轮胎花纹与噪音的关系及对地面路况的适应的研究.docx
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轮胎花纹与噪音的关系及对地面路况的适应的研究
轮胎花纹与噪音的关系及对地面路况的适应的研究
摘要
目前，人们对生活环境要求的提高，对道路与轮胎噪音、交通安全、能源等提出了更高的要求，因此研究汽车轮胎花纹也变得越来越迫切。
轮胎胎面花纹是轮胎与路面相互作用的直接部位，它不仅对轮胎的抓地性有直接的影响，同时也是噪音的主要影响因素。
在不同的路面情况下，不同的轮胎花纹有不同的效果。
一直以来，胎面花纹由于其几何形状很难利用实验等方法直观得到并加以分析，数值模拟方法成为研究汽车性能的一个主要方向。
本文利用数值模拟方法展开对轮胎的胎面花纹的变形特性及噪音产生进行研究，其目的是为后续的汽车通过噪声以及轮胎的抓地性等提供一定的基础和服务，结果轮胎花纹对汽车的噪音产生有一定的影响，而且轮胎与路面间附着性能是多方面因素综合作用的结果
关键词：
胎面花纹噪音抓地性地面路况
图表目录
一、问题的提出
问题一：
目前减低生活噪音成为人们迫切的要求,轮胎花纹与噪音的关系是我们研究的课题,我们主要研究轮胎花纹的哪些因素对噪音的产生有着重要的关系。
问题二：
研究轮胎花纹对路面状况的适应程度,主要对一些常用轮胎花纹与常规地面和非常规地面的适应程度进行研究。
二、问题的分析
随着人们生活品质的提高，人们希望汽车在行驶过程中产生较小的噪音，同时通过对题目的分析，轮胎被广泛使用在多种陆地交通工具上。
根据性能的需要，轮胎表面常会加工出不同形状的花纹，因此我们通过对汽车轮胎花纹的研究来减少噪音的产生和各种轮胎对路面的适应情况，分析轮胎表面的花纹，轮胎花纹大致分为普通花纹、越野花纹、混合花纹、拱形胎花纹和特种花纹等，我们可以看到，一方面，不同的花纹产生噪音大小不同，另一方面，不同的花纹所适应的路面也不一样，例如：
普通花纹因耐磨性和附着性较好，适用于较好的硬路面，混合花纹适用于好路面，也适用于碎石和松土路面等。
三、建模过程
问题一：
假设：
轮胎花纹块的发声与花纹块的花纹块的面积、形状有关；花纹槽的发声与槽的长度、槽的宽度、槽的走向、槽的深度有关。
问题二：
假设：
轮胎对不同路面（一般硬地面、泥土地面）的适应成度与轮胎花纹块的形状（纵向条纹、横向条纹、泥雪地条纹、纵横向条纹等）有关。
3.1轮胎花纹噪声
图1胎痕前后沿
3.1.1轮胎花纹块产生的噪声
首先,我们分析一下轮胎在行驶时的胎痕情况,见图1,轮胎以速度
滚动,从
A点开始,轮胎的矢量速度由
突变成了水平速度
但
根据力学平行四边形法则分析,必有一矢量速度
存在,其方向指向胎中心,才会有
和
的合成速度
出现。
那么，
的产生必然伴有指向胎中心区的力
形成块撞击地面而引起的激振,这种振动能的一部分以声波的形式向四周辐射形成撞击噪声,也就是在胎痕的前沿区形成了撞击噪声。
胎痕的后沿区情况可以与前沿区作类J以分析,但产生的是负压,声强度较弱。
当花纹块拍打地面时,前沿区的空气被压缩,空气密度增加,空气排出,
产生正声压;随着花纹块的离地,空气变得逐渐稀疏从而形成负的声压,从而
产生扰动噪声;两者合成即为花纹块的噪声,实验测定它的波形为上大下小的
形波"我们用一准正弦波
来近似描述,
为花纹块产生的声压值:
其中，
（3-1）
图2某一块花纹的声压变化曲线
:
0<
<1,其大小与轮胎的载重量、充选取遵循原则为:
硬度越大,
越小;
为声压的振幅,与花纹块的面积有关,a为转换系数;
为圆频率,是车速
和花纹块面积
的函数;
为相位角,
为圆频率,
与记时起点和该花纹块在圆
周上的位置有关。
在此计算中,我们采用了声点阵法进行分析,认为花纹块由许多点声源组
成,那么,花纹块的发声是由这些点声源进行叠加而成的。
若两花纹块包含的
点声源数相同,由于一个花纹块的点声源之间相位差极小,故认为这两个花纹
块的声压相同。
由此我们得到轮胎花纹发声的第一个结论:
花纹块的发声只与
花纹块的面积有关,而与花纹块的形状无关。
花纹块声压波形如2。
经实验
测定花纹块的发声为振动噪声,主要分布在低频区。
3.1.2轮胎花纹槽的泵浦噪声
轮胎在路面旋转期间,胎面的花纹槽随着轮胎的旋转而被压缩、释放,由
于胎面为橡胶体,所以槽内的气体随之被高速地在前沿区挤压、后沿区膨胀,
这样在胎前后沿产生压差（前沿为正压,后沿为负压）,于是形成了空气涡流,
从而引发了泵浦噪声。
从泵浦噪声产生的原理可知,腔体的发声与腔体内空气流单位时间内的变
化率有关。
对于匀速行驶的汽车,各槽的体积压缩比相同,因此,槽体积越大,
腔体内空气的变化率越大"即:
槽发声的最大声压与槽腔体的体积有关。
实际
的花纹设计中,槽的深度有一定要求,变化极少,可认为是一常数,所以,在
实际设计中,我们只考虑花纹槽的长度与宽度,而不考虑其深度。
花纹槽的走向对于槽的发生也有一定的影响,它分为三种:
横槽、斜槽、
纵槽。
如图3。
实测证明:
横槽的声压级最大,斜槽次之,纵槽的声压级最低。
对于横沟槽,在汽车行驶时依次接地,一个接一个的小腔体喷气!
吸气,产生
泵浦噪声,类似于脉冲波,发出噪声;有a角度的斜槽由于接地时间比横槽时间
长,所以气体压缩、释放较为缓慢,空气流变化率较小,从而产生的噪声较小;
对于纵槽,接地时槽内气体均匀压缩,产生一股直流气体,只产生声压的直流
分量,气体喷出时仅仅因阻力而产生涡流,涡流噪声能量较小,可忽略.。
将其
理想化,我们认为纵槽不发声。
综上所述,我们街出轮胎花纹发声的第二个结论:
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。
图3花纹槽的三种形
接下来我们以斜沟槽作为研究对象进行分析,假设横沟槽发声的时域波为Ps（t）,那么具有
角度的斜沟槽发声的时域波为：
（3-2）
为
时为纵沟槽,为
时为横沟槽。
式中
的实测波形如图4（a）所示,若取沟宽为a（m）,速度为Vc（m/s）,
则声压的脉冲宽度
可由下式表示:
：
（3-3）
（a）一个横沟发生的声压变化（b）多个横沟发生的声压变化
图4由横沟所发生的声压变化
在由多数沟组成的场合,如图4（b）所示,声压的变化由各个槽所发生的声压合成。
若取槽的间距为
则脉冲间隔T（s）为：
（3-4）
声压的最大值为：
（3-5） 式中
为槽沟声压函数式,l、w分别为槽的长度、宽度,
、K是转换系数,
为槽沟腔压缩量。
斜沟槽的声波为：
（3-6）
式中，
、
定义与花纹块定义相同
就以上得的公式与结论,我们可得当两个花纹槽的
取值相同时,两花纹槽发出的噪声相同,但依据经验这个结论对于如图3-5的两个花纹槽的走向与行驶方向刚好成逆向和顺向时显然是不对的。
当花纹槽的走向与行进方向为逆向（图5（a））时,由于开口端先接触地,空气从花纹槽的开口端接地开始受到压缩,但末端被封闭,所以整个腔内的空气压力越来越大,最后着胎体的前进而使该花纹槽离地时,腔内的气流突然冲出,所以它发出的噪声较大;当花纹槽的走向与行进方向为顺向（图5（b））时,花纹槽的开口端与封闭端的接地顺序刚好与（a）相反,腔内空气随着轮胎的前进被挤到中央,在开口端释放,这样腔内的压力无逆向时存在的空气压力累积过程,仅产生了中央发声,所以引起的噪声较小。
所以我们对式（3-2）进行修正,修正如下
当
时，
（3-7）
其中
为正的修正量系数,当
为锐角时为逆向槽,槽的修正量噪声较大;当
为钝角时为顺向槽,槽的修正量噪声较小。
（a）逆向（b）顺向
图5花纹槽走向和行驶方向逆向和顺向示意图
3.2轮胎花纹对附着性的影响
轮胎的设计除了考虑低噪声外，还要考虑它的耐磨性、承载性和排水性等，以及它的工艺的可实现性，所以轮胎的这些主要参数涉及到了机械设计方面的一些相关知识。
轮胎花纹的作用是增进摩擦，防止当车行进时由于小的摩擦力而引起空转和打滑，保证轮胎与路面保持良好的附着力。
发挥制动!
驱动和侧偏等力学特性，但胎面花纹的存在增加了轮胎/路面的噪声。
在国内外轮胎花纹的研究成果并不令人非常满意。
所以我们主要是研究轮胎花纹的参数对轮胎花纹噪声的影响。
3.2.1轮胎花纹样式
轮胎花纹由花纹块和花纹沟组成，不同形状的花纹块与花纹沟组成不同的花纹样式，轮胎花纹的样式有很多，按照花纹沟的形状大致分为五类：
（a）泥雪地花纹（b）横向花纹（c）纵横向花纹（d）纵向花纹
图6各种轮胎花纹
1）纵向花纹如图（d）
优点：
这种花纹操纵稳定性优良,转动抵抗小，不容易横向滑移。
一般适用于路况较好的路面，如高速公路或城市路面等。
行驶中滚动阻力小，因此与地面摩擦力小，具有较好的行驶导向性，很适宜于高速行驶。
而且纵向轮胎排水性能优异，在湿滑路面不打滑，行驶中的噪音也较小。
缺点：
纵向花纹轮胎的制动性能显得相对较别，而且驱动力不如其他花纹的轮胎，不适合于沙子路等状况较差的道路。
2）横向花纹如图（b）
优点：
因为花纹采用了横向设计，因此轮胎与地面接触面积增大，无论是制动力、驱动力都表现较出色,较大地弥补了纵向花纹轮胎的不足，适用于荒郊野外、建筑工地等恶劣路况。
缺点：
排水性差，轮胎散热效果不好。
而且横向花纹轮胎在增大地面接触面积的同时，也增大了噪音。
在车辆操控灵活性方面显然比不上纵向花纹轮胎。
3）.纵横向花纹如图（c）
优点：
吸收了纵向花纹排水性能好、噪声小的优点，同时兼顾了横向花纹动力性能方面的强项，比纯粹的纵向花纹具有更好的驱动力、制动力表现。
因此这种类型花纹的轮胎适应能力强，应用范围广泛，它既适用于不同的硬路面，路况差的道路也可以对付，也适用于轿车和货车，因此纵横兼有的花纹类型己成了轮胎花纹的主流。
缺点：
会产生异常的磨损。
4）泥雪地花纹如图（a）
优点：
其轮胎花纹呈块状排列，当车辆行驶在雪地或泥泞地面时，花纹深嵌入雪地或泥泞中，车辆借此产生驱动力。
因此块状花纹是四种花纹类型中驱动力、制动性能最好的。
但是在使用这种轮胎时，一定要将胎面上的防滑钉去掉，否则，会破坏路面。
缺点：
块状花纹轮胎造价成本相对较高，不是特殊路况一般不采用这种花纹。
季节性太重，雪地用胎，只能冬季使用，保存起来占地又麻烦。
5）越野花纹
优点：
越野花纹是专门为适应干、湿、崎岖山路和泥泞、沙路而设计的花纹。
这种花纹轮胎就像五项全能运动员一样，一身兼具数种特长，能适用各种恶劣环境和气候，因此，它是年轻人或吉普等越野车使用的最佳轮胎。
越野花纹分为无向和有向花纹两种，其中有向花纹使用时具有方向性。
越野花纹轮胎适合于在崎岖不平的道路、松软土路和无路地区使用。
缺点：
由于花纹的接触压力大，滚动阻力大，所以不适合在良好硬路面上长时间行驶。
否则，将加重轮胎磨损，增加燃油消耗，汽车行驶震动也比较厉害。
3.2.2 轮胎对附着性能的影响
轮胎对附着性能的影响主要表现在轮胎的结构型式、胎面花纹和轮胎扁平率。
3.2.2.1 轮胎结构型式的影响
目前广泛使用的轮胎结构型式主要有子午线轮胎和斜交轮胎。
子午线轮胎是在传统斜交轮胎基础上改进而成,它具有两大结构特点。
（1）它将斜交轮胎帘布层帘线由斜交叠加排列改进为平行叠加排列且帘线与胎面中心线垂直,见图7（b）。
这样使帘线受力方向与轮胎承载变形方向一致,理论上每根帘线的拉伸强度得到最充分的利用。
带来的好处是,在承载能力相同条件下,子午线轮胎帘布层数可减到斜交轮胎的1/2左右,因此它的胎体柔软、径向刚度小。
同时带来的问题是它的帘布层只能承受法向（径向）载荷,却无法承受周向和横向载荷。
假如子午线轮胎只有帘布层的话,汽车是无法行驶的。
（a）斜交轮胎（b）子午线轮胎
图7 子午线轮胎与斜交轮胎
（2）为了解决上述问题,子午线轮胎在帘布层外面包着一圈周向几乎不可拉伸的带束层,带束层如同坦克履带紧束帘布层。
在带束层的作用下,轮胎的周向和横向刚度要比斜交轮胎的大得多。
简言之,子午线轮胎在结构上根据使用要求将轮胎胎体不同方向（径向、周向和横向）,不同刚度（径向刚度小,周向和横向刚度大）特性巧妙地融为一体相得益彰。
因此,子午线轮胎具有一系列斜交轮胎不可比拟的优点[1],其中之一就是它的接地面积大、单位压力小,胎面与路面间的滑移量小。
所以子午线轮胎附着性能明显优于斜交轮胎。
对比试验结果见表1所示。
表1子午线轮胎与斜交轮胎附着系数的对比
注:
表中数值是在车速为30km/h时测量的;
轮胎载荷为2940N;
轮胎内压为156.8kPa（165SR15）、215.6kPa（5.90-15）。
3.2.2.2 胎面花纹的影响
胎面花纹的主要作用就是提高轮胎的附着性能。
胎面花纹主要从其型式、密度系数和深度对附着性能产生影响。
（1）型式的影响
胎面花纹增加了接地弹性。
在胎面和路面间的切向力的作用下,接地橡胶块将产生较大的切向弹性变形,这种路面作用于橡胶块的弹性变形力及其恢复力之合力即为轮胎附着力的一部分。
目前广泛使用的胎面花纹型式主要有纵向花纹、横向花纹和混合花纹（图8）。
纵向花纹特点是纵向连续、横向间断,见图8（a）,故花纹纵向刚度大而横向刚度小。
因此纵向花纹轮胎的横向抗滑能力强,适合于速度较高的轿车使用;横向花纹特点是横向连续,纵向除胎面中间部分连续外,其余间断,见图8（b）。
故横向花纹轮胎的纵向抗滑能力强,适合于牵引力较大的货车使用;混合花纹介于纵向花纹和横向花纹之间。
这种纵横兼有的花纹,决定了轮胎纵横向附着性能比较均衡,适合于轿车、货车及其它车辆使用。
（2）密度系数的影响
花纹密度系数是指轮胎和路面实际接触面积与接地面积之比。
花纹密度系数增大,则接触面积及胎面刚度随之增大,这不仅削弱了轮胎附着性能,而且使胎面花纹沟槽贮水,排水和排除空气性能降低。
这种轮胎在湿路面上容易产生所谓的“滑水现象”,从而可能完全丧失其附着性能,后果很严重。
若花纹密度系数过小,带来的主要危害是接触面积变小,单位压力增大,胎面磨损严重;花纹块也因刚度小,受力大而易被撕裂脱落,轮胎附着性能同样会变坏。
因此,胎面花纹密度系数应在综合考虑汽车使用条件,路面状况,轮胎预期寿命等因素后合理选择。
（a）纵向花纹（b）横向花纹
图8轮胎胎面花纹
（3）深度的影响
胎面花纹深度从多方面影响轮胎性能,如轮胎滚动阻力、生热性、耐磨性、使用寿命等[1],而对轮胎附着性能的影响是其中的一个重要方面。
很清楚,将有花纹轮胎和无花纹轮胎作一附着性能对比试验,可以发现,无论在干燥、潮湿或者其他路面上,前者附着性能明显优于后者。
这说明胎面花纹深度直接影响着轮胎的附着性能,从而直接影响到汽车使用性能和安全性。
因此,各国对汽车轮胎花纹磨损极限都有明确的法规（表2）,并在轮胎胎肩沿圆周若干等分处模印有“△”标志[3]。
当胎面花纹磨损距沟槽底部约1.6mm时（大部分轿车轮胎如此规定）,在“△”处花纹便已磨掉,于是在胎面圆周上呈现出若干等分的横条状光胎面,以此警示该轮胎已不能再继续使用,必须及时更新。
表2 胎面花纹深度磨损极限
3.2.2.3 轮胎扁平率的影响
1扁平率是指轮胎断面高度H与断面宽度之比,即:
H/B×100%。
它是描述轮胎外廓特征的重要参数。
从20世纪50年代以来,汽车轮胎尤其是轿车轮胎扁平率不断下降,由原来100系列下降到当今的50系列甚至45系列,借此提高轮胎多项性能指标[4],其中一个重要指标是改善轮胎附着性能。
这是因为低扁平率可使轮胎和轮辋加宽,横向刚度增大;又因接地面积大,轮胎不易打滑,附着性能明显提高。
2 路面状况对附着性能的影响路面状况主要包括路面的种类、粗糙度、清洁度以及湿度等。
不同种类的路面与轮胎间附着系数虽有差异,但都能满足汽车使用要求（表3）。
表3 几种主要路面的附着系数
路面粗糙度是指路面微观不平度。
随着路面粗糙度的增加,附着系数也将随之增加。
这是由于路面较大尺寸的微小凸体具有提高胎面橡胶弹性变形能力;而较小尺寸的微小凸体对胎面橡胶具有微切削作用。
微切削过程中所产生的切削阻力构成了轮胎与路面间附着力的一部分。
随着使用年限和交通量的增加,自然的风化作用,使得路面微观凸体逐渐钝化而变得光滑,附着性能随之衰退。
对于这样的路面应采用机械方法将路面打毛,使其恢复到要求的粗糙度。
路面清洁度随着气候、地理位置、周围环境、高交通量以及各种人为因素的影响而处于经常变化之中。
例如路面不时覆盖和（或）嵌入诸如积水、冰雪、砂粒、油渍、泥土、橡胶磨粒及农作物等。
它们不同程度地阻隔了路面和胎面的接触,使得路面附着系数显著下降（见表4～表6）。
如何避免和及时清除覆盖及嵌入物,使路面经常保持良好的清洁度是道路交通管理和养护部门需解决的重要课题。
表4 一般覆盖物路面的滑动附着系数
表5 农作物覆盖路面的滑动附着系数
表6 冰雪路面的滑动附着系数
路面潮湿程度对附着性能影响也是十分严重的。
图9显示,路面粗糙度愈低（曲线2）,水层愈厚,则路面附着系数愈小。
目前抑制湿路面附着性能衰退,主要从改善路面排水性和轮胎排水性入手。
水层厚度/mm
注:
1—路面粗糙度0～12mm;2—路面粗糙度0～2mm。
图9 路面潮湿程度对附着系数的影响
宏观上,路面横向应做成向两侧倾斜的坡度,便于及时排水;微观上,路面应具有一定密度和深度的沟槽,便于水从轮胎与路面接触区域排出。
轮胎排水性主要与胎面花纹设计有关,主要特点是在胎面上设计出宽而深的排水沟（主沟）,故在轮胎与路面之间形成了较大的排水空间。
这种主沟对水流的阻力小,轮胎可将集中到中部的积水及时地排向胎后。
此外,在主沟两侧的胎面上设有通往胎侧的侧向花纹沟,这些侧沟的排水距离短,排水效率高,从而进一步提高了轮胎排水能力。
图4为两种新型的抗滑水轮胎花纹型式。
3.2.2.4滑动率S对附着性能的影响
滑动率S表示轮胎与硬路面在接地区域内两者相对滑动的程度。
通常以为轮胎（无论是驱动轮、制动轮或从动轮）是在路面上作单纯的滚动,其实不然,轮胎在接地区域程度不同地存在着弹性滑转现象[1]。
试验和分析证明,汽车制动或驱动时,路面和轮胎带束层之间的相对位移量是与离开接地前端的距离成比例增大,也就是说胎面橡胶的切向变形量和切向力是沿着接触长度成比例增加的。
当接地后部的切向力超过静摩擦力时,则这部分胎面相对路面滑动。
因此,按胎面和路面间摩擦特性不同,接地区域一般可以分为静止域和滑动域两部分。
路面作用到胎面上的切向反力实际上是静止域静摩擦力和滑动域动摩擦力之和。
由此可见,附着
力不遵循库伦摩擦定律（即摩擦力等于车轮上法向载荷乘以比例常数）;附着系数也不同于摩擦系数而是随滑动率的变化而变化。
图5给出了试验所得的驱动和制动轮胎附着系数曲线,即
曲线。
（a）AQUACONTACTCZ99
1—肩部侧沟;2—主沟;3—弓形长条大花纹块;4—漏斗形侧沟。
（b）A.V.S.EXCELEAD1—倾斜细侧沟;2—双列主沟;3—主沟侧面。
图10抗滑水轮胎胎面花纹
1—驱动时纵向附着系数
; 2—驱动时横向附着系数
;3—制动时纵向附着系数
; 4—制动时横向附着系数
。
图11 附着系数与滑动率的关系
当出现制动轮抱死沿路面滑拖（S=1）或驱动轮原地滑转（S=-1）极限情况时,从图5可知,不仅纵向附着系数明显减少而且横向附着系数急剧减小而趋于0。
此刻汽车将完全丧失操纵稳定性和方向性;侧滑随时可能发生。
由此引发的交通事故层出不穷。
为了避免和减少上述事故发生,现代汽车普遍装有诸如制动防抱死装置或（和）驱动防滑转装置等主动安全装置,以提高和保持轮胎与路面间必需的
附着性能。
四、结语
综上所述可知,轮胎与路面间附着性能及噪音的产生是多方面因素综合作用的结果,而这些影响因素按其自身规律处于不断变化之中。
因此，轮胎花纹对降低车噪和对汽车对路面的附着性能有很大的影响。
我们认为,对上述影响因素的分析,揭示这些因素的特点和变化规律,提出改善附着性能及降低汽车噪音的途径和方法等工作对于提高汽车性能,改善道路交通条件,提高行车安全性等具有重要的指导意义。
参考文献
1 庄继德.汽车轮胎学.北京:
北京理工大学出版社,
1996.
2 王吉忠.抗滑水轮胎技术的新发展.汽车技术,1997（4）.3 潘志强.汽车轮胎上的“△”标志表示什么.世界汽车,
1999（7）.
3 刘哲义.低扁平率轮胎及其对高速行车安全的影响.汽车研究与开发,1997
4姚忠杰.道路与轮胎花纹噪声优化系统.2007
5刘哲义.对影响轮胎与路面间附着性能因素的分析.武汉汽车工业大学.2000（6）
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