vary evidently with the change of the tire’s pressure; the tire’s pressure has some influence on air pumping noise;the influence of the tire’s pressure on tire’s noise level is low and irregular;the rise of the tire’s pressure will decline the capability of tire’s vibration absorbing and increase the sense of vibration and shock,and will also reduce the riding comfort of the vehicle.The reasonable tire’s pressure is important for re-ducing the noise and vibration of the entire vehicle.
Key words:noise and vibration;natural frequency;rigidity;suspension;tire pressure
随着汽车数量逐年增多，汽车噪声已成为交通噪声污染的主要来源。

近些年，通过对汽车振动噪声的深入分析与研究，汽车结构振动产生的噪声已得到一定的有效控制。

相比之下，汽车轮胎噪声随着汽车速度的提升，在整车噪声中所占比例与影响程度也在增大。

因此，要减少交通噪声污染，首先要
收稿日期：2010-05-04；修改日期：2010-09-17
作者简介：熊建强（1978-），男，江西南昌人，博士生，研究方向为汽车噪声与振动。

E-mail：jqxiong@ 减少汽车噪声污染，而要减少汽车噪声污染，必须降低汽车轮胎所引起的振动噪声。

根据有关噪声源和实测结果分析，轮胎噪声主要是花纹的气泵噪声和花纹块撞击路面噪声[1-4]。

而影响和造成轮胎噪声的因素有结构、材料、速度、轮胎气压等，其中轮胎气压是影响汽车噪声与振动的重要因素之一。

轮胎气压不但影响轮胎自身的噪声与振动特性；而且还对整车振动噪声特性有较大的影响。

因此，研究轮胎气压对汽车振动噪声的影响，对于降低和改善整车振动噪声，以及提高汽车行驶平顺性和乘坐舒适性有着重要意义。

1胎压充气压力对轮胎刚度和固有频率的影响
轮胎刚度特性对汽车振动有较大的影响，而影响轮胎刚度的因素有材料、结构、气压等。

在其他条件不变的情况下，进行了轮胎充气压力变化对轮胎刚度影响的实验。

现对同种规格的轮胎进行不同充气压力的实验，由实测实验数据分析可得出：轮胎刚度随着充气压力的升高而增加。

其主要原因是：充气压力增大使得轮胎内轮廓受到的内部应力相应增加，因此，轮胎刚度也在增加[5-7]。

由实验数据得到轮胎径向刚度、纵向刚度、横向刚度随充气压力变化如图（1）、图（2）、图（3）所示,其中a,b,c三条曲线分别是在气压180kPa,250kPa,300kPa下，轮胎纵横
向刚度的变化曲线。

图1充气压力对径向刚度影响关系曲线
Fig.1Relation curve of radial stiffness and tire air
pressure
图2充气压力对轮胎纵向刚度影响关系曲线Fig.2Relation curve of longitudinal stiffness and tire air
pressure
充气压力(kPa)：a－180；b－250；c－300
轮胎刚度随轮胎充气压力的改变而变化，必然会影响到轮胎的振动特性，轮胎振动特性中的固有频率便是改变之一，根据实验实测数据，轮胎固有频率随轮胎充气压力变化如图4所示。

由上述轮胎刚度和固有频率随气压变化图可知，轮胎径向、纵向与横向刚度以及固有频率，随轮
胎充气压力的变化成正比关系。

图3充气压力对轮胎横向刚度影响关系曲线
Fig.3Relation curve of lateral stiffness and tire air pressure 充气压力(kPa)：a－180；b－250；c－
300
图4固有频率随轮胎气压变化曲线
Fig.4Relation curve of natural frequency and tire air pressure 2胎压对轮胎振动噪声影响分析
2.1轮胎花纹块撞击路面的噪声与振动
轮胎在循环滚动过程中，花纹块会撞击路面，特别是当路面坡度较大，会形成一定的撞击振动噪声。

在轮胎充气压力较小的情况下，轮胎刚度也相应较低，轮胎撞击突起物时，轮胎变形量大、吸振能力强，会吸收较多的撞击振动能量，从而使得撞击振动噪声较小，减振降噪性能较好。

而在轮胎充气压力增加的情况下，轮胎的径向、纵向、横向刚度都增大，使得轮胎撞击突起物时变形量减少，吸收或缓冲撞击振动的能力较差，从而使得轮胎减振性能下降，撞击振动噪声增强，乘坐舒适性大大降低。

2.2轮胎振动
轮胎振动噪声主要包括胎侧和胎面振动噪声，
胎面打击路面发生的振动噪声以及胎面相对路面滑动所发生的强制振动噪声[8]。

轮胎气压升高，轮胎刚度和轮胎固有频率都增加，而轮胎在高价模态，其振动幅值受气压的变化影响较大。

因此，轮胎气压增加会使得轮胎高价模态振幅升高较大。

根据实验数据，得到不同气压下轮胎前5阶径向自由振动固有频率如表（1）所示。

表1轮胎前5阶自由振动固有频率随胎压变化值（单位：Hz）Tab.1Natural frequency value of different tire air pressure
（Unit：Hz）
充气压力/
MPa
0.12
0.24
0.36
1阶
44.56
53.74
61.16
2阶
59.50
74.64
86.65
3阶
75.62
96.43
112.94
4阶
94.07
120.19
140.97
5阶
114.37
145.36
169.91
由上述数据可知，充气压力变化对轮胎高阶自由振动固有频率的影响大于对低阶自由振动固有频率的影响。

实验和理论分析可知，轮胎固有频率、刚度随充气气压的升高而增大，因此，轮胎气压的增强会加大车轮高频共振时的加速度，从而降低了汽车的平顺性。

2.3轮胎噪声水平的影响
对同种型号轮胎滚动前上方位置，进行相同负荷、相同速度、不同气压下的噪声声级水平实验，根据实验实测数据（所测数据没有进行A计权修正）得到如表（2）所示的实验数据。

表2不同气压下的轮胎噪声水平
Tab.2Noise level of different tire air pressure
气压/kPa
平均声压级/dB 210
90.2
260
90.7
300
88.7
由实验数据图表2可看出，对实验用轮胎噪声声级水平随气压的变化不敏感，或者说实验轮胎噪声声级水平随气压的变化不具有规律性，因此，轮胎气压对实验用轮胎噪声水平的影响不大。

2.4气泵噪声
气泵噪声是由于胎面与地面接触时，在径向、纵向和横向将产生压缩变形，使胎面沟部的容积减少，将沟内（或路面凹凸内）所含空气挤出，胎面离开地面时，沟部容积恢复，空气又流入沟内。

这种胎面元素间或路面凸凹内的空气的不连续流造成了压力波动，发出声音，从而形成气泵噪声。

根据文献[9]对轮胎气泵噪声提出的噪声声压级预报模型为：
L m=20lg
ρ0m S13v2
4p0π1122（1）其中ρ0为空气密度；m为花纹块数量；P0为基准声压（2×10－5Pa）；v为车速；13为花纹块横向长度；12为花纹块周向长度；S为花纹块围城的截面积；1为源区与观测者之间的距离。

其中S13为花纹块与地面之间所挤出或吸入的体积，随着轮胎气压的升高，轮胎径向刚度、纵向刚度与横向刚度都增加；轮胎变形量相应减少，其中空腔体积变化S13也减少。

由公式（1）可以推知，在其他变量不变的情况下，胎压升高使得计算公式中的分子减少，由于分母没有变化，所以气泵噪声声压级L m降低。

因此，在其他变量不变的情况下，根据气泵噪声预测模型可以得知：轮胎气压升高，会使得气泵噪声降低；轮胎气压降低，会使得气泵噪声升高[10-11]。

3轮胎气压对汽车振动影响分析由于轮胎－悬架－底盘之间存在动态相互作用，轮胎刚度的变化必然会影响到它们之间的动态作用。

根据文献[12]研究中讲到，轮胎的径向刚度越大，由路面不平度引起的径向振动越大，相应传给车身的振动也就越大。

轮胎气压的大小会直接影响到轮胎振动的传递率，最终影响到汽车振动特性。

因此，轮胎气压对悬架、底盘和汽车振动影响较大。

根据悬架与汽车振动频率的影响关系，汽车振动频率可以由下式确定[13]，即
n=
（2）式中f a为悬架变形，且
f a=G C
（3）式中G为悬架负荷；C为悬架组合刚度，且
C=
C s⋅C t
C s+C t（4）式中C s为弹簧刚度；C t为轮胎刚度，且
C t=Q f（5）式中f为轮胎径向变形；Q为轮胎负荷。

轮胎径向变形可由以下式求得
P=Q F K1P w（6）
F=K2b S=2K2S()
2R0f-f2
1
2（7）式中F为轮胎接地面积；S为轮胎断面宽度；b为轮胎接地面积长度；K2为实际接地面积与b×S得比值，小于1；f为轮胎变形量；R0为轮胎自由半径。

(上接第41页)
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将式中（7）代入式（6），可得轮胎径向变形为
f =é
ëêùû
ú1-1-()αβ2×R （8）式中α为参数因子，且α=Q
P w R 0S ；β
为轮胎径
向刚度因子，且β=5K 1K 2。

由上述几式可推知轮胎刚度影响悬架组合刚度，而悬架组合刚度影响汽车振动频率。

当汽车载荷固定不变时，随着轮胎气压的增大，轮胎刚度也相应增大，轮胎刚度的增加，改变了悬架的组合刚度，悬架组合刚度的变化最终影响汽车振动频率及改变汽车振动特性。

4结语
轮胎是汽车主要振动与噪声源之一，同时轮胎又是影响汽车振动噪声的重要因素。

因此，研究气压对轮胎和汽车振动噪声特性的影响，对于研究降低整车振动噪声和提高汽车乘坐舒适性具有重要的指导作用：
（1）轮胎固有频率、轮胎刚度、汽车振动频率随轮胎气压的增大而升高，与之成正比关系；
（2）轮胎气压的增大，减少了轮胎吸振能力，提高了整车的振动强度和不平顺性，降低了乘坐舒适性；
（3）根据轮胎气泵噪声预测模型得知，气泵噪声对轮胎气压的变化成正比关系；
（4）轮胎噪声水平与胎压关系不大，且变化不具有规律性；
（5）充气压力对轮胎高阶自由振动的影响大于
低阶自由振动。

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