CN103253089A - 一种低噪音轮胎及其花纹的设计方法 - Google Patents

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朱振华
陈弘
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Abstract

本发明涉及轮胎领域，尤其涉及一种低噪音轮胎及其花纹的设计方法。一种低噪音轮胎花纹的设计方法，所述方法包括花纹条数的确定、花纹条宽度的确定、花纹沟宽度的确定、各花纹基础节距长度和排列的确定以及基础节距上花纹沟槽的确定。本发明另外还公开了采用上述的方法设计的低噪音轮胎。本发明通过合理控制各花纹块或花纹槽的长度比或宽度比，使块发声和槽发声的频率分布在尽可能宽的频带上，使轮胎噪音接近于白噪声。

Description

一种低噪音轮胎及其花纹的设计方法
技术领域
本发明涉及轮胎领域，尤其涉及一种低噪音轮胎及其花纹的设计方法。 
背景技术
轮胎花纹是影响轮胎噪音的最主要的因素之一。如何优化轮胎花纹结构，改善轮胎花纹噪音越来越成为广大轮胎设计者关注的课题。 
普利司通专利CN101528483A公开了一种花纹条的凸块数变化的轮胎胎面花纹基础间距的设计方法。其对各花纹条组的凸块数目进行了严格的定义。 
目前轮胎花纹的主要结构有轴对称结构、中心对称结构等，这样的结构可以方便花纹设计、花纹绘制、模具加工，可以加快花纹开发进度，并且比较美观，但对降低轮胎花纹噪音方面并无优势，即使采用了对基础节距进行不同尺寸设计、优化基础节距排序、节距错位等手段，但对花纹噪音的降低是有限的。要更大幅度地降低轮胎花纹噪音，必须采用新的轮胎花纹设计手段。 
假设轮胎的周向速度为v轮，花纹块的纵向长度为l纵，声波的传播速度为v声， 
则该花纹块从接地到离地需要的时间为 
t=l纵/v轮
得该花纹块发声的波长为 
λ=t*v声
发声的基频为 
f0=1/λ=(v轮/v声)*（1/l纵） 
设v轮和v声为常数，则基频与花纹块的纵向长度成反比。 
花纹块的横向发声与纵向发声原理相同。 
花纹纵沟的发声对整个轮胎的噪声贡献很小，如果考虑其影响，则纵沟的发声与其宽度有关。 
发明内容
为了解决轮胎花纹噪声问题，本发明的一个目的是提供一种低噪音轮胎花纹的设计方法，本发明的另外一个目的是提供采用上述的方法设计的低噪音轮胎。本发明通过合理控制各花纹块或花纹槽的长度比或宽度比，使块发声和槽发声的频率分布在尽可能宽的频带上，使轮胎噪音接近于白噪声。 
为了实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种低噪音轮胎花纹的设计方法，所述方法包括花纹条数的确定、花纹条宽度的确定、花纹沟宽度的确定、各花纹基础节距长度和排列的确定以及基础节距上花纹沟槽的确定，其内容包括： 
（a）花纹条数为n，n为2～16的正整数； 
（b）各花纹条的宽度比为1：a1：a2：……an-1，a1：a2：……an-1为不同的数值，所述的花纹条左右顺序根据实际情况而定； 
（c）各花纹沟的宽度比为1：b1：b2：……bn-2，b1：b2：……bn-2为不同的数值，所述的花纹沟左右顺序根据实际情况而定； 
（d）设其中一花纹条有m个基础节距，表示为P1，P2，…，Pm，且P1＜P2＜P3＜…＜Pm； 
（e）在所有或部分花纹基础节距上刻花纹槽； 
（f）对每一花纹条的基础节距进行排序，得全胎花纹。 
作为优选，所述的n为2～7的正整数。 
作为优选，所述的a1：a2：……an-1以及b1：b2：……bn-2均取无理数。 
作为优选，对于任一花纹条，最大基础节距与最小基础节距的比值Pm/P1＜1.5，且各节距之间的比取无理数。 
作为优选，对于任一花纹条，在其基础节距上沟槽的长度尺寸、宽度尺寸、角度或弧度设计参数中，其中至少有一项呈一定规律变化。 
作为优选，对于任一花纹条，相同的基础节距连续排列不超过3个。 
作为优选，该方法还包括花纹沟为非直线的情况，即构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为多样化。作为再优选，构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为向外凸或向内凹。 
为了实现上述的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种低噪音轮胎，该轮胎花纹具有以下的特点： 
（a）花纹条数为n，n为2～16的正整数； 
（b）各花纹条的宽度比为1：a1：a2：……an-1，a1：a2：……an-1为不同的数值，所述的花纹条左右顺序根据实际情况而定； 
（c）各花纹沟的宽度比为1：b1：b2：……bn-2，b1：b2：……bn-2为不同的数值，所述的花纹沟左右顺序根据实际情况而定； 
（d）设其中一花纹条有m个基础节距，表示为P1，P2，…，Pm，且P1＜P2＜P3＜…＜Pm； 
（e）在所有或部分花纹基础节距上刻花纹槽； 
（f）对每一花纹条的基础节距进行排序，得全胎花纹。 
作为优选，所述的n为2～7的正整数。 
作为优选，所述的a1：a2：……an-1以及b1：b2：……bn-2均取无理数。 
作为优选，对于任一花纹条，最大基础节距与最小基础节距的比值Pm/P1＜1.5，且各节距之间的比取无理数。 
作为优选，对于任一花纹条，在其基础节距上沟槽的长度尺寸、宽度尺寸、角度或弧度设计参数中，其中至少有一项呈一定规律变化。 
作为优选，对于任一花纹条，相同的基础节距连续排列不超过3个。 
作为优选，该方法还包括花纹沟为非直线的情况，即构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为多样化。作为再优选，构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为向外凸或向内凹。 
本发明通过合理设定各花纹条宽度、各花纹沟宽度，而且针对每一花纹条设定不同的基础节距长度和基础节距排列，并且在每一基础节距上通过一定的规则进行花纹沟槽形状的设计，从而确定所有的花纹基础节距尺寸、沟槽形状及排列。进一步，通过确定各花纹条之间的比例系数、各花纹沟之间的比例系数，在花纹条数目和行驶面宽度确定的情况下，即可确定各花纹条和花纹沟的宽度。进一步，通过确定各基础节距的比例系数以及根据轮胎周长，得出各花纹条基础节距的长度和块数，并按一定的原则进行排列。进一步，将沟槽的长度尺寸、宽度尺寸或角度等按一定的规则变化，从而确定花纹基础节距块上的沟槽形状。 
本发明由于采用了上述的技术方案，通过合理控制各花纹块或花纹槽的长度比或宽度比，使块发声和槽发声的频率分布在尽可能宽的频带上，使之接近于白噪声。 
附图说明
图1是采用此设计方法的设计效果图。 
图2是根据本发明的实施例，依据花纹条宽度、花纹沟宽度及各花纹条基础节距长度计算结果，绘制而成的框架图。 
图3是根据本发明的实施例，在各花纹基础节距上进行有规律地绘制沟槽的示例。 
图4是图3中花纹条bw1三个基础节距的沟槽形状尺寸图。 
具体实施方式
本发明的方法用于各种不同类型轮胎的花纹设计。 
设将轮胎分成n条花纹带，其宽度分别表示为bw1，bw2，…，bwn，使得bw1<bw2<…<bwn，则花纹沟数为（n-1），分别表示为gw1，gw2，…，gwn-1，使得gw1<gw2<…<gwn-1，一般n取2，3，4，5，6，7。假设花纹与地面接触的宽度为W，则 
W=（bw1+bw2+…+bwn）+（gw1+gw2+…+gwn-1） 
取各花纹条宽度之间的比值为无理数，设bw2/bw1=x21，bw3/bw1=x31，bw3/bw2=x32，…，bwn/bw1=xn1，bwn/bw（n-1）=xn（n-1），各比例系数见下表1。 
表1 
  bw1 bw2 bw3 …… bw（n-1） bwn
bw1   x21 x31 …… x（n-1）1 xn1
bw2     x32 …… x（n-1）2 xn2
bw3       …… x（n-1）3 xn3
……         …… ……
bw（n-1）           xn（n-1）
bwn            
x21、x31、…、xn1以及x32、…、xn（n-1）皆为无理数，如等，由于xn（n-1）=bwn/bw （n-1）=（xn1*bw1）/（x（n-1）1*bw1）=xn1/x（n-1）1。 
因此，只要xn1以及其之间比值都满足无理数的条件，则可满足此方法设计的要求。如果比例系数均取质数的开方，则可以保证各花纹条的宽度比为无理数。 
花纹沟的宽度比值设定与花纹条同理，其各比例系数见表2。 
表2 
  gw1 gw2 gw3 …… gw（n-2） gw（n-1）
gw1   y21 y31 …… y（n-2）1 y（n-1）1
gw2     y32 …… y（n-2）2 y（n-1）2
gw3       …… y（n-2）3 y（n-1）3
……         …… ……
gw（n-2）           y（n-1）（n-2）
gw（n-1）            
确定了各花纹条和花纹沟的比例系数，则可确定花纹条和花纹沟的宽度。 
根据轮胎的不同用途以及综合考虑其他各项性能，确定花纹条和花纹沟从左到右的排序。 
设花纹条bw1的基础节距数为n1，各基础节距长度分别表示为m11、m12、…、m1（n1），使得m11<m12<…<m1（n1），bw2、…、bwn同理，各花纹条的基础节距如表3。 
表3 
  bw1 bw2 bw3 …… bwn
1 m11 m21 m31 …… mn1
2 m12 m22 m32 …… mn2
3 m13 m23 m33 …… mn3
…… …… …… …… …… ……
n m1（n1） m2（n2） m3（n3） …… mn（nn）
其中n1、n2、…、nn可相同，也可不同。 
对于同一花纹条，最大基础节距长度与最小基础节距长度比值mn（nn）/mn1<1.5，并且各基础节距比值应取无理数。 
对于不同花纹条的基础节距长度，一般不宜取相同值。 
设基础节距m11有a11块，m21有a21块，……，mn（nn）有an（nn）块，各基础节距的块数如表4。 
表4 
  bw1 bw2 bw3 …… bwn
1 a11 a21 a31 …… an1
2 a12 a22 a32 …… an2
3 a13 a23 a33 …… an3
…… …… …… …… …… ……
n a1（n1） a2（n2） a3（n3） …… an（nn）
设花纹条bw1所有基础节距拼接好后的周长为c1，…，花纹条bwn所有基础节距拼接好后的周长为为cn，则： 
a11m11+a12m12+…+a1（n1）m1（n1）=c1
a21m11+a22m22+…+a2（n2）m2（n2）=c2
…… 
an1m11+an2mn2+…+an（nn）mn（nn）=cn
表6是以上算术采用矩阵的表示形式。 
表6 
Figure BDA00002912911400051
设轮胎周长为c，则在一定误差范围内，可以认为 
c=c1=c2=…=cn
各花纹条的基础节距进行无序排列，并且相同的基础节距连续排列不超过3个，同时兼顾其他花纹条的排列情况，有时可能要根据其他花纹条的排列进行调整。 
如果花纹条的各基础节距块上有沟槽，则沟槽以一定的规则进行排列，如以不同的角度进行渐变、以不同的宽度或长度进行渐变等。 
以下针对以上具体实施方式，举一实例进一步说明。 
取n=5，则花纹条数为5，花纹沟数为4，选定某规格轮胎，其行驶面宽度为184，花纹条的比例系数设定如表6，花纹沟的比例系数设定如表7。 
表6 
Figure BDA00002912911400052
Figure BDA00002912911400061
表7 
Figure BDA00002912911400062
由于2、5、7、11、13均为质数，因此各花纹条或花纹沟之间的比值可以保证均为无理数，开方结果取3位有效数字，计算后可得如下二元一次方程： 
6.392*bw1+4.631*gw1=184 
取bw1=23，并且各花纹条和花纹沟宽度计算结果取1位有效数字，由于要凑整数，因此可能要对某花纹沟进行微小的调整（不超过0.1），最终计算结果如表8。 
bw1 bw2 bw3 bw4 bw5 gw1 gw2 gw3 gw4
23 25.7 27.6 32.5 38.1 8 8.8 9.6 10.7
根据各花纹条和花纹沟的宽度，从左到右的排列次序如下： 
bw5-gw3-bw2-gw2-bw1–gw1-bw3-gw4-bw4
从而确定了花纹条和花纹沟的宽度和排列次序，以下对各花纹条的基础节距进行长度确定和排列确定（其中排列确定省略）。 
各花纹条的最大基础节距与最小基础节距之间的比值宜控制在1到1.5之间，并且为无理数，为了使不同花纹条之间的基础节距比值也为无理数，基础节距之间的比值适宜取质数的开方，如果质数的开方大于1.5，则再除以一自然数即可，部分满足条件的无理数计算结果见表9。 
表9 
Figure BDA00002912911400063
各花纹条的基础节距如表10。 
表10 
  bw1 bw2 bw3 bw4 bw5
1 m11 m21 m31 m41 m51
[0104] 
2 m12 m22 m32 m42 m52
3 m13 m23 m33 m43 m53
4   m24 m34 m44 m54
5       m45 m55
以m51为基准，各基础节距为m51的无理数倍，各基础节距的比例系数设定见表11。 
表11 
  bw1 bw2 bw3 bw4 bw5
1 1.414*m51 1.323*m51 1.346*m51 1.090*m51 m51
2 1.280*m11 1.106*m21 1.199*m31 1.118*m41 1.204*m51
3 1.371*m11 1.202*m21 1.221*m31 1.217*m41 1.270*m51
4   1.374*m21 1.311*m31 1.281*m41 1.301*m51
5       1.392*m41 1.364*m51
要求各算得的基础节距至多调整0.01，每花纹条上所有基础节距总和与轮胎外周长差值在0.1以内，基础节距计算结果保留两位小数。经计算，各花纹条的基础节距长度如表12,基础节距的块数如表13。 
表12 
  bw1 bw2 bw3 bw4 bw5
1 32.48 30.39 30.92 25.05 22.97
2 41.58 33.61 37.07 27.99 27.69
3 44.54 36.53 37.76 30.47 29.21
4   41.76 40.54 32.07 29.92
5       34.85 31.37
表13 
  bw1 bw2 bw3 bw4 bw5
1 16 15 15 16 15
2 17 19 13 16 15
3 20 12 16 13 15
4   14 14 12 15
5       14 15
表14是将计算得到的基础节距长度和块数采用矩阵表示，无基础节距的用0代替。 
表14 
16 17 20 0 0 15 19 12 14 0 15 13 16 14 0 16 16 13 12 14 15 15 15 15 15 32.48 30.39 30.92 25.05 22.97 41.56 33.61 37.07 27.99 27.69 44.54 36.53 37.76 30.47 29.21 0 41.76 40.54 32.07 29.92 0 0 0 34.85 31.37 = 2117.34 2117.44 2117.43 2117.49 2117.40
原周长保留3位有效数字为2117.433，因此以上各花纹条的基础节距总和都能达到要求。 
根据以上计算得到的结果，将各花纹条基础节距长度及花纹沟进行绘制而成的框架图，如图2所示。 
图3是在各花纹基础节距上进行有规律地绘制沟槽的示例。 
图4是图3中花纹条bw1三个基础节距的沟槽形状尺寸图，可见沟槽的长度、宽度及与周向的夹角都有所变化。 
最后按一定次序将各花纹条的基础节距进行排列，可得整条轮胎花纹，这里不再赘述，至此，依据此设计方法的低噪音轮胎花纹设计完成。 
在前文的描述中，采用了特定的术语，便于理解，这些术语不会超出现有的技术要求的不必要限制。此外，本发明的描述或描绘仅仅是举例并且本发明不限于所示或所描述的严格的细节。 

Claims (10)

1.一种低噪音轮胎花纹的设计方法，其特征在于：所述方法包括花纹条数的确定、花纹条宽度的确定、花纹沟宽度的确定、各花纹基础节距长度和排列的确定以及基础节距上花纹沟槽的确定，其内容包括：
   （a）花纹条数为n，n为2~16的正整数；优选n为2~7的正整数；
（b）各花纹条的宽度比为1：a1：a2：……an-1，a1：a2：……an-1为不同的数值，所述的花纹条左右顺序根据实际情况而定；
（c）各花纹沟的宽度比为1：b1：b2：……b n-2，b1：b2：……b n-2为不同的数值，所述的花纹沟左右顺序根据实际情况而定；
（d）设其中一花纹条有m个基础节距，表示为P1，P2，…，Pm，且P1＜P2＜P3＜…＜Pm；
（e）在所有或部分花纹基础节距上刻花纹槽；
（f）对每一花纹条的基础节距进行排序，得全胎花纹。
2.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎花纹的设计方法，其特征在于：a1：a2：……an-1以及b1：b2：……b n-2均取无理数。
3.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎花纹的设计方法，其特征在于：对于任一花纹条，最大基础节距与最小基础节距的比值Pm/ P1＜1.5，且各节距之间的比取无理数。
4.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎花纹的设计方法，其特征在于：对于任一花纹条，在其基础节距上沟槽的长度尺寸、宽度尺寸、角度或弧度设计参数中，其中至少有一项呈一定规律变化；作为优选，对于任一花纹条，相同的基础节距连续排列不超过3个。
5.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎花纹的设计方法，其特征在于：该方法还包括花纹沟为非直线的情况，即构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为多样化；作为优选，所述的构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为向外凸或向内凹。
6.一种低噪音轮胎，其特征在于该轮胎花纹具有以下的特点：
（a）花纹条数为n，n为2~16的正整数；优选n为2~7的正整数；
（b）各花纹条的宽度比为1：a1：a2：……an-1，a1：a2：……an-1为不同的数值，所述的花纹条左右顺序根据实际情况而定；
（c）各花纹沟的宽度比为1：b1：b2：……b n-2，b1：b2：……b n-2为不同的数值，所述的花纹沟左右顺序根据实际情况而定；
（d）设其中一花纹条有m个基础节距，表示为P1，P2，…，Pm，且P1＜P2＜P3＜…＜Pm；
（e）在所有或部分花纹基础节距上刻有花纹槽；
（f）对每一花纹条的基础节距进行排序，得全胎花纹。
7.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎，其特征在于：a1：a2：……an-1以及b1：b2：……b n-2均取无理数。
8.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎，其特征在于：对于任一花纹条，最大基础节距与最小基础节距的比值Pm/ P1＜1.5，且各节距之间的比取无理数。
9.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎花纹，其特征在于：对于任一花纹条，在其基础节距上沟槽的长度尺寸、宽度尺寸、角度或弧度设计参数中，其中至少有一项呈一定规律变化；作为优选，对于任一花纹条，相同的基础节距连续排列不超过3个。
10.根据权利要求1所述的一种低噪音轮胎，其特征在于：构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为多样化；作为优选，所述的构成花纹条的花纹基础节距与花纹沟相邻的边的形式为向外凸或向内凹。
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