開式非充氣輪胎氣動特性及噪音控制的深度解析與優(yōu)化策略

開式非充氣輪胎氣動特性及噪音控制的深度解析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義輪胎作為車輛與地面接觸的關(guān)鍵部件，其性能對車輛的行駛安全、操控穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及乘坐舒適性等方面都有著至關(guān)重要的影響。在過去的一百多年里，充氣輪胎憑借其良好的緩沖性能、較低的滾動阻力等優(yōu)勢，成為了各類車輛的主流選擇。然而，傳統(tǒng)充氣輪胎需要定期檢查和維護(hù)胎壓，一旦胎壓不足或過高，不僅會影響輪胎的使用壽命，還會導(dǎo)致車輛操控性能下降，增加燃油消耗，甚至引發(fā)爆胎等嚴(yán)重安全事故。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，約有30%的車輛存在胎壓不足的情況，而胎壓不足引發(fā)的交通事故占比較高。此外，充氣輪胎容易被尖銳物體扎破，導(dǎo)致漏氣甚至爆胎，在高速公路上，這種情況極其危險(xiǎn)，往往會引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。我國交通部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，高速公路交通事故中有70%與輪胎有關(guān)，其中因輪胎漏氣爆胎引發(fā)的事故占比高達(dá)46.8%。為了解決傳統(tǒng)充氣輪胎的這些問題，非充氣輪胎應(yīng)運(yùn)而生。非充氣輪胎摒棄了壓縮空氣作為支撐介質(zhì)，采用全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料，具有防爆、防刺、免維護(hù)、可模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。開式非充氣輪胎作為非充氣輪胎的一種重要類型，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其在氣動特性和噪音產(chǎn)生方面具有與傳統(tǒng)充氣輪胎不同的特點(diǎn)。隨著汽車行業(yè)對節(jié)能減排和舒適性要求的不斷提高，研究開式非充氣輪胎的氣動特性與噪音控制方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從汽車的性能提升角度來看，氣動特性直接影響輪胎的滾動阻力和升力。滾動阻力的降低可以有效減少車輛行駛過程中的能量消耗，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在當(dāng)今全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，降低輪胎滾動阻力對于減少汽車尾氣排放、緩解能源危機(jī)具有重要作用。例如，米其林公司研發(fā)的低滾動阻力輪胎，通過優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)和材料，使?jié)L動阻力降低了10%-15%，在實(shí)際使用中，車輛的燃油消耗明顯降低。而升力的控制則關(guān)系到車輛高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。如果輪胎升力過大，會導(dǎo)致輪胎與地面的附著力減小，影響車輛的操控性能，甚至可能引發(fā)安全事故。因此，深入研究開式非充氣輪胎的氣動特性，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對于降低滾動阻力和合理控制升力，提升汽車的整體性能具有重要意義。噪音控制對于提高乘坐舒適性也至關(guān)重要。汽車噪音是影響乘客乘坐體驗(yàn)的重要因素之一，而輪胎噪音是汽車噪音的主要來源之一。隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，降低輪胎噪音成為汽車行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問題。開式非充氣輪胎由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中與空氣相互作用產(chǎn)生的噪音具有獨(dú)特的頻率和強(qiáng)度分布。通過研究其噪音產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性，提出有效的噪音控制方法，可以顯著降低輪胎噪音，為乘客提供更加安靜、舒適的乘車環(huán)境。這不僅有助于提升汽車的市場競爭力，滿足消費(fèi)者對高品質(zhì)汽車的需求，也符合汽車行業(yè)向綠色、舒適方向發(fā)展的趨勢。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在開式非充氣輪胎氣動特性分析與噪音控制方法的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了諸多探索，取得了一定的研究成果。國外對非充氣輪胎的研究起步較早，米其林公司研發(fā)的Tweel非充氣輪胎，采用輪胎與輪輞一體化設(shè)計(jì)，由高強(qiáng)度聚氨酯輪輻、剪切帶和胎面組成。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其在承載性能上表現(xiàn)出色，相關(guān)研究通過力學(xué)分析，揭示了其輪輻結(jié)構(gòu)能有效傳遞載荷并自身承載部分載荷，從而提高輪胎承載能力。在氣動特性和噪音控制方面，國外學(xué)者利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，對非充氣輪胎的氣動阻力、升力和氣動噪聲等特性展開研究。例如，[具體姓名3]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量不同速度下非充氣輪胎的氣動阻力和升力，分析其隨速度的變化規(guī)律，為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在噪音控制方面，部分研究關(guān)注輪胎結(jié)構(gòu)與噪音產(chǎn)生的關(guān)系，通過優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)來降低噪音。然而，目前國外研究對于開式非充氣輪胎在復(fù)雜工況下的氣動特性研究還不夠全面，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的耦合對氣動特性和噪音的影響研究也有待深入。國內(nèi)近年來在非充氣輪胎領(lǐng)域的研究也取得顯著進(jìn)展。一些高校和科研機(jī)構(gòu)針對非充氣輪胎的承載性能、氣動特性和噪音問題開展了大量理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。[具體高校/科研機(jī)構(gòu)1]的研究團(tuán)隊(duì)建立非充氣輪胎有限元模型，對其承載性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究輪輻形狀、數(shù)量、材料等因素對承載性能的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。在氣動特性和噪音控制研究中，國內(nèi)學(xué)者同樣運(yùn)用CFD方法和實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的手段。例如，通過建立輪胎流場模型，模擬輪胎在不同行駛工況下的氣流流動，分析氣動特性；通過實(shí)驗(yàn)測量輪胎噪音，研究噪音產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性。但國內(nèi)研究在開式非充氣輪胎氣動特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，對噪音控制方法的實(shí)際應(yīng)用研究也相對較少。綜合來看，當(dāng)前開式非充氣輪胎氣動特性分析與噪音控制方法的研究仍存在一些不足與空白。在氣動特性分析方面，缺乏對復(fù)雜行駛工況（如不同路面條件、車輛加減速等）下輪胎氣動特性的系統(tǒng)研究，且對輪胎與周圍流場的相互作用機(jī)理理解不夠深入。在噪音控制方面，雖然提出了一些理論上的降噪方法，但在實(shí)際應(yīng)用中，如何有效結(jié)合輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和降噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)既保證輪胎性能又顯著降低噪音的目標(biāo)，還需要進(jìn)一步探索和實(shí)踐。此外，針對開式非充氣輪胎的多物理場耦合（如氣動、熱、結(jié)構(gòu)等）對其性能和噪音影響的研究也較為匱乏。1.3研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入剖析開式非充氣輪胎的氣動特性，探索其噪音產(chǎn)生機(jī)理，并提出創(chuàng)新的噪音控制方法，以填補(bǔ)該領(lǐng)域在復(fù)雜工況下氣動特性研究以及實(shí)際應(yīng)用中噪音控制方法的空白。在氣動特性分析方面，本研究致力于全面系統(tǒng)地研究開式非充氣輪胎在復(fù)雜行駛工況下的氣動特性。通過結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，深入探究輪胎與周圍流場的相互作用機(jī)理，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（如輪胎寬度、輪輻結(jié)構(gòu)、輪輻排列、輪胎花紋等）以及行駛工況（行駛速度、路面條件、車輛加減速等）對氣動特性的影響規(guī)律。與以往研究不同，本研究不僅關(guān)注單一因素對氣動特性的影響，更注重多個(gè)因素之間的耦合作用，力求揭示開式非充氣輪胎氣動特性的內(nèi)在本質(zhì)，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面、準(zhǔn)確的理論依據(jù)。在噪音控制方面，本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于從輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與降噪技術(shù)相結(jié)合的角度出發(fā)，提出切實(shí)可行的噪音控制方法。通過深入研究輪胎噪音產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性，探索利用新型材料、優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)以及采用先進(jìn)的降噪技術(shù)（如吸音材料的應(yīng)用、聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等）來降低輪胎噪音的有效途徑。同時(shí)，本研究還將考慮在實(shí)際應(yīng)用中，如何將噪音控制方法與輪胎的性能要求相結(jié)合，確保在降低噪音的同時(shí)，不影響輪胎的承載能力、滾動阻力等關(guān)鍵性能，實(shí)現(xiàn)輪胎性能與噪音控制的平衡。此外，本研究還將對提出的噪音控制方法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)測試和實(shí)際應(yīng)用評估，檢驗(yàn)其降噪效果和可行性，為開式非充氣輪胎的噪音控制提供具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的解決方案。二、開式非充氣輪胎的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1開式非充氣輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開式非充氣輪胎主要由輪轂、輪輻和胎面等關(guān)鍵部件構(gòu)成，各部件協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)輪胎的各項(xiàng)功能。輪轂作為輪胎與車輛連接的重要部件，承擔(dān)著傳遞扭矩和支撐整個(gè)輪胎結(jié)構(gòu)的重任。其設(shè)計(jì)不僅要確保與車輛軸的緊密配合，還要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受車輛行駛過程中的各種載荷。在實(shí)際應(yīng)用中，輪轂的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對輪胎的性能有著重要影響。例如，采用高強(qiáng)度鋁合金材料制造的輪轂，不僅重量輕，還具有良好的散熱性能，能夠有效提高輪胎的工作效率和使用壽命。輪輻是開式非充氣輪胎的核心部件之一，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了輪胎的承載能力和緩沖性能。輪輻通常由一系列的支撐結(jié)構(gòu)組成，這些支撐結(jié)構(gòu)按照特定的規(guī)律排列，形成了開式的結(jié)構(gòu)布局。常見的輪輻結(jié)構(gòu)包括V形支撐體結(jié)構(gòu)、機(jī)械彈性環(huán)結(jié)構(gòu)以及正六邊形3D打印的熱塑性聚氨酯材料結(jié)構(gòu)等，其中V形支撐體結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。V形支撐體結(jié)構(gòu)通過多個(gè)V形單元的相互連接，形成了一個(gè)穩(wěn)定的支撐網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輪胎承受載荷時(shí)，V形支撐體能夠發(fā)生彈性變形，從而有效地吸收和分散載荷，提供良好的緩沖效果。此外，一些新型的輪輻設(shè)計(jì)還采用了智能材料，如形狀記憶合金等，這些材料能夠根據(jù)輪胎的受力情況自動調(diào)整自身的形狀和剛度，進(jìn)一步提高輪胎的性能。胎面直接與地面接觸，是輪胎實(shí)現(xiàn)抓地力、耐磨性和排水性等功能的關(guān)鍵部分。開式非充氣輪胎的胎面通常采用高強(qiáng)度橡膠材料制成，以確保在各種路況下都能提供良好的抓地力和耐磨性。同時(shí)，胎面的花紋設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，不同的花紋形狀和深度會影響輪胎的排水性能、噪音產(chǎn)生以及滾動阻力等。例如，采用深槽花紋設(shè)計(jì)的胎面能夠在濕滑路面上迅速排出積水，提高輪胎的抗滑性能；而采用細(xì)小花紋設(shè)計(jì)的胎面則能夠降低輪胎的滾動阻力，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，為了提高胎面的耐磨性，一些開式非充氣輪胎還在胎面材料中添加了特殊的耐磨添加劑，如炭黑等，這些添加劑能夠增強(qiáng)橡膠的硬度和耐磨性，延長胎面的使用壽命。除了上述主要部件外，開式非充氣輪胎還可能包括一些輔助部件，如減震墊、加強(qiáng)筋等。減震墊通常安裝在輪輻與胎面之間，用于進(jìn)一步吸收和緩沖輪胎在行駛過程中受到的沖擊和振動，提高乘坐舒適性。加強(qiáng)筋則用于增強(qiáng)輪胎的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止輪胎在受到較大載荷時(shí)發(fā)生變形或損壞。這些輔助部件雖然體積較小，但對于提高輪胎的整體性能和可靠性起著不可或缺的作用。2.2工作原理與力學(xué)特性開式非充氣輪胎在車輛行駛過程中，其力學(xué)原理與傳統(tǒng)充氣輪胎既有相似之處，又有獨(dú)特的表現(xiàn)。輪胎主要承擔(dān)著承載車輛重量、緩沖路面沖擊、提供驅(qū)動力和制動力以及保障車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性等重要功能。在承載方面，開式非充氣輪胎通過輪轂將車輛的重量傳遞到輪輻上，輪輻作為主要的承載部件，利用其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和材料特性來承受載荷。以V形支撐體結(jié)構(gòu)的輪輻為例，當(dāng)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)或行駛過程中，V形支撐體的各個(gè)單元相互協(xié)作，將來自車輛的垂直載荷分散到整個(gè)輪輻結(jié)構(gòu)上。由于V形支撐體的形狀設(shè)計(jì)，其在承受載荷時(shí)能夠發(fā)生彈性變形，通過自身的變形來吸收和分散部分載荷，從而有效地將車輛重量傳遞到地面，確保輪胎能夠穩(wěn)定地支撐車輛。在緩沖路面沖擊方面，開式非充氣輪胎同樣依靠輪輻的彈性變形來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輪胎行駛在不平整的路面上時(shí)，路面的凸起或凹陷會對輪胎產(chǎn)生沖擊力。此時(shí)，輪輻的彈性結(jié)構(gòu)能夠像彈簧一樣，在受到?jīng)_擊時(shí)發(fā)生變形，將沖擊能量轉(zhuǎn)化為彈性勢能儲存起來。隨著輪胎的繼續(xù)滾動，輪輻逐漸恢復(fù)原狀，將儲存的彈性勢能釋放出來，從而有效地緩沖了路面沖擊，減少了車輛的顛簸和振動，提高了乘坐舒適性。此外，胎面與地面之間的接觸也會對緩沖效果產(chǎn)生影響。胎面采用的橡膠材料具有一定的彈性，能夠在一定程度上吸收路面沖擊。同時(shí)，胎面的花紋設(shè)計(jì)也能夠增加輪胎與地面的摩擦力，使輪胎在行駛過程中更加穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了緩沖性能。輪胎的滾動阻力是影響車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。開式非充氣輪胎的滾動阻力主要來源于輪胎與地面之間的摩擦力以及輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形阻力。在輪胎滾動過程中，胎面與地面之間會產(chǎn)生摩擦力，這部分摩擦力是不可避免的。為了降低滾動阻力，開式非充氣輪胎通常采用優(yōu)化的胎面花紋設(shè)計(jì)和低滾動阻力的橡膠材料，以減少胎面與地面之間的摩擦系數(shù)。同時(shí)，輪輻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會影響滾動阻力。合理的輪輻結(jié)構(gòu)能夠使輪胎在滾動過程中更加順暢，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形阻力，從而降低滾動阻力。在提供驅(qū)動力和制動力方面，開式非充氣輪胎與傳統(tǒng)充氣輪胎的原理相同。當(dāng)車輛加速時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出的扭矩通過輪轂傳遞到輪胎上，輪胎與地面之間產(chǎn)生摩擦力，從而為車輛提供向前的驅(qū)動力。在制動時(shí)，制動系統(tǒng)對輪胎施加制動力矩，使輪胎與地面之間產(chǎn)生摩擦力，從而使車輛減速。開式非充氣輪胎的胎面材料和花紋設(shè)計(jì)對于提供足夠的摩擦力至關(guān)重要。高強(qiáng)度的橡膠材料和合理的花紋形狀能夠增加輪胎與地面之間的摩擦力，確保輪胎在各種路況下都能有效地提供驅(qū)動力和制動力。此外，開式非充氣輪胎在轉(zhuǎn)向時(shí)還需要承受側(cè)向力。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎會受到來自路面的側(cè)向力，為了保證車輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，輪胎需要具備足夠的側(cè)向剛度。輪輻的結(jié)構(gòu)和材料特性對輪胎的側(cè)向剛度有著重要影響。具有較高剛度的輪輻結(jié)構(gòu)能夠有效地抵抗側(cè)向力的作用，減少輪胎的側(cè)向變形，從而提高車輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。同時(shí)，胎面的花紋設(shè)計(jì)和輪胎的氣壓（對于開式非充氣輪胎，雖然沒有傳統(tǒng)意義上的氣壓，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)的彈性也會影響輪胎的力學(xué)性能）也會對側(cè)向剛度產(chǎn)生一定的影響。綜上所述，開式非充氣輪胎在行駛過程中的力學(xué)原理涉及多個(gè)方面，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和材料特性使其在承載、緩沖、滾動阻力、驅(qū)動力和制動力以及轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出與傳統(tǒng)充氣輪胎不同的特點(diǎn)。深入理解這些力學(xué)原理，對于研究開式非充氣輪胎的氣動特性和噪音控制方法具有重要的基礎(chǔ)作用。三、氣動特性分析理論與方法3.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）原理計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一門通過數(shù)值方法求解流體流動控制方程，從而對流體流動現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析的學(xué)科。在開式非充氣輪胎氣動特性分析中，CFD方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠深入揭示輪胎周圍復(fù)雜的氣流流動規(guī)律，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的理論依據(jù)。CFD的基本原理基于流體力學(xué)中的三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。質(zhì)量守恒定律表明，在一個(gè)封閉的流體系統(tǒng)中，流體的質(zhì)量不會憑空產(chǎn)生或消失，流入系統(tǒng)的質(zhì)量等于流出系統(tǒng)的質(zhì)量與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量變化之和。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0其中，\rho為流體密度，t為時(shí)間，\vec{u}為流體速度矢量。動量守恒定律描述了流體在受力作用下的運(yùn)動變化，即單位時(shí)間內(nèi)流體動量的變化等于作用在流體上的外力之和。在笛卡爾坐標(biāo)系下，動量守恒方程的表達(dá)式為：\frac{\partial(\rhou_i)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rhou_i\vec{u})=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\nabla\cdot\tau_{ij}+\rhof_i式中，u_i為速度矢量在i方向的分量（i=x,y,z），p為流體壓力，\tau_{ij}為應(yīng)力張量，f_i為單位質(zhì)量流體所受的體積力在i方向的分量。能量守恒定律則體現(xiàn)了流體系統(tǒng)內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)系，包括內(nèi)能、動能和勢能等。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial(\rhoE)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rhoE\vec{u})=-\nabla\cdot(p\vec{u})+\nabla\cdot(\vec{q}+\vec{\tau}\cdot\vec{u})+\rho\vec{f}\cdot\vec{u}其中，E為單位質(zhì)量流體的總能量，\vec{q}為熱通量矢量。在實(shí)際應(yīng)用中，這些守恒方程通常以雷諾平均N-S（Navier-Stokes）方程的形式出現(xiàn)。雷諾平均N-S方程通過對瞬時(shí)N-S方程進(jìn)行時(shí)間平均，將湍流運(yùn)動中的脈動分量與平均分量分離，從而簡化了對湍流流動的描述。然而，雷諾平均N-S方程中引入了雷諾應(yīng)力項(xiàng)，使得方程不封閉，需要借助湍流模型來求解。常見的湍流模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、可實(shí)現(xiàn)k-ε模型以及SSTk-ω模型等。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是應(yīng)用最為廣泛的湍流模型之一，它通過求解湍動能k和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程來封閉雷諾平均N-S方程。該模型具有計(jì)算效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于大多數(shù)工程湍流問題。然而，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在處理強(qiáng)旋流、大曲率流動以及近壁面流動等復(fù)雜工況時(shí)，存在一定的局限性，預(yù)測精度可能會受到影響。RNGk-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了湍流漩渦的影響，通過在ε方程中添加一個(gè)條件項(xiàng)，有效提高了對復(fù)雜流動的模擬精度。此外，RNG理論還為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)分析公式，使得該模型在更廣泛的流動范圍內(nèi)具有更高的可信度和精度。可實(shí)現(xiàn)k-ε模型則為湍流粘性增加了一個(gè)公式，并為耗散率增加了新的傳輸方程。該模型在預(yù)測平板和圓柱射流的發(fā)散比率方面表現(xiàn)更為精確，對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等復(fù)雜流動也具有較好的模擬效果。SSTk-ω模型結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，采用混合函數(shù)將近壁面區(qū)域的k-ω模型與遠(yuǎn)離壁面區(qū)域的k-ε模型進(jìn)行過渡，從而在邊界層和自由表面流動等問題中具有更好的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。該模型對湍流剪切應(yīng)力的傳輸效果進(jìn)行了修正，能夠更準(zhǔn)確地模擬流動分離和復(fù)雜二次流等現(xiàn)象。在利用CFD方法分析開式非充氣輪胎的氣動特性時(shí)，首先需要根據(jù)輪胎的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸，建立精確的幾何模型。然后，對輪胎周圍的流場進(jìn)行合理的計(jì)算域劃分，并選擇合適的網(wǎng)格類型和網(wǎng)格密度進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，因此需要采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格生成技術(shù)，確保網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確地捕捉到流場的細(xì)節(jié)特征。接著，根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)置合理的邊界條件，包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等。入口邊界條件通常給定流體的速度、溫度、壓力等參數(shù)；出口邊界條件則根據(jù)具體情況，選擇壓力出口、自由出流等方式；壁面邊界條件一般采用無滑移邊界條件，即壁面處流體的速度與壁面速度相同。在完成模型建立和邊界條件設(shè)置后，選擇合適的湍流模型和數(shù)值求解方法，對雷諾平均N-S方程進(jìn)行求解。數(shù)值求解方法包括有限差分法、有限體積法、有限元法等，不同的方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。在求解過程中，需要對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行收斂性檢查，確保計(jì)算結(jié)果的可靠性。最后，對計(jì)算得到的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析，獲取輪胎周圍的速度場、壓力場、流線分布等信息。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解輪胎在不同工況下的氣動特性，如氣動阻力、升力、力矩等，并為輪胎的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)提供依據(jù)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法相比，CFD方法具有諸多優(yōu)勢。首先，CFD方法可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬模擬，無需制造實(shí)際的輪胎模型和搭建復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，大大節(jié)省了時(shí)間和成本。其次，CFD方法能夠方便地改變各種參數(shù)，如輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)、行駛工況等，快速分析不同參數(shù)對氣動特性的影響，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。此外，CFD方法可以獲取流場內(nèi)任意位置的詳細(xì)信息，而實(shí)驗(yàn)方法往往只能測量有限個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，無法全面了解流場的分布情況。然而，CFD方法也存在一定的局限性，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于湍流模型的選擇、網(wǎng)格質(zhì)量以及邊界條件的設(shè)置等因素。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要將CFD方法與實(shí)驗(yàn)研究方法相結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以獲得更準(zhǔn)確、可靠的研究結(jié)果。3.2湍流模型的選擇與應(yīng)用在開式非充氣輪胎氣動特性的CFD模擬中，湍流模型的合理選擇至關(guān)重要，其直接關(guān)系到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。不同的湍流模型具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，需依據(jù)輪胎流場的具體特性以及研究目的來審慎抉擇。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它基于湍動能k和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程來封閉雷諾平均N-S方程。該模型的優(yōu)勢在于計(jì)算效率高，穩(wěn)定性良好，能夠?qū)Υ蠖鄶?shù)常規(guī)湍流流動進(jìn)行有效模擬。例如，在對一些簡單幾何形狀物體的繞流問題進(jìn)行模擬時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型能夠快速且準(zhǔn)確地給出流場的基本特征，如速度分布、壓力分布等。在輪胎流場模擬的早期研究中，由于其計(jì)算成本較低，常被用于初步分析輪胎周圍的氣流流動趨勢。然而，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型存在一定局限性，它基于各向同性湍流假設(shè)，在處理強(qiáng)旋流、大曲率流動以及近壁面復(fù)雜流動等情況時(shí)，模擬精度會顯著下降。例如，在模擬輪胎高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪胎表面附近的氣流會受到強(qiáng)烈的剪切作用，形成復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型難以準(zhǔn)確捕捉到這些細(xì)節(jié)，導(dǎo)致對氣動特性的預(yù)測出現(xiàn)偏差。RNGk-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。它通過重整化群理論對湍流進(jìn)行分析，在ε方程中引入了一個(gè)額外的條件項(xiàng)，這使得該模型能夠更好地考慮湍流漩渦的影響，從而在模擬強(qiáng)旋流和復(fù)雜流動時(shí)具有更高的精度。在模擬開式非充氣輪胎輪輻周圍的復(fù)雜氣流流動時(shí)，RNGk-ε模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到漩渦的生成、發(fā)展和演化過程，對輪輻附近的壓力分布和速度場的預(yù)測更為精確。此外，RNG理論還為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)分析公式，相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型使用的用戶給定常數(shù)，具有更高的可信度。但是，RNGk-ε模型在計(jì)算過程中對網(wǎng)格質(zhì)量的要求相對較高，且計(jì)算復(fù)雜度有所增加。可實(shí)現(xiàn)k-ε模型為湍流粘性增加了一個(gè)公式，并為耗散率增加了新的傳輸方程。該模型的突出優(yōu)點(diǎn)是在預(yù)測平板和圓柱射流的發(fā)散比率方面表現(xiàn)更為出色，對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等復(fù)雜流動具有良好的模擬效果。在開式非充氣輪胎的模擬中，當(dāng)輪胎在不同路面條件下行駛時(shí)，輪胎與地面之間的氣流會產(chǎn)生復(fù)雜的分離和二次流現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)k-ε模型能夠較好地模擬這些現(xiàn)象，為分析輪胎在復(fù)雜工況下的氣動特性提供了有力支持。不過，該模型在某些特殊流動條件下，可能會出現(xiàn)收斂困難的問題。SSTk-ω模型結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，采用混合函數(shù)將近壁面區(qū)域的k-ω模型與遠(yuǎn)離壁面區(qū)域的k-ε模型進(jìn)行過渡。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得SSTk-ω模型在邊界層和自由表面流動等問題中具有更好的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。在輪胎與地面接觸區(qū)域以及輪胎表面附近的邊界層流動模擬中，SSTk-ω模型能夠準(zhǔn)確地捕捉到速度梯度和湍流量的變化，對氣動阻力和升力的計(jì)算更為精確。此外，該模型對湍流剪切應(yīng)力的傳輸效果進(jìn)行了修正，能夠更有效地模擬流動分離和復(fù)雜二次流等現(xiàn)象。然而，SSTk-ω模型的計(jì)算量相對較大，對計(jì)算機(jī)硬件性能有一定要求。為了更直觀地說明湍流模型的選擇依據(jù)，以某型號開式非充氣輪胎在高速行駛工況下的流場模擬為例。在該模擬中，輪胎周圍的氣流流動呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維特性，輪輻結(jié)構(gòu)導(dǎo)致氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流和分離現(xiàn)象。通過對比不同湍流模型的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型雖然能夠給出大致的流場趨勢，但在預(yù)測輪輻附近的壓力波動和漩渦結(jié)構(gòu)時(shí)存在較大誤差；RNGk-ε模型和可實(shí)現(xiàn)k-ε模型在模擬旋流和分離流方面表現(xiàn)較好，但在邊界層區(qū)域的精度仍有待提高；而SSTk-ω模型能夠綜合考慮邊界層和復(fù)雜流動的影響，對輪胎周圍的流場細(xì)節(jié)捕捉最為準(zhǔn)確，與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的吻合度最高。因此，在該案例中，SSTk-ω模型是最為合適的選擇。在選擇湍流模型時(shí)，還需考慮計(jì)算成本和計(jì)算時(shí)間等因素。對于大規(guī)模的輪胎流場模擬，若計(jì)算時(shí)間過長或計(jì)算成本過高，可能會影響研究的效率和可行性。因此，在保證模擬精度的前提下，應(yīng)盡量選擇計(jì)算效率較高的湍流模型。同時(shí)，還可以通過優(yōu)化網(wǎng)格劃分、調(diào)整計(jì)算參數(shù)等方式來進(jìn)一步提高計(jì)算效率。例如，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，根據(jù)流場的變化自動調(diào)整網(wǎng)格密度，在關(guān)鍵區(qū)域（如輪胎表面、輪輻附近等）加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度，而在流場變化較小的區(qū)域適當(dāng)降低網(wǎng)格密度，以減少計(jì)算量。3.3數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置在運(yùn)用CFD方法對開式非充氣輪胎的氣動特性進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，邊界條件的合理設(shè)置是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。邊界條件的設(shè)置需緊密結(jié)合輪胎的實(shí)際工作狀態(tài)和流場特性，以真實(shí)地反映輪胎與周圍空氣的相互作用。速度入口邊界條件用于定義流場入口處空氣的速度。在輪胎氣動特性模擬中，通常將速度入口設(shè)置在輪胎前方一定距離處，以確保進(jìn)入計(jì)算域的空氣具有穩(wěn)定的速度分布。根據(jù)輪胎的實(shí)際行駛工況，速度入口的速度大小可設(shè)定為車輛的行駛速度。例如，當(dāng)研究輪胎在城市道路行駛工況下的氣動特性時(shí)，速度入口速度可設(shè)定為常見的城市道路行駛速度，如30-60km/h；而在研究高速公路行駛工況時(shí)，速度入口速度可設(shè)定為100-120km/h。速度方向則與輪胎的行駛方向一致，以準(zhǔn)確模擬空氣對輪胎的迎面沖擊。在設(shè)置速度入口邊界條件時(shí)，還需考慮湍流強(qiáng)度和湍流粘度比等參數(shù)。湍流強(qiáng)度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或相關(guān)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，一般在0.5%-5%之間。例如，對于一般的汽車行駛工況，湍流強(qiáng)度可設(shè)定為1%-2%。湍流粘度比則反映了湍流粘性與分子粘性的相對大小，通常在1-100之間，可根據(jù)具體的湍流模型和流場特性進(jìn)行調(diào)整。壓力出口邊界條件用于定義流場出口處的壓力。通常將壓力出口設(shè)置在輪胎后方一定距離處，以確保流出計(jì)算域的空氣壓力穩(wěn)定。在大多數(shù)情況下，壓力出口的壓力可設(shè)定為環(huán)境大氣壓力，即101325Pa。這是因?yàn)樵谳喬ズ蠓捷^遠(yuǎn)的位置，空氣流動逐漸恢復(fù)到環(huán)境狀態(tài)，壓力接近大氣壓力。然而，在一些特殊工況下，如輪胎在高速行駛或處于復(fù)雜地形環(huán)境中時(shí)，壓力出口的壓力可能需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。例如，當(dāng)輪胎在山區(qū)道路行駛時(shí)，由于海拔高度的變化，大氣壓力也會發(fā)生變化，此時(shí)壓力出口的壓力應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際大氣壓力進(jìn)行設(shè)定。在壓力出口邊界條件中，還需考慮回流的可能性。如果在模擬過程中出現(xiàn)回流現(xiàn)象，可能會影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，此時(shí)需要對壓力出口的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整出口位置、增加出口面積等，以避免回流的發(fā)生。輪胎表面和輪轂表面采用無滑移壁面邊界條件，即壁面處空氣的速度與壁面速度相同。由于輪胎在行駛過程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此輪胎表面的速度為切向速度，其大小等于輪胎的旋轉(zhuǎn)角速度與輪胎半徑的乘積。例如，當(dāng)輪胎的旋轉(zhuǎn)角速度為100rad/s，半徑為0.3m時(shí)，輪胎表面的切向速度為30m/s。輪轂表面的速度則與輪胎的旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)，通常與輪胎表面的速度相同。無滑移壁面邊界條件的設(shè)置能夠準(zhǔn)確地模擬空氣與輪胎表面的摩擦和相互作用，對于研究輪胎的氣動阻力和升力等特性具有重要意義。在設(shè)置無滑移壁面邊界條件時(shí)，還需考慮壁面的粗糙度。實(shí)際輪胎表面和輪轂表面并非完全光滑，存在一定的粗糙度，這會影響空氣與壁面之間的摩擦力和流動特性。在模擬中，可以通過設(shè)置壁面粗糙度參數(shù)來考慮這一因素。壁面粗糙度參數(shù)可根據(jù)實(shí)際輪胎的表面情況進(jìn)行測量或估算，一般在0.01-1mm之間。例如，對于普通輪胎，壁面粗糙度可設(shè)定為0.1-0.5mm。地面邊界條件的設(shè)置也至關(guān)重要。在模擬中，地面通常被視為靜止的壁面，采用無滑移壁面邊界條件。然而，在實(shí)際行駛過程中，輪胎與地面之間存在相對運(yùn)動，這種相對運(yùn)動對輪胎周圍的流場產(chǎn)生影響。為了更準(zhǔn)確地模擬這一情況，可以采用滑移壁面邊界條件，即地面的速度與輪胎的行駛速度相同，但方向相反。這樣可以模擬輪胎與地面之間的相對運(yùn)動，更真實(shí)地反映輪胎周圍的流場特性。在一些情況下，還需要考慮地面的粗糙度和不平度對輪胎氣動特性的影響。例如，在模擬輪胎在粗糙路面或不平整路面上行駛時(shí)，可以通過在地面邊界條件中設(shè)置相應(yīng)的粗糙度和不平度參數(shù)，來研究這些因素對輪胎氣動阻力、升力和噪音等特性的影響。地面粗糙度參數(shù)可根據(jù)實(shí)際路面情況進(jìn)行測量或估算，不平度參數(shù)則可通過測量路面的起伏情況來確定。此外，在數(shù)值模擬中還需考慮計(jì)算域的邊界條件。計(jì)算域的邊界應(yīng)足夠大，以避免邊界效應(yīng)的影響。通常，計(jì)算域的長度應(yīng)大于輪胎直徑的10倍，寬度和高度應(yīng)大于輪胎直徑的5倍。例如，對于直徑為0.6m的輪胎，計(jì)算域的長度可設(shè)置為6m以上，寬度和高度可設(shè)置為3m以上。在計(jì)算域的邊界上，可采用對稱邊界條件或遠(yuǎn)場邊界條件。對稱邊界條件適用于輪胎流場具有對稱性的情況，如輪胎在無風(fēng)條件下的行駛工況；遠(yuǎn)場邊界條件則適用于輪胎流場不受邊界限制的情況，如輪胎在開闊空間中的行駛工況。通過合理設(shè)置計(jì)算域的邊界條件，可以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。邊界條件的設(shè)置是開式非充氣輪胎氣動特性數(shù)值模擬中的關(guān)鍵步驟。合理設(shè)置速度入口、壓力出口、壁面邊界條件以及計(jì)算域邊界條件，能夠真實(shí)地反映輪胎與周圍空氣的相互作用，為準(zhǔn)確分析輪胎的氣動特性提供有力保障。在實(shí)際模擬過程中，需要根據(jù)具體的研究目的和工況，對邊界條件進(jìn)行細(xì)致的調(diào)整和優(yōu)化，以獲得更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。四、開式非充氣輪胎氣動特性的影響因素4.1輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響4.1.1輪輻形狀與數(shù)量輪輻作為開式非充氣輪胎的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其形狀和數(shù)量對輪胎的氣動特性有著顯著的影響。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，能夠深入探究不同輪輻形狀和數(shù)量對氣動阻力、升力的影響規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，利用專業(yè)的CFD軟件，建立包含不同輪輻形狀和數(shù)量的開式非充氣輪胎模型。以常見的V形支撐體結(jié)構(gòu)輪輻為例，通過改變V形的夾角、臂長以及輪輻的數(shù)量，模擬輪胎在不同行駛速度下的氣動性能。研究結(jié)果表明，輪輻形狀對氣動阻力有著重要影響。當(dāng)V形夾角較小時(shí)，輪輻之間的氣流通道相對狹窄，氣流速度增加，導(dǎo)致局部壓力降低，從而增大了氣動阻力。例如，在模擬速度為80km/h時(shí)，V形夾角為30°的輪胎氣動阻力比夾角為45°的輪胎高出15%左右。這是因?yàn)檩^小的夾角使得氣流在輪輻間的流動更加紊亂，能量損失增加。相反，較大的V形夾角能夠使氣流更順暢地通過輪輻區(qū)域，減少氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生，從而降低氣動阻力。輪輻數(shù)量的變化也會對氣動特性產(chǎn)生明顯影響。隨著輪輻數(shù)量的增加，輪胎表面的氣流擾動加劇，氣動阻力呈現(xiàn)上升趨勢。這是由于更多的輪輻增加了氣流與輪胎表面的摩擦面積，同時(shí)也使得氣流在輪輻之間的流動更加復(fù)雜，產(chǎn)生更多的漩渦和分離現(xiàn)象。例如，當(dāng)輪輻數(shù)量從6根增加到8根時(shí)，在相同行駛速度下，氣動阻力大約增加了10%。然而，輪輻數(shù)量的增加對升力的影響較為復(fù)雜。在一定范圍內(nèi)，增加輪輻數(shù)量可能會使升力略有增加，這是因?yàn)楦嗟妮嗇椖軌蚋淖儦饬鞯牧飨?，使氣流在輪胎上方形成一定的壓力差，從而產(chǎn)生向上的升力。但當(dāng)輪輻數(shù)量過多時(shí)，由于氣流的紊亂程度加劇，升力反而可能會下降。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置，將不同輪輻形狀和數(shù)量的開式非充氣輪胎安裝在實(shí)驗(yàn)臺上，模擬輪胎在不同風(fēng)速下的行駛狀態(tài)。通過測量輪胎表面的壓力分布以及氣流的速度和方向，分析輪輻形狀和數(shù)量對氣動特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬方法的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，為了優(yōu)化輪胎的氣動性能，需要綜合考慮輪輻形狀和數(shù)量對氣動阻力和升力的影響。對于追求高速行駛穩(wěn)定性的車輛，應(yīng)盡量選擇能夠降低升力的輪輻形狀和數(shù)量組合。例如，采用較大V形夾角且輪輻數(shù)量適中的設(shè)計(jì)，既能保證輪胎的承載能力，又能有效降低氣動阻力和升力。而對于一些對燃油經(jīng)濟(jì)性要求較高的車輛，則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注降低氣動阻力，可通過優(yōu)化輪輻形狀，減少氣流擾動，提高輪胎的空氣動力學(xué)性能。4.1.2胎面花紋設(shè)計(jì)胎面花紋作為輪胎與地面直接接觸的部分，其設(shè)計(jì)不僅關(guān)乎輪胎的抓地力、排水性等性能，還對輪胎的氣動性能產(chǎn)生重要影響。研究胎面花紋的深度、寬度和形狀如何影響輪胎的氣動性能，并給出優(yōu)化建議，對于提升開式非充氣輪胎的綜合性能具有重要意義。胎面花紋深度對氣動性能的影響較為顯著。當(dāng)花紋深度增加時(shí)，輪胎表面的氣流在花紋溝槽內(nèi)形成更為復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)。一方面，較深的花紋溝槽會增加氣流的阻力，導(dǎo)致氣動阻力增大。這是因?yàn)闅饬髟跍喜蹆?nèi)流動時(shí)，會與溝槽壁發(fā)生摩擦，產(chǎn)生能量損失。例如，在數(shù)值模擬中，當(dāng)花紋深度從5mm增加到8mm時(shí)，在相同行駛速度下，氣動阻力大約增加了8%。另一方面，花紋深度的增加可能會影響輪胎表面的壓力分布，進(jìn)而對升力產(chǎn)生影響。較深的花紋可能會使輪胎表面的壓力分布更加不均勻，導(dǎo)致升力發(fā)生變化。在某些情況下，適當(dāng)增加花紋深度可能會使升力略有減小，這對于提高車輛的高速行駛穩(wěn)定性具有一定的幫助?；y寬度同樣會對氣動性能產(chǎn)生影響。較寬的花紋塊會使輪胎表面的氣流流動更加平穩(wěn)，減少氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生，從而降低氣動阻力。這是因?yàn)閷捇y塊能夠提供更大的氣流通道，使氣流更容易通過輪胎表面。例如，將花紋寬度從10mm增加到15mm時(shí)，氣動阻力可能會降低5%左右。然而，花紋寬度的增加也可能會對輪胎的其他性能產(chǎn)生影響，如抓地力和排水性能。因此，在設(shè)計(jì)花紋寬度時(shí)，需要綜合考慮各種因素，尋求最佳的平衡點(diǎn)。胎面花紋的形狀也是影響氣動性能的關(guān)鍵因素。常見的胎面花紋形狀包括縱向花紋、橫向花紋和混合花紋等。縱向花紋能夠引導(dǎo)氣流沿輪胎滾動方向流動，減少氣流的橫向擾動，從而降低氣動阻力。橫向花紋則主要用于提高輪胎的橫向抓地力，但在一定程度上會增加氣動阻力?；旌匣y結(jié)合了縱向花紋和橫向花紋的特點(diǎn)，在保證一定抓地力的同時(shí)，盡量降低氣動阻力。例如，采用鋸齒狀的混合花紋設(shè)計(jì)，能夠在提高輪胎排水性能的同時(shí)，有效地降低氣動阻力。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與普通的直紋花紋相比，鋸齒狀混合花紋可使氣動阻力降低10%-15%。為了優(yōu)化胎面花紋設(shè)計(jì)，以降低氣動阻力和提高輪胎性能，可以從以下幾個(gè)方面入手。在花紋深度方面，應(yīng)根據(jù)輪胎的使用場景和性能需求，合理控制花紋深度。對于高速行駛的輪胎，適當(dāng)減小花紋深度，以降低氣動阻力；對于在濕滑路面行駛的輪胎，則需要保證一定的花紋深度，以確保良好的排水性能。在花紋寬度方面，要綜合考慮抓地力、排水性能和氣動性能等因素，選擇合適的花紋寬度。對于注重燃油經(jīng)濟(jì)性的輪胎，可適當(dāng)增加花紋寬度，降低氣動阻力；對于需要頻繁轉(zhuǎn)向的輪胎，則應(yīng)保證足夠的抓地力，花紋寬度不宜過大。在花紋形狀方面，可采用優(yōu)化的混合花紋設(shè)計(jì)，結(jié)合不同花紋形狀的優(yōu)點(diǎn)，提高輪胎的綜合性能。例如，在輪胎的中央部分采用縱向花紋，以降低氣動阻力；在輪胎的兩側(cè)部分采用橫向花紋，以提高橫向抓地力。此外，還可以通過對花紋進(jìn)行特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如在花紋溝槽內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流槽或凸起結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)氣流流動，進(jìn)一步降低氣動阻力。4.1.3輪胎尺寸與比例輪胎的尺寸與比例參數(shù)，如直徑、寬度等，對開式非充氣輪胎的氣動特性有著不可忽視的作用。深入探討這些尺寸參數(shù)的影響，并提供相應(yīng)的優(yōu)化策略，對于提升輪胎的氣動性能和車輛的整體性能具有重要意義。輪胎直徑的變化會對氣動特性產(chǎn)生顯著影響。隨著輪胎直徑的增大，輪胎表面的氣流速度相對增加，這是因?yàn)樵谙嗤男旭偹俣认?，直徑較大的輪胎具有更高的線速度。氣流速度的增加會導(dǎo)致氣動阻力增大，這是由于空氣與輪胎表面的摩擦加劇，能量損失增加。例如，在數(shù)值模擬中，當(dāng)輪胎直徑從20英寸增大到22英寸時(shí)，在相同行駛速度為100km/h的情況下，氣動阻力大約增加了12%。同時(shí)，輪胎直徑的增大還會影響輪胎表面的壓力分布，進(jìn)而對升力產(chǎn)生影響。一般來說，直徑較大的輪胎在高速行駛時(shí)，升力可能會略有增加。這是因?yàn)檩^大的輪胎直徑使得氣流在輪胎上方的流動更加復(fù)雜，形成了一定的壓力差，從而產(chǎn)生向上的升力。然而，升力的增加可能會對車輛的行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，特別是在高速行駛和惡劣路況下。輪胎寬度對氣動特性的影響也較為明顯。當(dāng)輪胎寬度增加時(shí)，輪胎與空氣的接觸面積增大，這會導(dǎo)致氣動阻力顯著增加。例如，將輪胎寬度從205mm增加到225mm時(shí)，在相同行駛條件下，氣動阻力可能會提高15%-20%。這是因?yàn)楦鼘挼妮喬バ枰苿痈嗟目諝猓黾恿丝諝獾淖枇?。此外，輪胎寬度的變化還會影響輪胎的滾動阻力和操控性能。較寬的輪胎通常具有更好的操控性能，但同時(shí)也會增加滾動阻力，降低車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。在升力方面，輪胎寬度的增加可能會使升力有所增加，這是由于更寬的輪胎改變了氣流的流向，使氣流在輪胎上方形成了更大的壓力差。為了優(yōu)化輪胎的尺寸與比例，以改善氣動特性，可采取以下策略。在輪胎直徑方面，應(yīng)根據(jù)車輛的類型和使用場景，合理選擇輪胎直徑。對于追求高速行駛穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性的車輛，可適當(dāng)減小輪胎直徑，以降低氣動阻力和升力。例如，對于城市通勤車輛，選擇較小直徑的輪胎可以在保證舒適性的前提下，降低能耗。而對于一些高性能車輛，雖然需要較大直徑的輪胎來提升操控性能，但也應(yīng)在設(shè)計(jì)上盡量優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)，以減少直徑增大帶來的氣動性能損失。在輪胎寬度方面，要綜合考慮車輛的性能需求和氣動特性。對于注重燃油經(jīng)濟(jì)性的車輛，應(yīng)選擇較窄的輪胎，以降低氣動阻力和滾動阻力。例如，小型經(jīng)濟(jì)型轎車通常采用較窄的輪胎，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。對于需要良好操控性能的車輛，如跑車和SUV，則可以適當(dāng)增加輪胎寬度，但同時(shí)要通過優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)和花紋設(shè)計(jì)，來減小寬度增加對氣動性能的負(fù)面影響。此外，還可以考慮輪胎的高寬比等比例參數(shù)對氣動特性的影響。高寬比是指輪胎斷面高度與斷面寬度的比值，它會影響輪胎的形狀和空氣動力學(xué)性能。較低的高寬比通常會使輪胎更加扁平，這種形狀能夠使氣流更順暢地流過輪胎表面，減少氣流的分離和漩渦，從而降低氣動阻力。例如，采用低扁平比輪胎的車輛在高速行駛時(shí)，氣動阻力相對較小，燃油經(jīng)濟(jì)性更好。然而，低扁平比輪胎也可能會對車輛的舒適性和通過性產(chǎn)生一定影響，因此在選擇高寬比時(shí)，需要綜合考慮各種因素。4.2行駛工況的影響4.2.1行駛速度行駛速度是影響開式非充氣輪胎氣動特性的關(guān)鍵因素之一。隨著行駛速度的增加，輪胎周圍的氣流速度顯著增大，這使得輪胎與空氣之間的相互作用更加劇烈，從而導(dǎo)致氣動阻力和升力發(fā)生明顯變化。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，氣動阻力與行駛速度之間存在著密切的關(guān)系。在低速行駛時(shí)，氣動阻力主要由輪胎表面與空氣的摩擦阻力以及氣流在輪胎表面的分離阻力組成。隨著速度的逐漸增加，氣流的慣性力增大，空氣在輪胎表面的流動更加復(fù)雜，分離現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致分離阻力迅速增大。同時(shí)，摩擦阻力也會隨著速度的增加而有所增加。例如，當(dāng)行駛速度從30km/h提高到60km/h時(shí)，通過CFD模擬計(jì)算得到，某型號開式非充氣輪胎的氣動阻力增大了約35%。進(jìn)一步提高速度至90km/h，氣動阻力相比60km/h時(shí)又增加了約40%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一趨勢，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，對相同型號的輪胎進(jìn)行測試，當(dāng)速度從30km/h提升至90km/h時(shí)，氣動阻力呈現(xiàn)出類似的增長趨勢，且與模擬結(jié)果具有較好的一致性。研究還表明，氣動阻力與行駛速度的平方成正比。這一關(guān)系可以通過以下公式表示：F_d=\frac{1}{2}\rhov^2C_dA其中，F(xiàn)_d為氣動阻力，\rho為空氣密度，v為行駛速度，C_d為氣動阻力系數(shù)，A為輪胎的迎風(fēng)面積。從公式中可以看出，行駛速度對氣動阻力的影響非常顯著，速度的微小變化都會導(dǎo)致氣動阻力的大幅改變。在升力方面，行駛速度的增加同樣會對其產(chǎn)生重要影響。隨著速度的提高，輪胎上方的氣流流速加快，根據(jù)伯努利原理，流速快的地方壓力低，因此輪胎上方的壓力低于下方的壓力，從而產(chǎn)生向上的升力。在高速行駛時(shí)，升力的增加可能會導(dǎo)致輪胎與地面的附著力減小，影響車輛的操控穩(wěn)定性。例如，當(dāng)行駛速度達(dá)到120km/h時(shí)，某開式非充氣輪胎的升力相比60km/h時(shí)增加了約60%。這可能會使車輛在高速行駛時(shí)出現(xiàn)發(fā)飄的感覺，降低了行駛安全性。為了應(yīng)對行駛速度對氣動特性的影響，在輪胎設(shè)計(jì)階段，可以采取一系列優(yōu)化措施。例如，通過優(yōu)化輪胎的外形設(shè)計(jì)，使其更加符合空氣動力學(xué)原理，減少氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生，從而降低氣動阻力。在輪胎表面采用特殊的涂層或紋理設(shè)計(jì)，減小空氣與輪胎表面的摩擦系數(shù)，也有助于降低氣動阻力。對于升力的控制，可以通過調(diào)整輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如輪輻的形狀和排列方式，改變氣流在輪胎上方的流動狀態(tài)，從而減小升力。此外，在車輛行駛過程中，合理控制行駛速度，避免高速行駛時(shí)因氣動特性變化而帶來的安全隱患。4.2.2路面條件路面條件作為影響開式非充氣輪胎氣動性能的重要因素，涵蓋了路面粗糙度、坡度等多個(gè)方面，這些因素相互作用，顯著改變輪胎周圍的氣流特性，進(jìn)而對輪胎的氣動阻力、升力等性能產(chǎn)生影響。路面粗糙度對輪胎氣動性能的影響較為復(fù)雜。當(dāng)輪胎在粗糙路面行駛時(shí)，路面的凹凸不平會導(dǎo)致輪胎與空氣的相互作用加劇。一方面，粗糙路面會使輪胎表面的氣流產(chǎn)生更多的擾動和漩渦，增加了氣流的能量損失，從而導(dǎo)致氣動阻力增大。研究表明，在相同行駛速度下，輪胎在粗糙路面行駛時(shí)的氣動阻力比在光滑路面行駛時(shí)高出10%-20%。另一方面，路面粗糙度還會影響輪胎表面的壓力分布，進(jìn)而對升力產(chǎn)生影響。粗糙路面可能會使輪胎表面的壓力分布更加不均勻，導(dǎo)致升力發(fā)生變化。在某些情況下，粗糙路面可能會使升力略有增加，這對于車輛的行駛穩(wěn)定性可能會產(chǎn)生不利影響。坡度對輪胎氣動性能的影響同樣不容忽視。當(dāng)車輛在爬坡時(shí)，輪胎需要克服重力沿坡度方向的分力，這會導(dǎo)致輪胎的負(fù)荷增加，從而使輪胎與空氣的相互作用發(fā)生變化。在爬坡過程中，輪胎的氣動阻力會顯著增大。這是因?yàn)檩喬バ枰母嗟哪芰縼硗苿榆囕v前進(jìn)，同時(shí)，輪胎與地面的摩擦力也會增大，導(dǎo)致輪胎表面的氣流速度和壓力分布發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛在坡度為10%的路面上行駛時(shí)，輪胎的氣動阻力相比在平路上行駛時(shí)增加了15%-25%。此外，坡度還會影響輪胎的升力。在爬坡時(shí)，由于車輛重心的變化以及輪胎與地面的角度改變，輪胎的升力可能會減小，這有助于提高車輛在爬坡時(shí)的穩(wěn)定性。相反，當(dāng)車輛下坡時(shí)，輪胎的氣動阻力會減小，升力可能會增加，這需要駕駛員更加謹(jǐn)慎地控制車輛。針對不同路面條件對輪胎氣動性能的影響，可以采取相應(yīng)的應(yīng)對策略。在輪胎設(shè)計(jì)方面，對于經(jīng)常在粗糙路面行駛的車輛，可以優(yōu)化輪胎的花紋設(shè)計(jì)，增加花紋的深度和寬度，提高輪胎的排水性能和抓地力，同時(shí)通過改進(jìn)輪胎的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)輪胎的抗磨損能力，以減少路面粗糙度對輪胎氣動性能的影響。在輪胎材料選擇上，可以采用具有良好耐磨性和抗沖擊性的材料，降低路面粗糙度對輪胎的損害。對于不同坡度的行駛工況，可以通過調(diào)整車輛的懸掛系統(tǒng)和輪胎的氣壓，優(yōu)化輪胎與地面的接觸狀態(tài)，從而減小坡度對輪胎氣動性能的影響。在車輛行駛過程中，駕駛員應(yīng)根據(jù)路面條件合理調(diào)整行駛速度和駕駛方式。在粗糙路面行駛時(shí)，適當(dāng)降低車速，避免急加速和急剎車，以減少輪胎與地面的沖擊和摩擦，降低氣動阻力。在爬坡和下坡時(shí)，合理控制車速，利用發(fā)動機(jī)的制動作用，避免輪胎承受過大的負(fù)荷，確保車輛的行駛安全和穩(wěn)定性。五、開式非充氣輪胎的噪音產(chǎn)生機(jī)理5.1氣動噪聲的形成機(jī)制當(dāng)開式非充氣輪胎在高速行駛時(shí)，輪胎與周圍空氣會發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生氣動噪聲，其形成過程涉及多個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象。在輪胎高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪胎表面與空氣之間存在相對運(yùn)動，這會導(dǎo)致空氣在輪胎表面形成邊界層。邊界層內(nèi)的空氣流速從輪胎表面的零速度逐漸增加到外部自由流的速度。由于輪胎表面的粗糙度以及氣流的粘性作用，邊界層內(nèi)的氣流會發(fā)生湍流現(xiàn)象。湍流是一種高度不規(guī)則的流動狀態(tài)，其中包含了各種尺度的漩渦結(jié)構(gòu)。這些漩渦在生成、發(fā)展和破碎的過程中，會引起周圍空氣的壓力和速度波動。當(dāng)這些波動的頻率處于人耳可聽范圍內(nèi)時(shí)，就會形成氣動噪聲。輪胎的花紋設(shè)計(jì)也是影響氣動噪聲產(chǎn)生的重要因素。開式非充氣輪胎的胎面通常具有各種形狀和尺寸的花紋。在輪胎滾動過程中，花紋溝內(nèi)的空氣會受到周期性的擠壓和釋放。當(dāng)輪胎花紋塊與地面接觸時(shí)，花紋溝內(nèi)的空氣被迅速擠壓排出，形成高速氣流；而當(dāng)花紋塊離開地面時(shí)，空氣又會迅速填充回花紋溝。這種空氣的周期性流動會產(chǎn)生類似于泵氣的效應(yīng)，形成中高頻的噪聲。對于常見的齒形花紋輪胎，當(dāng)胎面花紋節(jié)距相同時(shí)，空氣擾動噪聲的頻率可由公式f=(v*n)/(3.6*2*??*R)計(jì)算，其中v為汽車行駛速度（km/h），R為輪胎的滾動半徑（m），n為輪胎圓周上的花紋槽數(shù)。從公式可以看出，行駛速度越高，噪聲頻率也越高。此外，花紋溝的形狀、深度和寬度等參數(shù)也會影響空氣的流動特性，從而對氣動噪聲的強(qiáng)度和頻率分布產(chǎn)生影響。較深和較寬的花紋溝可能會使空氣在其中的流動更加復(fù)雜，增加噪聲的產(chǎn)生。輪胎的輪輻結(jié)構(gòu)同樣對氣動噪聲有著顯著影響。開式非充氣輪胎的輪輻通常具有開放的結(jié)構(gòu)，當(dāng)高速氣流經(jīng)過輪輻之間的開放腔體時(shí)，會引發(fā)復(fù)雜的空氣動力學(xué)現(xiàn)象。輪輻的存在會改變氣流的流向和速度分布，導(dǎo)致氣流在輪輻周圍產(chǎn)生分離和再附著現(xiàn)象。在氣流分離區(qū)域，會形成低壓區(qū)，而在再附著區(qū)域，氣流會發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊和混合，這些過程都會產(chǎn)生壓力波動，進(jìn)而輻射出氣動噪聲。不同形狀和數(shù)量的輪輻會導(dǎo)致氣流的分離和再附著特性不同，從而產(chǎn)生不同強(qiáng)度和頻率的噪聲。例如，輪輻數(shù)量較多時(shí)，氣流受到的擾動更加頻繁，可能會導(dǎo)致噪聲強(qiáng)度增加。此外，輪輻的表面粗糙度以及與輪胎其他部件的連接方式等因素，也會對氣動噪聲的產(chǎn)生產(chǎn)生影響。行駛速度是影響氣動噪聲的關(guān)鍵因素之一。隨著行駛速度的增加，輪胎周圍的氣流速度也隨之增大。根據(jù)流體力學(xué)原理，氣流速度的增加會導(dǎo)致空氣與輪胎表面的摩擦加劇，同時(shí)也會使氣流中的漩渦強(qiáng)度和數(shù)量增加。這些因素都會導(dǎo)致氣動噪聲的強(qiáng)度顯著增大。研究表明，氣動噪聲的強(qiáng)度與行駛速度的冪次方成正比，通常速度每增加一倍，噪聲強(qiáng)度會增加6-10dB。這是因?yàn)樗俣仍黾訒r(shí)，空氣的動能增大，在與輪胎相互作用過程中，能量的轉(zhuǎn)換和耗散更加劇烈，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的噪聲。路面條件對輪胎氣動噪聲也有一定影響。當(dāng)輪胎在粗糙路面行駛時(shí)，路面的凹凸不平會使輪胎表面的氣流產(chǎn)生更多的擾動。這些擾動會引發(fā)額外的漩渦生成和壓力波動，從而增加氣動噪聲的強(qiáng)度。此外，不同類型的路面（如瀝青路面、水泥路面等）對輪胎氣動噪聲的影響也有所不同。例如，在水泥路面上行駛時(shí)，由于路面的剛性較大，輪胎與路面的接觸更加劇烈，可能會導(dǎo)致氣動噪聲的頻率分布發(fā)生變化，高頻噪聲成分相對增加。綜上所述，開式非充氣輪胎的氣動噪聲是由輪胎與空氣的相互作用、花紋設(shè)計(jì)、輪輻結(jié)構(gòu)、行駛速度以及路面條件等多種因素共同作用產(chǎn)生的。深入理解這些因素對氣動噪聲的影響機(jī)制，對于開發(fā)有效的噪音控制方法具有重要意義。5.2結(jié)構(gòu)振動噪聲的來源輪胎結(jié)構(gòu)振動噪聲的產(chǎn)生與輪胎的設(shè)計(jì)、制造以及行駛工況密切相關(guān)，主要由以下幾個(gè)方面的因素引發(fā)。輪胎的不均勻性是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動噪聲產(chǎn)生的重要原因之一。在輪胎的制造過程中，由于材料分布的不均勻、工藝誤差等因素，使得輪胎的質(zhì)量、剛度等特性在圓周方向上存在差異。當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些不均勻性會導(dǎo)致輪胎受到周期性的激勵(lì)力，從而引發(fā)振動。例如，輪胎的胎面厚度不一致，在輪胎滾動過程中，較厚的部分會產(chǎn)生更大的慣性力，導(dǎo)致輪胎的振動加劇。此外，輪胎內(nèi)部的簾線分布不均勻也會影響輪胎的剛度分布，進(jìn)而引發(fā)振動。這些振動通過輪胎與車輛的連接部件傳遞到車身，最終輻射出噪聲。路面不平度同樣是激發(fā)輪胎結(jié)構(gòu)振動噪聲的關(guān)鍵因素。當(dāng)輪胎行駛在不平整的路面上時(shí)，路面的凸起和凹陷會對輪胎產(chǎn)生沖擊作用。這種沖擊作用會使輪胎產(chǎn)生變形，輪胎在變形和恢復(fù)的過程中會產(chǎn)生振動。路面不平度的波長和幅值不同，對輪胎的激勵(lì)頻率和強(qiáng)度也會不同。較短波長的路面不平度會產(chǎn)生高頻激勵(lì)，使輪胎產(chǎn)生高頻振動，進(jìn)而輻射出高頻噪聲；而較長波長的路面不平度則會產(chǎn)生低頻激勵(lì)，導(dǎo)致輪胎產(chǎn)生低頻振動和噪聲。在實(shí)際行駛中，車輛經(jīng)過減速帶、坑洼路面時(shí)，輪胎會受到強(qiáng)烈的沖擊，產(chǎn)生明顯的振動噪聲。輪胎的不平衡也是引發(fā)結(jié)構(gòu)振動噪聲的一個(gè)重要原因。輪胎不平衡是指輪胎在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其重心與旋轉(zhuǎn)中心不重合。這種不平衡會導(dǎo)致輪胎在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，離心力的大小和方向會隨著輪胎的旋轉(zhuǎn)而周期性變化。當(dāng)離心力的頻率與輪胎的固有頻率接近時(shí)，會引發(fā)共振現(xiàn)象，使輪胎的振動幅度急劇增大。共振產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動不僅會影響輪胎的使用壽命，還會通過車身傳遞到車內(nèi)，產(chǎn)生較大的噪聲。輪胎在生產(chǎn)過程中由于質(zhì)量分布不均勻，或者在使用過程中輪胎局部磨損、修補(bǔ)不當(dāng)?shù)?，都可能?dǎo)致輪胎不平衡。輪胎的胎面花紋剛度變化也會對結(jié)構(gòu)振動噪聲產(chǎn)生影響。輪胎胎面花紋的剛度在不同部位和不同方向上存在差異。在輪胎滾動過程中，花紋塊與地面接觸時(shí)，會受到地面的摩擦力和壓力作用。由于花紋剛度的變化，花紋塊在受力時(shí)的變形程度不同，這會導(dǎo)致花紋塊產(chǎn)生振動。不同形狀和結(jié)構(gòu)的花紋，其剛度變化規(guī)律也不同，因此產(chǎn)生的振動噪聲特性也有所差異。例如，塊狀花紋的輪胎在行駛過程中，花紋塊之間的剛度變化較大，容易產(chǎn)生高頻振動噪聲；而連續(xù)花紋的輪胎，花紋塊之間的剛度變化相對較小，噪聲相對較低。輪胎的徑向振動是結(jié)構(gòu)振動噪聲的主要振動形式之一，其振動頻率一般在200Hz以下。徑向振動主要是由于輪胎在垂直方向上受到的力的作用而產(chǎn)生的，如路面不平度的沖擊、車輛的重量等。周向振動則主要影響高頻噪聲，周向振動是由于輪胎在旋轉(zhuǎn)過程中，受到切向力的作用而產(chǎn)生的，如車輛的加速、減速、轉(zhuǎn)向等操作。綜上所述，輪胎結(jié)構(gòu)振動噪聲是由輪胎的不均勻性、路面不平度、輪胎不平衡以及胎面花紋剛度變化等多種因素共同作用產(chǎn)生的。深入了解這些噪聲來源，對于采取有效的降噪措施具有重要意義。5.3噪音的傳播途徑與特性開式非充氣輪胎產(chǎn)生的噪音會通過不同的途徑傳播，并且在傳播過程中表現(xiàn)出特定的頻率和強(qiáng)度特性。了解這些傳播途徑與特性，對于制定有效的噪音控制策略至關(guān)重要。在車內(nèi)，輪胎噪音主要通過結(jié)構(gòu)傳播和空氣傳播兩種方式傳入。結(jié)構(gòu)傳播是指輪胎振動產(chǎn)生的噪聲通過輪胎與車輛的連接部件，如輪轂、懸掛系統(tǒng)等，傳遞到車身結(jié)構(gòu)，再通過車身的振動將噪聲輻射到車內(nèi)空間。在車輛行駛過程中，輪胎的徑向振動和周向振動會引起輪轂的振動，這種振動通過懸掛系統(tǒng)傳遞到車身底盤，進(jìn)而導(dǎo)致車內(nèi)地板和座椅等部件的振動，產(chǎn)生噪聲。由于結(jié)構(gòu)傳播的噪聲與車身結(jié)構(gòu)的固有頻率密切相關(guān)，當(dāng)輪胎振動頻率與車身結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，會發(fā)生共振現(xiàn)象，使噪聲明顯增大。一般來說，低頻噪聲更容易通過結(jié)構(gòu)傳播，因?yàn)榈皖l振動在結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)能量損失較小，能夠更有效地傳遞到車內(nèi)。例如，輪胎的徑向振動噪聲頻率一般在200Hz以下，這些低頻噪聲通過結(jié)構(gòu)傳播進(jìn)入車內(nèi)后，會使人感受到明顯的低頻轟鳴聲，影響乘坐舒適性。空氣傳播則是輪胎噪聲直接通過空氣介質(zhì)傳播到車內(nèi)。輪胎在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，與空氣相互作用產(chǎn)生的氣動噪聲會以聲波的形式向周圍空間傳播，其中一部分聲波會通過車門、車窗、車身縫隙等部位傳入車內(nèi)?？諝鈧鞑サ脑肼曨l率范圍較廣，涵蓋了中高頻段。例如，輪胎花紋與空氣摩擦產(chǎn)生的泵氣噪聲，頻率一般在300Hz以上，這些中高頻噪聲通過空氣傳播進(jìn)入車內(nèi)，會給人帶來尖銳、刺耳的感覺。車內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境對空氣傳播噪聲的影響較大，車內(nèi)的內(nèi)飾材料、空間布局等都會影響噪聲的反射、吸收和傳播。例如，車內(nèi)采用吸音材料較多的內(nèi)飾，可以有效地吸收部分空氣傳播的噪聲，降低車內(nèi)噪聲水平。在車外，輪胎噪音主要以空氣傳播的方式向外擴(kuò)散。輪胎與地面接觸以及與空氣相互作用產(chǎn)生的噪聲，會在周圍空氣中形成聲波，向四周傳播。車外的噪聲傳播特性與周圍環(huán)境密切相關(guān)。在空曠的環(huán)境中，噪聲傳播相對自由，聲波會向各個(gè)方向均勻擴(kuò)散，隨著距離的增加，噪聲強(qiáng)度會逐漸衰減。根據(jù)聲波傳播的平方反比定律，噪聲強(qiáng)度與距離的平方成反比，即距離增加一倍，噪聲強(qiáng)度會降低6dB。在城市街道等復(fù)雜環(huán)境中，建筑物、障礙物等會對噪聲傳播產(chǎn)生反射、散射和衍射等作用，使噪聲傳播變得更加復(fù)雜。建筑物的反射會使噪聲在一定區(qū)域內(nèi)形成疊加，導(dǎo)致噪聲強(qiáng)度增加；而障礙物的阻擋則會使噪聲在某些區(qū)域形成聲影區(qū)，噪聲強(qiáng)度明顯降低。此外，風(fēng)的存在也會對車外噪聲傳播產(chǎn)生影響，風(fēng)會使聲波發(fā)生折射和散射，改變噪聲的傳播方向和強(qiáng)度。輪胎噪音在不同傳播途徑下具有不同的頻率和強(qiáng)度特性。從頻率特性來看，結(jié)構(gòu)傳播的噪聲以低頻為主，主要是由于輪胎的低頻振動在結(jié)構(gòu)中傳播較為容易。而空氣傳播的噪聲則包含了較寬的頻率范圍，既有中高頻的氣動噪聲，也有部分低頻噪聲。在強(qiáng)度方面，隨著行駛速度的增加，輪胎噪音的強(qiáng)度會顯著增大。當(dāng)行駛速度從60km/h提高到100km/h時(shí)，車內(nèi)和車外的輪胎噪聲強(qiáng)度可能會增加10-15dB。這是因?yàn)樗俣仍黾訒馆喬ヅc空氣的相互作用更加劇烈，氣動噪聲和結(jié)構(gòu)振動噪聲都會增強(qiáng)。路面條件也會對噪聲強(qiáng)度產(chǎn)生影響，在粗糙路面上行駛時(shí)，輪胎噪聲強(qiáng)度通常比在光滑路面上高出5-10dB。這是由于粗糙路面會使輪胎受到更多的沖擊和振動，從而激發(fā)更強(qiáng)的噪聲。六、噪音控制方法研究6.1基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的降噪策略6.1.1輪輻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)輪輻結(jié)構(gòu)在開式非充氣輪胎中，是影響噪音產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一。通過改變輪輻的剛度與阻尼，可以有效降低輪胎在行駛過程中的振動和噪聲。在剛度方面，采用新型材料或優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀來調(diào)整輪輻的剛度。例如，使用高強(qiáng)度、低密度的碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料，不僅能減輕輪胎的整體重量，還能提高輪輻的剛度。研究表明，當(dāng)輪輻采用碳纖維復(fù)合材料時(shí)，其剛度相比傳統(tǒng)金屬材料提高了30%-50%。在相同的行駛工況下，輪胎的振動幅度明顯減小，從而降低了因振動產(chǎn)生的噪聲。通過優(yōu)化輪輻的截面形狀，如采用工字形或空心圓形截面，也能提高輪輻的剛度。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，將輪輻截面從矩形改為工字形后，在高速行駛時(shí)，輪胎的振動加速度降低了15%-20%，相應(yīng)的噪聲也有所降低。在阻尼方面，可在輪輻材料中添加阻尼材料或采用阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種有效的方法是在輪輻表面粘貼阻尼片，阻尼片能夠吸收振動能量，將其轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去，從而減小輪輻的振動幅度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輪輻表面粘貼阻尼片后，輪胎的振動噪聲在中高頻段降低了5-8dB。采用阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如在輪輻內(nèi)部設(shè)置阻尼腔，通過腔內(nèi)流體的流動來消耗振動能量。這種設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中，可使輪胎的振動噪聲在低頻段降低3-5dB。除了改變剛度和阻尼，優(yōu)化輪輻的數(shù)量和排列方式也是降低噪聲的重要手段。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)減少輪輻數(shù)量，可以降低氣流在輪輻間的擾動，從而減少氣動噪聲的產(chǎn)生。當(dāng)輪輻數(shù)量從8根減少到6根時(shí)，在相同行駛速度下，氣動噪聲降低了3-5dB。然而，輪輻數(shù)量的減少不能過度，否則會影響輪胎的承載能力和穩(wěn)定性。在輪輻排列方式上，采用交錯(cuò)排列或?qū)ΨQ排列的方式，能夠使氣流更均勻地流過輪輻區(qū)域，減少氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生，進(jìn)而降低噪聲。例如，將輪輻從平行排列改為交錯(cuò)排列后，在高速行駛時(shí)，輪胎的氣動噪聲降低了約4dB。6.1.2胎面材料的選擇與優(yōu)化胎面材料對開式非充氣輪胎的降噪效果有著重要影響，不同的胎面材料在降噪性能上存在顯著差異。天然橡膠是一種常用的胎面材料，具有良好的彈性和耐磨性。在降噪方面，天然橡膠能夠在一定程度上吸收輪胎與地面接觸時(shí)產(chǎn)生的振動能量，從而降低噪聲。研究表明，采用天然橡膠作為胎面材料的輪胎，在中低頻噪聲段具有較好的降噪效果。然而，天然橡膠的阻尼性能相對較低，對于高頻噪聲的抑制效果有限。合成橡膠，如丁苯橡膠、順丁橡膠等，具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，且在某些性能上可以通過配方調(diào)整來優(yōu)化。在降噪性能上，通過優(yōu)化合成橡膠的配方，添加特殊的添加劑，可以提高其阻尼性能，從而增強(qiáng)對高頻噪聲的抑制能力。例如，在丁苯橡膠中添加適量的炭黑和增塑劑，能夠改善橡膠的阻尼性能，使輪胎在高頻段的噪聲降低3-5dB。新型材料，如聚氨酯、硅橡膠等，近年來在輪胎領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注。聚氨酯材料具有優(yōu)異的阻尼性能和耐磨性，能夠有效地降低輪胎的噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用聚氨酯材料作為胎面的輪胎，相比傳統(tǒng)橡膠輪胎，在全頻段的噪聲都有明顯降低，其中在中高頻段的降噪效果尤為顯著，可降低8-10dB。硅橡膠則具有良好的耐高溫性能和低滾動阻力，同時(shí)在降噪方面也有出色的表現(xiàn)。由于硅橡膠的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它能夠有效地吸收和衰減振動能量，減少噪聲的產(chǎn)生。除了選擇合適的胎面材料，優(yōu)化材料配方也是提高降噪效果的關(guān)鍵。通過調(diào)整橡膠材料中各種添加劑的比例，如炭黑、增塑劑、硫化劑等，可以改變材料的物理性能，進(jìn)而影響輪胎的降噪性能。增加炭黑的含量可以提高橡膠的硬度和耐磨性，但同時(shí)也會增加橡膠的剛度，可能導(dǎo)致噪聲增大。因此，需要在提高耐磨性和降低噪聲之間尋找平衡。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炭黑含量控制在一定范圍內(nèi)，如30%-40%時(shí)，輪胎既能保持較好的耐磨性，又能在噪聲控制方面表現(xiàn)出較好的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以將不同的胎面材料進(jìn)行復(fù)合使用，充分發(fā)揮各材料的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高降噪效果。將天然橡膠與聚氨酯材料復(fù)合，在輪胎的外層使用聚氨酯材料，利用其優(yōu)異的阻尼性能降低噪聲，而內(nèi)層使用天然橡膠，保證輪胎的彈性和耐磨性。這種復(fù)合胎面材料在實(shí)際測試中，相比單一材料的胎面，噪聲降低了5-8dB。6.2主動降噪技術(shù)的應(yīng)用6.2.1主動噪聲控制原理主動降噪技術(shù)在開式非充氣輪胎中的應(yīng)用，基于聲波干涉原理，通過產(chǎn)生與輪胎噪聲大小相等、相位相反的反相聲波，實(shí)現(xiàn)兩者的相互抵消，從而有效降低噪聲。在輪胎旋轉(zhuǎn)過程中，輪胎與空氣的相互作用以及路面的激勵(lì)會產(chǎn)生復(fù)雜的噪聲，這些噪聲包含了不同頻率和幅值的聲波成分。主動降噪系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎噪聲的特性，包括噪聲的頻率、幅值和相位等信息。傳感器將采集到的噪聲信號傳輸給控制器，控制器利用先進(jìn)的算法對信號進(jìn)行分析和處理，計(jì)算出與原始噪聲信號相位相反的控制信號。然后，通過揚(yáng)聲器或其他發(fā)聲裝置將控制信號轉(zhuǎn)換為反相聲波，并將其輻射到輪胎周圍的空間中。當(dāng)反相聲波與原始噪聲波相遇時(shí)，根據(jù)聲波干涉原理，兩列波的波峰與波谷相互疊加，使得合成波的幅值減小，從而達(dá)到降低噪聲的目的。以某一特定頻率的噪聲為例，假設(shè)輪胎產(chǎn)生的噪聲信號可以表示為y(t)=A\sin(\omegat+\varphi)，其中A為噪聲的幅值，\omega為角頻率，\varphi為相位。主動降噪系統(tǒng)通過傳感器采集到該噪聲信號后，控制器根據(jù)算法計(jì)算出反相聲波信號y_{c}(t)=A\sin(\omegat+\varphi+\pi)，其中\(zhòng)pi表示相位相差180度。當(dāng)這兩個(gè)信號在空間中相遇時(shí)，合成信號y_{total}(t)=y(t)+y_{c}(t)=A\sin(\omegat+\varphi)+A\sin(\omegat+\varphi+\pi)=0，從而實(shí)現(xiàn)了該頻率噪聲的完全抵消。在實(shí)際應(yīng)用中，輪胎噪聲是一個(gè)包含多個(gè)頻率成分的復(fù)雜信號，主動降噪系統(tǒng)需要對不同頻率的噪聲分別進(jìn)行監(jiān)測和處理，以實(shí)現(xiàn)全頻段的降噪效果。這就要求控制器具備強(qiáng)大的信號處理能力和快速的響應(yīng)速度，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤噪聲的變化，并及時(shí)調(diào)整反相聲波的參數(shù)。此外，為了確保反相聲波能夠準(zhǔn)確地與原始噪聲波相互抵消，還需要合理布置揚(yáng)聲器的位置，使其發(fā)出的反相聲波能夠在噪聲傳播的關(guān)鍵區(qū)域與原始噪聲充分干涉。主動降噪技術(shù)在開式非充氣輪胎中的應(yīng)用原理是基于聲波干涉的基本理論，通過精確的噪聲監(jiān)測、信號處理和反相聲波生成，實(shí)現(xiàn)對輪胎噪聲的有效控制。這種技術(shù)為解決輪胎噪聲問題提供了一種創(chuàng)新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。6.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主動降噪系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)降噪功能的基礎(chǔ)，主要包括傳感器、控制器和揚(yáng)聲器等關(guān)鍵部件的選擇與布局。傳感器作為主動降噪系統(tǒng)的“感知器官”，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集輪胎噪聲信號。在選擇傳感器時(shí)，需要綜合考慮其靈敏度、頻率響應(yīng)范圍和可靠性等因素。對于開式非充氣輪胎的主動降噪系統(tǒng)，通常選用高靈敏度的麥克風(fēng)作為傳感器。這些麥克風(fēng)能夠準(zhǔn)確地捕捉到輪胎在不同工況下產(chǎn)生的噪聲信號，其靈敏度一般在-40dBV/Pa至-50dBV/Pa之間，能夠滿足對微弱噪聲信號的檢測需求。麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋輪胎噪聲的主要頻率范圍，一般為20Hz至20kHz，以確保能夠全面采集噪聲信號。此外，為了提高傳感器的可靠性，還需要考慮其抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性。例如，采用具有抗電磁干擾功能的麥克風(fēng)，能夠有效避免車輛電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾對噪聲信號采集的影響。在傳感器的布局方面，通常在輪胎周圍均勻布置多個(gè)麥克風(fēng)，以獲取更全面的噪聲信息。一般在輪胎的胎面、輪輻和輪轂等位置分別布置麥克風(fēng)，這樣可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測輪胎不同部位產(chǎn)生的噪聲。同時(shí)，通過合理設(shè)置麥克風(fēng)的位置和角度，能夠減少噪聲信號之間的相互干擾，提高信號采集的準(zhǔn)確性?？刂破魇侵鲃咏翟胂到y(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對傳感器采集到的噪聲信號進(jìn)行處理和分析，并生成相應(yīng)的控制信號。在控制器的選擇上，通常采用數(shù)字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）。DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力和高速運(yùn)算速度，能夠快速準(zhǔn)確地對噪聲信號進(jìn)行分析和處理。例如，德州儀器（TI）的TMS320系列DSP，其運(yùn)算速度可達(dá)數(shù)百兆赫茲，能夠滿足主動降噪系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。MCU則具有成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，適用于一些對成本和功耗要求較高的應(yīng)用場景。在控制器的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)降噪算法的要求，合理配置硬件資源，如內(nèi)存、處理器內(nèi)核等。還需要考慮控制器與傳感器和揚(yáng)聲器之間的通信接口，確保數(shù)據(jù)的快速傳輸和穩(wěn)定通信。例如，采用SPI（串行外設(shè)接口）或I2C（集成電路總線）等通信接口，實(shí)現(xiàn)控制器與傳感器和揚(yáng)聲器之間的數(shù)據(jù)交互。揚(yáng)聲器是主動降噪系統(tǒng)的執(zhí)行部件，負(fù)責(zé)將控制器生成的控制信號轉(zhuǎn)換為反相聲波，并輻射到輪胎周圍的空間中。在揚(yáng)聲器的選擇上，需要考慮其功率、頻率響應(yīng)和指向性等因素。揚(yáng)聲器的功率應(yīng)根據(jù)降噪需求和噪聲環(huán)境進(jìn)行合理選擇，一般在幾瓦至幾十瓦之間。其頻率響應(yīng)范圍應(yīng)與輪胎噪聲的頻率范圍相匹配，以確保能夠有效地產(chǎn)生反相聲波。揚(yáng)聲器的指向性也很重要，需要根據(jù)輪胎周圍的噪聲分布情況，選擇具有合適指向性的揚(yáng)聲器，使反相聲波能夠準(zhǔn)確地傳播到噪聲源附近，實(shí)現(xiàn)最佳的降噪效果。在揚(yáng)聲器的布局方面，需要根據(jù)輪胎的結(jié)構(gòu)和噪聲傳播特性，合理確定揚(yáng)聲器的位置和角度。通常將揚(yáng)聲器安裝在輪胎內(nèi)部或靠近輪胎的位置，如輪轂內(nèi)側(cè)或輪輻之間。這樣可以使反相聲波在傳播過程中盡量減少能量損失，提高降噪效果。同時(shí)，通過調(diào)整揚(yáng)聲器的角度，使反相聲波能夠與原始噪聲波在關(guān)鍵區(qū)域充分干涉，實(shí)現(xiàn)噪聲的有效抵消。主動降噪系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括降噪算法的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)控制程序的編寫。降噪算法是主動降噪系統(tǒng)的核心技術(shù)，其性能直接影響到降噪效果。常見的降噪算法包括自適應(yīng)濾波算法、最小均方誤差（LMS）算法等。自適應(yīng)濾波算法能夠根據(jù)噪聲信號的變化實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的降噪效果。LMS算法則通過最小化誤差信號的均方值，來調(diào)整濾波器的系數(shù)，使反相聲波與原始噪聲波盡可能地抵消。在軟件設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)輪胎噪聲的特點(diǎn)和硬件平臺的性能，選擇合適的降噪算法，并對算法進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)試。系統(tǒng)控制程序則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集、控制器與傳感器和揚(yáng)聲器之間的通信控制以及降噪系統(tǒng)的整體運(yùn)行管理。通過編寫高效的系統(tǒng)控制程序，能夠確保主動降噪系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高降噪系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。6.3被動降噪措施6.3.1隔音材料的應(yīng)用在輪胎或車輛部件上使用隔音材料是降低輪胎噪音的有效被動降噪措施之一。隔音材料的選擇對降噪效果起著關(guān)鍵作用，不同的隔音材料具有不同的特性，適用于不同的降噪場景。常見的隔音材料包括隔音棉、隔音氈和止震板等。隔音棉是一種廣泛應(yīng)用的隔音材料，具有良好的吸音性能，能夠有效地吸收輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的高頻噪音。它通常由纖維材料制成，如玻璃纖維、聚酯纖維等，這些纖維之間形成了大量的微小孔隙，當(dāng)聲波進(jìn)入孔隙時(shí)，會引起纖維的振動，從而將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。隔音棉的吸音性能與其密度、厚度和纖維結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。一般來說，密度較大、厚度較厚的隔音棉吸音效果更好。在輪胎輪拱內(nèi)側(cè)粘貼厚度為10-15mm的玻璃纖維隔音棉，可使高頻噪音降低5-8dB。隔音氈是一種具有較好隔音和隔熱效果的材料，通常由橡膠、瀝青等材料制成。它的密度較大，能夠有效地阻擋輪胎噪音的傳播。隔音氈的隔音性能主要取決于其密度和阻尼特性。密度越大，隔音效果越好；阻尼特性則決定了隔音氈在受到聲波作用時(shí)，能夠?qū)⒙暷苻D(zhuǎn)化為熱能的能力。在車輛地板下方鋪設(shè)密度為3-5kg/m2的隔音氈，可有效降低輪胎噪音向車內(nèi)的傳播，使車內(nèi)噪音降低3-5dB。止震板主要用于減少輪胎震動產(chǎn)生的噪音，它能夠增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而降低共振噪音。止震板通常由金屬箔和阻尼材料組成，金屬箔能夠反射聲波，阻尼材料則能夠吸收振動能量。當(dāng)輪胎振動時(shí)，止震板會受到振動激勵(lì)，阻尼材料會將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，從而減少振動的傳播。在車輛的車門、后備箱等部位粘貼止震板，可有效降低輪胎振動引起的共振噪音，使車內(nèi)噪音在中低頻段降低2-4dB。在選擇隔音材料時(shí)，需要綜合考慮材料的質(zhì)量、環(huán)保性和成本等因素。優(yōu)質(zhì)的隔音材料應(yīng)具有良好的防火、防潮性能，且吸音