CN111186262A

CN111186262A - 一种低噪音充气轮胎

Info

Publication number: CN111186262A
Application number: CN202010042680.9A
Authority: CN
Inventors: 毕传兴; 杨政; 张永斌; 张小正; 李宁学
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: CN111186262B

Abstract

本发明公开了一种低噪音充气轮胎，其特征是：在由胎面内表面和轮辋共同形成的环形轮胎空腔内设置吸声体；吸声体为具有旋转体形状的单体，多个吸声体在轮胎空腔中沿轮胎圆周方向等间隔布置，处在轮胎径向对称位置上的吸声体是密度和外形相同的单体，形成径向对称。本发明能有效降低轮胎因空腔共振所产生的噪音，并降低轮胎在行驶时的振动能量。

Description

一种低噪音充气轮胎

技术领域

本发明涉及充气轮胎，更具体地说是一种可降低吸收轮胎振动和空腔中的空腔共振噪音的充气轮胎。

背景技术

噪音是乘用车驾乘舒适性的重要指标，汽车在行驶过程中，充气轮胎与轮辋之间形成的空腔所产生的空腔共鸣音是汽车噪音的重要来源之一。空腔共振噪音的峰值频率与轮胎空腔尺寸相关，一般在150Hz～250Hz之间存在明显且尖锐的共振峰值，给车内乘客带来不悦的感受。

为了降低轮胎空腔的共鸣噪音，目前已有相应措施，如在轮胎周向整圈布置横截面为矩形或横截面一侧为锯齿形、梯形等规则或不规则图形的多孔吸声材料的方案；以及利用多孔吸声材料制成隔板安装在胎内，以隔断轮胎内部声模态从而达到降噪效果。但相关技术方案存在以下问题：

1、整圈布置多孔吸声材料时，所作用的噪音能量区间较窄，且频率单一，并且为了达到良好的降噪效果往往需要增大材料的体积，但相关形式增加了轮胎重量，多孔吸声材料用量大且成本高，不仅影响轮胎的散热性，还增加了汽车的油耗，降低行驶稳定性。

2、由于在150～250Hz之间的轮胎空腔声模态振型是沿轮胎周向分布，因此沿轮胎周向整圈铺设的吸声材料层通常平行于声模态振型，且只有单个孔隙面面向轮胎空腔，导致吸声材料的吸声性能并不能得到充分发挥，大大降低了吸声效果。

3、整圈布置多孔吸声材料，当材料表面或侧面呈规则或不规则曲线时，虽然增大了作用的噪音能量区间，扩大了作用频率范围，但降噪效果较常规横截面为矩形的方案而言相差不大；并且由于整体铺设，厚度较小，始终不能完全对轮胎内部声场起到有效的吸声作用，同时增加了轮胎整体的阻尼，起不到缓冲减振的作用，还降低了轮胎的柔性，增加了行驶危险性。

4、利用多孔吸声材料制成隔板来隔断轮胎空腔，确实改变了轮胎空腔的形状和尺寸，实现了能量的分散，利用材料的吸声消能作用的确使得轮胎空腔共振噪音得到了降低；但相较于整圈铺设方案增幅程度不明显，并且隔板本身较薄质软，虽起到了一定的隔断作用，但不利于胎内气体流动，汽车在行驶时，隔板极易受损，提高了行驶危险性。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供了一种低噪音充气轮胎，以有效降低轮胎因空腔共振所产生的噪音，并降低轮胎在行驶时的振动能量。在实现显著降噪性能和减振的同时还具有轻量化、经济性的特点。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明低噪音充气轮胎的特点是：在由胎面内表面和轮辋共同形成的环形轮胎空腔内设置吸声体；所述吸声体为具有旋转体形状的单体，多个吸声体在所述轮胎空腔中沿轮胎圆周方向等间隔布置，且是以旋转体的底部平面粘合在胎面内表面上，使吸声体在轮胎空腔内呈立式；处在轮胎径向对称位置上的吸声体是密度和外形相同的单体，形成径向对称。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：所述吸声体在沿旋转轴轴向不同位置上的旋转半径相同或不相同；其母线为任意形状，包括：直线、曲线和折线；其顶部为点、平面或非平面；所述吸声体具有底部圆平面，且以其底部平面粘合在胎面内表面上，吸声体处在轮胎空腔的宽度方向上的居中位置上，吸声体的旋转轴的延长线过轮辋的圆心。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：所述吸声体，其底部圆平面的直径是轮胎空腔的宽度的50％～90％；所述吸声体，其在沿旋转轴轴向上的最大旋转半径不大于所述底部圆平面旋转半径的150％。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：在所述轮胎空腔中，所有吸声体的底部圆平面的直径总和为胎面内表面的周长的20％～90％。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：所述吸声体，其在旋转轴轴向上的高度是轮胎空腔的高度的60％～90％。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：在所述轮胎空腔中，至少有两个吸声体。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：处在相邻位置上的吸声体的形状相同或不相同；处在相邻位置上的吸声体的密度比值为：

0.167≤M1/M2≤6

其中：M1为第一吸声体的密度值；M2为第二吸声体的密度值，第一吸声体和第二吸声体为相邻的吸声体。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：所述吸声体是以聚氨酯泡沫为材质。

本发明低噪音充气轮胎的特点也在于：所述吸声体是以密度为10kg/m³～60kg/m³的聚氨酯软泡沫为材质。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明中吸声体单体间隔且呈立式布置在轮胎空腔内，各吸声体单体除其底部平面之外的其它表面孔隙面均置于轮胎空腔中，能充分发挥材料的吸声消能作用，具有显著的降噪效果，聚氨酯泡沫料用量少，在实现显著降噪的同时还具有轻量化的特点，降低成本。

2、本发明中独立设置的各吸声体单体在轮胎空腔内起到隔断模态的作用，实现了空腔能量的分散；同时，其旋转体的曲面更有利于对流动气体声能的消耗和吸收，且不影响胎内的气体流动，在汽车行驶时也不易受损。

3、本发明中各吸声体单体间隔布置，对轮胎本身的硬度和柔性等属性无明显影响，保留了轮胎的原有属性，保持汽车行驶的稳定性。

4、本发明通过将相邻的吸声体设置为不同的密度或形状，能够更进一步增强所作用的噪音能量区间和频段。

5、本发明通过设置吸声体使在沿轮胎圆周方向具有变化的声阻抗，起到扰乱胎内空腔声场模态的目的，干扰内部声场，从而有效地降低空腔共振总体能量，更好地削减轮胎噪音。声阻抗是指吸声材料的声阻抗率与吸声材料的表面积的乘积。本发明通过将相邻吸声体设置为不同的密度，使相邻吸声体具有不同的声阻抗率，因而在胎内圆周方向上获得变化的声阻抗，以此扰乱轮胎空腔内部声场，有效降低轮胎内部空腔共振噪声；当将相邻吸声体设置为不同形状时，即相邻吸声体之间的表面积不同，同样使得在轮胎圆周方向上获得变化的声阻抗，从而扰乱声场有效降低轮胎噪声。

6、本发明中吸声体以聚氨酯泡沫为材质，具体采用软泡材料，除了材质本身由于多孔性所具有的吸声性能，还具有强大的缓冲作用以及弹性；而旋转体本身具有旋转对称性，和聚氨酯软泡材料结合可在轮胎内形成动力吸振器；动力吸振器是指利用共振系统吸收物体的振动能量以减小物体振动。其原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，这种附加系统在共振时产生的反作用力可使振动物体的振动减小。由于吸声体具有一定的弹性以及质量，因此可以单独形成一个质量弹簧共振系统。在胎内布置数个旋转体，可以起到缓冲隔振、动力吸振的作用，吸收并缓冲汽车在行驶时轮胎的振动能量以减少振动，降低噪音。

附图说明

图1为本发明中具有相同形状和不同材料密度的吸声体在轮胎内腔布置示意图；

图2为本发明中具有不同形状和相同材料密度的吸声体在轮胎内腔布置示意图；

图3为本发明中轮胎断面结构示意图；

图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f为本发明中可采用的各种吸声体剖面示意图；

图5a和图5b分别为对比测试中圆柱吸声体的主视和俯视示意图；

图6a和图6b分别为对比测试中矩形条吸声材料的主视和俯视示意图；

图7a和图7b分别为对比测试中圆台吸声体的主视和俯视示意图；

图8为安装有方案二常规海绵吸声条的安装示意图；

图9为圆柱吸声体和圆台吸声体间隔布置的安装示意图；

图10为对比测试中振动传递率实验效果图。

图中标号：1吸声体，2b轮辐，2a轮辋，3充气轮胎，4胎面部，4a胎面内表面，5胎侧部，6胎圈部，7帘布层，8带束层，9轮胎空腔，10常规海绵吸声条。

具体实施方式

参见图3，本实施例中充气轮胎是指由轮胎的胎面内表面4a与轮辋2a共同形成有环形轮胎空腔9的充气轮胎3，充气轮胎3装设在轮辋2a上，由轮辐2b支撑；充气轮胎3包括：胎面部4，处在左右两侧边的胎圈部6，将胎面部4与胎圈部6相连接的左右两侧部的胎侧部5；在左右胎圈部6之间在轮胎内部延伸有帘布层7，在胎面部4的帘布层外周侧设置有带束层8，以通过轮辋2a将充气轮胎3的空腔进行密闭的方式将充气轮胎3安装在车轮上。

如图3所示，本实施例中低噪音充气轮胎是在由胎面内表面4a和轮辋2a共同形成的环形轮胎空腔9内设置吸声体1；吸声体1为具有旋转体形状的单体，多个吸声体1在轮胎空腔9中沿轮胎圆周方向等间隔布置，且是以旋转体的底部平面粘合在胎面内表面4a上，使吸声体1在轮胎空腔9内呈立式；处在轮胎径向对称位置上的吸声体1是密度和外形相同的单体，形成径向对称。

具体实施中，相应的措施也包括：

吸声体1在沿旋转轴轴向不同位置上的旋转半径相同或不相同；其母线为任意形状，包括：直线、曲线和折线；其顶部为点、平面或非平面，形成不同外形的吸声体，包括：如图4a所示的圆锥体，图4b所示的圆柱体，图4c所示的圆台体，图4d、图4e和图4f所示的不规则形状。在各不同形式中，吸声体1具有底部圆平面，且以其底部平面粘合在胎面内表面4a上，吸声体1处在轮胎空腔9的宽度方向上的居中位置上，吸声体1的旋转轴的延长线过轮辋2a的圆心。吸声体1除了粘贴面，其余位置上的所有孔隙面均置于环形轮胎空腔中，能够获得较大的有效吸声面积。

设置吸声体1的底部圆平面的直径是轮胎空腔9的宽度的50％～90％；吸声体1在沿旋转轴轴向上的最大旋转半径不大于所述底部圆平面旋转半径的150％；吸声体1在旋转轴轴向上的高度是轮胎空腔9的高度的60％～90％；在轮胎空腔9中，所有吸声体1的底部圆平面的直径总和为胎面内表面4a的周长的20％～90％；在轮胎空腔9中至少有两个吸声体1。

具体实施中，设置处在相邻位置上的吸声体1的形状为相同(如图1所示)，或为不相同(如图2所示)；设置处在相邻位置上的吸声体的密度比值为：

0.167≤M1/M2≤6

其中：M1为第一吸声体的密度值；M2为第二吸声体的密度值，第一吸声体和第二吸声体为相邻的吸声体；若是将相邻位置上的吸声体的密度比值取值为1，即表示相邻位置上的吸声体的密度为相同。

本实施例中吸声体1是以具有多孔性的聚氨酯泡沫为材质，具体包括聚氨酯硬泡材料和密度为10kg/m³～60kg/m³的聚氨酯软泡沫材料。

本实施例中，采用密度为10kg/m³～60kg/m³的聚氨酯软泡材料，除了其材质本身由于多孔性所具有的吸声性能，还具有强大的缓冲吸振功能及弹性，结合旋转体的外形，可以形成动力吸振器，利用共振吸收物体的振动能量，从而减小物体振动；其原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，共振时产生的反作用力能够使振动物体的振动减小，能有效抑制频率变化较小的振动。本发明中吸声体由于其本身就具有一定的弹性和质量，因此可以单独形成一个动力吸振器。轮胎空腔共振主要集中在150Hz-250Hz频段内，频率变化小且低。因此将由聚氨酯软泡材料制成的吸声体布置在胎内不仅能对轮胎空腔共振噪音起到吸声作用，也能对行驶中的轮胎振动起到一定的缓冲隔振、阻尼减振的作用。

对比测试：

以圆柱吸声体和横截面为矩形的常规海绵吸声条以及圆台吸声体作对比，进行轮胎空腔声场仿真计算。圆柱吸声体如图5a和图5b所示，其高度H为50mm，直径D为120mm，8只圆柱吸声体等间距布置在胎面内表面，相邻两只吸声体的密度分别为M1和M2。设置三种情形，分别是情形一、情形二和情形三：

情形一、M1为60kg/m³，M2为10kg/m³，即：M1与M2的比值为6；

情形二：M1为10kg/m³，M2为60kg/m³，即：M1与M2的比值为0.167；

情形三：M1和M2均为40.7kg/m³，即：M1与M2的比值为1。

实际上，情形一和情形二为同一种情况，虽然M1与M2的比值不同，但安装在呈环形的轮胎内腔中的使用效果是相同的，即：情形一和情形二为相同方案。

横截面为矩形的常规海绵吸声条10如图6a和图6b所示，其长度Y为900mm，宽度W为120mm，厚度P为30mm，材料密度与情形三相同，为40.7kg/m³。将两条常规海绵吸声条相接粘贴在轮胎整圈，并且是以其宽为120mm、长为900mm的平面与轮胎内表面相粘贴，形成如图7所示的粘贴形式；相比于常规海绵吸声条10的技术方案，采用圆柱吸声体的吸声材料使用量体积下降了33.01％。

圆台吸声体如图7a和图7b所示，其高度H1为60mm，高度H2为40mm，直径D1为120mm，直径D2为60mm。4只圆台吸声体和4只圆柱吸声体等间距一一间隔布置在胎面内表面，材料密度均为40.7kg/m³，在胎内布置的示意图如图9所示，其中圆柱吸声体和圆台吸声体都属于本发明所指具有不同外形的吸声体1。相比于8只圆柱吸声体等间距布置在胎面内表面的方案，采用圆台吸声体和圆柱吸声体间隔布置的方案的材料使用量体积下降了5％。

轮胎空腔声场仿真：通过仿真软件计算在静态条件下内部声场变化情况，通过查看胎内声压最大处的声压级响应曲线，了解轮胎空腔在放置不同吸声材料后的空腔共振峰值和频率，以此评价吸声材料对于轮胎空腔共振的抑制作用。

仿真包括五种方案：

方案一：轮胎内腔为空腔的充气轮胎；

方案二：轮胎内腔安装密度为40.7kg/m³常规海绵吸声条10的充气轮胎；

方案三：轮胎内腔安装圆柱吸声体，且相邻吸声体形状相同，密度比为6或0.167；

方案四：轮胎内腔安装圆柱吸声体，具相邻吸声体形状和密度均相同；

方案五：轮胎内腔等距一一间隔安装圆柱吸声体和圆台吸声体，密度相同但形状不同。

仿真所用轮胎模型尺寸以规格为215/55R16子午线轮胎为准，设置模型的压强为240kPa，以模仿真实轮胎内的声压。

图10为四种方案中轮胎胎内声压级响应曲线的对比图。图10中曲线R1为方案一的充气轮胎声压级响应曲线，曲线R2为方案二的充气轮胎声压级响应曲线，曲线R3为方案三的充气轮胎声压级响应曲线，曲线R4为方案四的充气轮胎声压级响应曲线，曲线R5为方案五的充气轮胎声压级响应曲线。

由图10可见：

方案二、方案三、方案四和方案五对于方案一来说，显著消减了200-250Hz频段范围内的空腔共振峰值，效果明显，表明在胎内布置吸声材料是有效降低轮胎空腔共振噪声的方法。

方案三、方案四和方案五对于方案二来说，在200Hz左右处空腔共振峰值的下降更为明显。因此，相比于方案二，采用圆柱吸声体方案或圆柱吸声体和圆台吸声体间隔布置的方案，不仅可以显著减小轮胎空腔共振噪音峰值，还能够使得200-250Hz频段内的空腔噪音能量更小，同时体积、质量也更小。

方案三对于方案四和方案五来说，在200Hz左右处空腔共振峰值的下降还要多，表明相邻吸声体之间密度的比越大或越小时都优于密度相等时的圆柱吸声体或圆柱吸声体和圆台吸声体间隔布置的方案，对轮胎空腔共振峰值频段的降噪效果更好。

方案五对于方案三和方案四来说，虽然在200Hz左右处的降噪效果不如另外两个方案好，但还是优于常规海绵吸声条方案，且材料用量也更小。

通过对比仿真测试可知，本发明方法可以降低空腔共振的总体噪音能量，并可显著降低噪音吸收体的质量，可用于制造轻量化的低噪音轮胎，提高汽车的燃油消耗性和行走稳定性。

Claims

1.一种低噪音充气轮胎，其特征是：在由胎面内表面(4a)和轮辋(2a)共同形成的环形轮胎空腔(9)内设置吸声体(1)；所述吸声体(1)为具有旋转体形状的单体，多个吸声体(1)在所述轮胎空腔(9)中沿轮胎圆周方向等间隔布置，且是以旋转体的底部平面粘合在胎面内表面(4a)上，使吸声体(1)在轮胎空腔(9)内呈立式；处在轮胎径向对称位置上的吸声体(1)是密度和外形相同的单体，形成径向对称。

2.根据权利要求1所述的低噪音充气轮胎，其特征是：所述吸声体(1)在沿旋转轴轴向不同位置上的旋转半径相同或不相同；其母线为任意形状，包括：直线、曲线和折线；其顶部为点、平面或非平面；所述吸声体(1)具有底部圆平面，且以其底部平面粘合在胎面内表面(4a)上，吸声体(1)处在轮胎空腔(9)的宽度方向上的居中位置上，吸声体(1)的旋转轴的延长线过轮辋(2a)的圆心。

3.根据权利要求2所述的低噪音充气轮胎，其特征是：所述吸声体(1)，其底部圆平面的直径是轮胎空腔(9)的宽度的50％～90％；所述吸声体(1)，其在沿旋转轴轴向上的最大旋转半径不大于所述底部圆平面旋转半径的150％。

4.根据权利要求2所述的低噪音充气轮胎，其特征是：在所述轮胎空腔(9)中，所有吸声体(1)的底部圆平面的直径总和为胎面内表面(4a)的周长的20％～90％。

5.根据权利要求2所述的低噪音充气轮胎，其特征是：所述吸声体(1)，其在旋转轴轴向上的高度是轮胎空腔(9)的高度的60％～90％。

6.根据权利要求1所述的低噪音充气轮胎，其特征是：在所述轮胎空腔(9)中，至少有两个吸声体(1)。

7.根据权利要求1所述的低噪音充气轮胎，其特征是：处在相邻位置上的吸声体(1)的形状相同或不相同；处在相邻位置上的吸声体(1)的密度比值为：

0.167≤M1/M2≤6

8.根据权利要求1所述的低噪音充气轮胎，其特征是：所述吸声体(1)是以聚氨酯泡沫为材质。

9.根据权利要求1所述的低噪音充气轮胎，其特征是：所述吸声体(1)是以密度为10kg/m³～60kg/m³的聚氨酯软泡沫为材质。