降低輪胎/路面相互作用産生的振動與噪音

降低輪胎/路面相互作用産生的振動與噪音
葛劍敏 王佐民(同濟大學聲學研究所，上海，200092）

摘要：本文通過大量試驗，分析了輪胎胎面花紋結構和不均勻性對輪胎模態和噪音的影響。研究了路面與輪胎和車輛振動和噪音的關係。該研究爲輪胎/路面結構的動態優化設計，改善城市車輛環境的振動和噪音提供了理論依據。
關健詞：輪胎；路面；振動；噪音

Abstract: Many experiments are carried out under different tire/road conditions. Tire uniformity, modal and noise experiments are carried out. The relationship between tire noise and the construction of the tread pattern is found. The relationship between ride comfort and tire uniformity is studied. The relationship between tire vibration (or noise) and road structure is analyzed. The research has supplied the dynamical optimum design of the vehicle/road, vibration and noise of vehicle on the theoretical basis.
Key words: tire; road; vibration; noise

1 引 言
輪胎是汽車懸架與路面間的一個重要的連接件，汽車的平順性、操縱穩定性、牽引附著性和噪音待許多能都受輪胎和路面結構特性的直接影響[1]。因此，深入研究輪胎、路面及其與汽車各種性能之間的關係將有助於瞭解路面－輪胎－車輛系統的振動和噪音産生機理，找出影響振動和噪音的因不比和規律，從而抑制或減小汽車和輪胎的振動與噪音，改善城市交通環境噪音。本文結合上海華誼集團和上海市市政工程局專案，從輪胎和路面兩個方面分析了輪胎和路面與改善城市交通環境噪音的關係。

2 通過輪胎胎面花紋結構優化設計降低輪胎與路面噪音

2.1 輪胎花紋對輪胎噪音的影響
爲了保證汽車的濕滑性、牽引性和操縱穩定性，要求汽車輪胎表面必須有各種不同形狀的花紋溝槽，然而溝槽又使輪胎的噪音增加。圖1所示爲光面輪胎與有花紋輪胎噪音的對比曲線。試驗條件：P215/70R15輪胎，胎壓250kPa，速度80km/h，負荷700㎏。光面輪胎的A聲級爲65.8Db,響度爲22.9sonc；有花紋累胎的A聲級爲75.7dB，響度爲37.1sone；對於沒有花紋的光面，隨機沙聲是它們的“花紋”噪音。對於有花紋花胎，花紋塊打擊地面的撞擊噪音、溝槽腔體中空氣被擠壓和膨脹而産生的“泵浦效應”噪音、橫溝槽內氣柱共鳴的噪音的疊加，所以使有花紋輪胎噪音機理及定量計算進行深入研究。
2.2 輪胎花紋溝槽形狀對輪胎噪音的影響
圖2爲不同花紋形狀輪胎前、中和後位置的噪音曲線，從圖中可以看出：輪胎花紋噪音從小到大排列順序爲：光面輪胎、斜槽花紋輪胎、V形花紋輪胎和橫向花紋輪胎。對於光面輪胎，隨機沙聲是主要噪音源，輪胎後部的噪音最高，前部的噪音源，前部的噪音最低。對於V形花紋輪胎和橫向花紋輪胎，由於氣柱共鳴和泵浦效應是主要噪音源，輪胎中部的噪音最高，後部的噪音最低。對於斜槽花紋輪胎，由於泵浦效應是主要噪音源，氣柱共鳴效應稍低些，因此輪胎前部的噪音最高，後部的噪音最低。
2.3 輪胎花紋優化前後噪音的對比分析
圖3所示爲輪胎胎面花紋結構優化前後噪音的對比曲線。試驗條件：P215/70R15輪胎，胎壓250kPa，速度80km/h，負荷700kg。從圖中可以看出：胎央花紋優化前輪胎的噪音頻譜A聲級最大值爲80 dB，優化後輪胎的噪音頻譜A聲級最大值低於75dB；同時，優化前輪胎噪音的響度81.1sone，優化後輪胎噪音的響度降低爲69.2sone。因此，通過輪胎花紋結構的優化設計，可以大大降低輪胎噪音。如果城市汽車都換上低噪音輪胎，可以大改善我們的城市環境噪音。
3 通過降低旋轉件的不平衡量來降低輪胎與路面的振動和噪音
前輪不平衡對車身的振動會産生影響，在某種情況下，在該頻率處，由車輪的不平衡年帶來干擾甚至路面，尤其對高速行駛的汽車，其不平衡量所引起的慣性力是非常大的。車輪的不平衡分爲靜不平衡和動不平衡兩種，實際上它們不會單獨存在，崦是同時出現的，即在垂直於車輪旋轉軸線平面上的不平衡質量産生靜力矩的同時，在旋轉軸線平面上也存在著離心力矩。車輪的不平衡是不可避免的，這是由於車輪輪盤、輪轂和輪胎的精度誤差，輪胎材料的不同及其密度的不均獎和由於車輪輪盤與輪胎中心不重合崦産生，而在使用過程由於車輪工作條件之複雜，致使輪胎磨損不均勻，以及輪胎的更叠或修理，輪盤的變形等而破壞了原來的平衡。
例如：某車的不平衡量最大至1.960Nm。當車輛在共振速度24km/h行駛時，輪胎在標準充氣氣壓250kPa，其振頻率f=3.5Hz，由前輪不平衡量所引起的換算到輪胎處的前橋垂直動態載荷的幅值可達到230N。
隨機載荷的能量集中或共振引起的突峰，在車速、系統特性及其他試驗條件不變的情況下，不會産生變化，也不會由於車輪角速度的微小變化（車速不變）而發生變化，而車輪的不平衡量引起的周期性載荷，則完全取決於車輪的角速度。
輪胎不均勻性和不圓度影響不平衡量。在上海輪胎橡膠股份有限公司研究專案中，進行了大量輪胎不均勻性和不圓度的測試，把輪胎徑向力偏差經過分解得到徑向力偏差一次諧波工線，經過分析得出以下結論：輪胎的不圓度曲線與輪胎的徑向力偏差曲線是一致的，經過曲線疊加，從而可以找到徑向力一次諧 波波峰所對應的輪胎上的位置。實際中，通過控制和改變輪胎的生産工藝等，使其合格率有了明顯提高。
如果輪胎的側向力偏差比較大，還會影響到汽車的直線行駛和操縱穩定性。
同樣結構和配方的輪胎在不同生產線上製造出的輪胎均勻性相差很大，例如：某型號輪胎在不同國家生産後其不圓度偏差相差1.0mm。因此，輪胎（或汽車旋轉件）的不均勻性不但與輪胎（或汽車旋轉件）的生産工藝有關，而且還與原材料的質量、企業的管理體制和人員素質有很大關係，必須進行綜合治理才能真正提高輪胎（或汽車旋轉件）的産品質量，降低交通噪音（輪胎産生的振動和噪音）。
4 通過路面結構優化設計降低輪胎與路面的振動和噪音
爲了有效地降低城市交通噪音的污染，近年來，國際上的道路降噪方面有了很大的發展，如採用多孔瀝青路面和XMA（Stone Mastic Asphalt）路面。多孔瀝青路面[1]具有較好的吸聲性能，但由於孔隙率較大，路面強度較低，使其應用受到一定的限制。SMA路面的路面的耐久性、抗老化性和降口想方設法面乾比較好，有較好應用前景。
以下對SMA路面的降噪機理進行了實驗研究。試驗條件：回力195/60R14輪胎，胎壓250kPa，負荷100kg。圖4所示爲輪胎在SMA路面和普通瀝青路面上行駛時的振動衰減曲線。通過計算：SMA路面與輪胎系統的振動衰減比爲0.2744，普通瀝青路面與輪胎系統的振動衰減比爲0.2502。得出結論：加橡膠粉的SMA瀝青路面與普通瀝青路面相比，可以使車輛垂直振動降低10%左右，相當於有10%左右車輛的垂直振動能量被路面衰減掉。
圖5所示爲輪胎在SMA路面和普通瀝青路面上行駛時胎側表面的振動衰減曲線。由圖5可以看出：憲駛在加橡膠粉SMA瀝青路面上輪胎表面振動的衰減比遠遠大於普通瀝青路面上的衰減化，故加橡膠粉SMA瀝青路面使輪胎表面振動大大降低，從而可以降低由輪胎表面振動引起的噪音。
圖6所示輪胎與SMA路面和普通瀝青路面系統的固有頻率特性曲線。根據振動分析理論知：對於一個阻尼振動系統，隨著系統阻尼的增加，該振動系統的振動幅值減小。輪胎與路面是一個有阻尼振動系統，隨著路面內摩擦阻尼的增加，輪胎徑向振動幅值降低，可以大大改善輪胎和整車系統的平順性。同時，目前廣泛使用的鋼絲子午線輪胎和低滾動阻力輪胎與斜交胎相比，在輪胎高速性、爆破性和耐久性提高的同時，其平順性大大下降，該缺點可以通過汽車懸架的合理匹配和改善路面條件來克服。
綜上所述，採用加橡膠粉SMA，瀝青路面可以降低輪胎和車輛産生的噪音，可以從根本上（噪音源）改善城市交通環境噪音。

4 結 論
對於載重汽車和高速行駛的轎車，輪胎噪音成爲汽車行台的主要噪音源，通過輪胎花紋結構的優化設計，可以大大降低輪胎的噪音，如果城市汽車都換上低噪音輪胎，可以大大改善城市環境噪音。
只有嚴格控制汽車輪胎等旋轉件的生産工藝、原材料的質量、企業的管理體制和提高人員素質，才能真正降低汽車旋轉零件的不均勻性，提高輪胎等汽車旋轉件的産品質量，降低交通環境噪音。
採用加橡膠粉SMA瀝青路面可以降低輪胎和車輛産生的噪音，可以從根本上改善城市交通環境噪音。


參考文獻

[1] 葛劍敏，輪胎振動與噪音試驗和理論研究：[博士後工作報告]，上海：同濟大學和上海華誼集團，2001.4.
[2] 王佐民等.低噪音瀝青路面聲學特性的理論初探.同濟大學學報，1997，25(4)：405-409.
附錄：
第一作者：葛劍敏，男，工學博士，副教授，1963年3月生。聯繫電話：（021）65982313，65040049；E-mail: jm-ge@263.net



高速鐵路客車噪音機理解析及對策研究
劉岩 張豔
（大連鐵道學院交通運輸工程系，大連，116028）
摘要：噪音是目前世界上幾大污染源之一。隨著鐵道車輛速度的增加，鐵道噪音問題更加突也也來，使乘客和鐵道沿線兩側居住的居民深受其害。本文通過對日本鐵道車輛噪音源的解析，提出了降低噪音的對策和方法。
關鍵字：鐵道車輛；噪音；對策

Abstracts: Noise is one of several sources of pollution in the world at present. With the improvement of the railway car speed, the noise problem is standing out. It does harm to passengers and residents who reside in wayside. This paper analyzes the noise sources of Japanese railway car and puts forward the countermeasures to reduce noise.
Key words: railway car; noise; countermeasure

隨著科學技術的進步和鐵道事業的發展，鐵道車輛的設計和製造水平有了明顯的提高，伴隨著人民生活水平的不斷改善，人民對乘車提出了更高的要求，除了安全、迅速到達目的地外，還需要有舒適、安靜的乘車環境。便另一方面，隨著鐵路的提速，噪音總是愈發突出出來。噪音傳遞到車內，會使乘客的乘車舒適度大爲降低，噪音傳遞到車外，會使鐵道車輛噪音是當前迫切需要解決的主要問題之一。本文第一作者在赴日本研修期間，對日本鐵道車輛的噪音機理進行了研究，並進行了現車噪音測試，明確了噪音的産生機理及傳播途徑，提出了解決噪音的方法，對我國高速鐵路降噪具有很高的現實意義。
1 噪音源的産生機理
鐵道車輛噪音源主要代表爲輪軌噪音和空氣動力噪音。
1.1輪軌噪音
輪軌噪音是高速鐵路噪音源中最具有代表性的噪音。不管是高速鐵道車輛還是低速鐵道車輛，輪軌噪音都是必須首先解決的問題。而高速鐵道車輛隨著高度的提高則更加嚴重。輪軌噪音的産生主要是由於車輛和鋼軌之間的振動引起，與車輛和鋼軌的表狀態有直接關係。在車輪表面存在踏面擦傷、剝離及錐度不符合要求及鋼軌表面出現粗糙、凹凸不平等大辯論態下車輛在鋼軌上運行時輪軌噪音明顯增強。其次，車輛運行中車輪通過鋼軌接頭處、道岔處等産生的衝擊和車輪通過小半徑曲線時輪軌間産生的摩擦都使輪軌噪音加大。但至今爲止到底是車輪的表面狀態還是鋼軌的表面狀態在噪音的發展中起主要作用，目前在國際上還有很多爭論，但輪軌噪音是高速鐵道車輛的主要噪音源之一，這一點已得到一致認可。
1．2空氣動力噪音
空氣動力噪音源主要産生於車體結構本身。在車輛高速運行時，車頭形態的不同、車體表面的凹凸不平（側窗、百葉窗、側門、車體連接部等形成）等均會産生空氣動力噪音。
在車輛低速運行時，車頭形狀對噪音值的影響並不明顯。但進入高速運行狀態時，列車頭部産生明顯的空氣動力噪音，這是由於車輛表面形狀變化而産生的。此噪音明顯的原因在於列車頭部附近有很多集中的表面形狀變化，另外從車窗、門的階差及車輛間的間隙也産生空氣動力噪音。日本新幹線高速客車的車窗和車門從車體側表面向裏凹最大可達60mm，經過噪音測試證明，由此而造成的表面凹凸不平導致空氣動力噪音的産生與運行速度的5-6次方成正比。
在日本新幹線開業初期，輪軌噪音最爲突出，車輛速度超過200km/h時，空氣動力噪音明顯增強。目前，空氣動力噪音已成爲高速鐵道車輛主要噪音源之一。降低其噪音值是迫切需要解決的問題。也是最難解決的問題。
2 噪音的傳播途徑
噪音向車內的傳播主要是以空氣聲和固體聲兩種形式出現，如圖1所示。
空氣聲是從車輛各處的車門、車窗及縫隙處傳遞補到車內的噪音，噪音值的大小取決於車輛密封程度，固體聲分一次固體聲和二次固體聲。車輪和鋼軌之間振動經由轉向架傳遞到車體，再由車體內壁振動而産生的噪音爲一次固體噪音。二次固體噪音是噪音源放射的聲以聲能的形式引起車體地板或側牆外板進而使車體內壁振動而激發的噪音。
3 噪音的頻譜特性
噪音的頻譜特性是噪音的重要內容之一。高速車輛轉向架附近和車輛內轉向架上方噪音測定結果如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，在轉向架附近630HZ～4KHZ範圍內噪音分貝值最高，在車輛內部2.5KHZ以下範圍內噪音值最高。對車內噪音而言，低頻的影響是很大的。
4 降低車輛噪音研究
通過以上噪音源的解析和車內噪音試驗結果得知，噪音源由傳播途徑進入車內，使乘客的乘車舒適度降低。爲了降低車內噪音，必須從噪音源和傳播途徑兩主面著手，使噪音降低到允許範圍內，圖4爲降低車內噪音的流程圖。
車輛噪音給鐵道沿線兩側居民、醫院、學校等需對噪音有控制要求區域的影響，將通過採用防噪音屏障來達到要求。
4.1降低輪軌噪音
輪軌噪音是鐵道車輛最主要的噪音源,由於輪軌噪音與車輪踏面和鋼軌表面狀態有直接關係,所以必須從車輪和鋼軌兩方面考慮。對車輪而言，如何減少踏面的波狀凹凸，保持車輪的圓度和踏面的斜度是減少噪音的關鍵。對鋼軌來說，減小頂部表面的凹凸不平使其平滑化是主要方法，目前採用鋼軌打磨機打磨取得了顯著效果。另外，採用了長鋼軌可顯著降低衝擊噪音。輪軌噪音的大小還和軌道下鋪設狀態有關，通過試驗證明，道渣軌道比平板軌道噪音值約下降6 dB左右。
4.2 降低車輛空氣動力噪音主要和車頭形狀、車輛表面光滑程度凹凸不平狀態直接關係。因此，隨著鐵道車輛速度的提高，車頭形狀的流線形化是降低空氣動力噪音的主要途徑。其次，對車輛上部的集電裝置，採用安裝受電弓罩以減少杆大辯論結構産生的渦流，對車輛下部的部位採用安裝防裙板，對車輛中部，兩車輛連接部分增加過渡板等均能有效地減少空氣動力噪音。
4.3 切斷噪音源的傳播途徑
隨著車輛速度的提高，如何減輕車輛自重，降低能耗，實現車輛的輕量化一直是車輛設計和製造部門主要研究的內容之一。在車輛設計時，考慮運行的阻力一般採用下式計算：
式中：R——運行阻力；
v——運行速度；
W——車輛重量
A,b,c——常數。
從上式可以看出，車輛越重，運行阻力就越大，所需動力就越大，因此，爲了降低能耗，目前國外高速鐵道車輛普遍採用鋁合金材料製造，其中車輛底架採用大型、薄壁、中空的鋁型材擠壓而成。這種結構降低了車輛自重，但另一方面防噪音性能大爲降低，從大量試驗中可以得知，作爲車內噪音的傳播途徑，輪軌噪音由底架傳入車內佔有很大比重，但從車輛設計方面考慮，大幅度更改車體結構和增加底架斷面厚度的可能性很小，因此，應底架桁架結構中安裝減振性能材料以達到隔離噪音之目的，目前這種方法已在日本新幹線車輛中採用並取得了顯著的降噪效果。
4.4 建立防噪音源還是傳播途徑上如何採取措施，噪音總是不可避免地産生，作爲接受點最有效的防護措施就是建立聲屏障。聲屏障是設置在噪音源和接受點之間，阻止噪音直接傳播到接受點的裝置，聲屏障的作用是降低直達聲的傳播，隔離透射聲，並使衍射聲有足夠的衰減。聲屏障根據其結構形式、吸聲材料、隔聲材料的不同，降噪效果有很大區別，就結構形式而言，從直立形、倒L形已發展到目前的Y形、鹿角形，使降噪效果有很大提高。聲屏障高度從理論上來說越高越好，但太高會使乘客的視野和周圍景觀受到影響，從現在應用的聲屏障來看，以2m左右爲宜。
不同的吸聲、隔聲材料有不同的降噪效果，目前需要開發出輕量、高強度、局部呈現出透明效果的聲屏障，以滿足乘客的視野需求。
5 結 論
（1）隨著鐵道車輛速度的提高和輕量化材料的使用，噪音問題將更加突出出來，必須引起足夠的重視。
（2）要降低車輛噪音，應以噪音源、傳播途徑和保護接受點三方面採取措施。
（3）輪軌噪音和空氣動力噪音爲鐵道車輛主要噪音源。
（4）在車體結構設計、製造時，必須考慮防噪音設計，切斷噪音的傳播途徑，把噪音降低到最低程度。
（5）聲屏障是降噪音有效的方法之一，具有廣泛的應用前景和實用價值，設計最佳結構的聲屏障是今後的研究課題。
致謝：本研究工作得到日本鐵道綜合技術研究所主任研究員阿久當勝則大力協助，在此表示謝意。

參考文獻

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[2] 鐵道沿總騷音測定·評價技術. 鐵道總研教育講座, 1999.7
[3] 森藤良夫. 鐵道騷音の音源鐵析と對策の動向. 鐵道總研報告, 1996.2
[4] 森藤良夫. 北川敏樹. 鐵道用防音壁の減音效果にっぃて. 鐵道總研報告, 1996.2
[5] 阿久當勝則. 大連鐵道學院での講義資料, 2000.10

附錄：
第一作者：劉岩, 男, 教授, 1956年6月生