一种全频段降低轮胎气动噪声的轮胎花纹结构

技术领域

本发明涉及乘用车子午线轮胎胎面花纹结构，尤其涉及到一种具有全频段降低轮胎气动噪声轮胎花纹结构。

背景技术

在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。新能源汽车的发动机噪声已经得到大幅度优化和控制，但是轮胎噪声作为汽车噪声的重要组成部分和城市道路噪声污染的一部分，目前还没有得到有效的优化与控制。

研究表明，车辆在高速行驶时，轮胎噪声主要是轮胎周围的空气因相互流动和扰动而引起的噪声称为气动噪声。欧洲专利EP2014485提出了在纵向花纹沟槽处开设旁支管的形式来降低气柱共鸣噪声，并且这种形式不会牺牲轮胎的滑水等性能但没有考虑开设旁支管形成的气体漩涡对中低频气动噪声的影响；中国专利CN102848859B通过在花纹沟槽壁上设置非光滑结构的矩形沟槽，从而降低轮胎噪声，可是该方案在实际工艺生产过程中难度较大。中国专利CN111873719A通过在主沟槽的底面布置具有规则排列的锥状凸起改善主沟槽内近壁面的湍流结构减少涡流之间相互碰撞和异常分离导致的破裂降低湍流的强度和脉动压力从而有效降低轮胎的气动噪声。但是这种方案在实际工艺生产过程中难度很大，不利于工程实现。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有全频段降低轮胎气动噪声轮胎花纹结构，通过在轮胎中西花纹块上开设旁支管形状花纹沟槽及V型肋条结构来降低轮胎全频段的气动噪声。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种具有全频段降低轮胎气动噪声轮胎花纹结构，在轮胎中心花纹块上开设旁支管形状花纹沟槽，所述旁支管形状花纹沟槽结构包括纵向沟槽和横向沟槽，其中，纵向沟槽沿轮胎中心花纹块圆周方向，横向沟槽中心线与纵向沟槽中心线呈锐角。

上述方案中，所述横向沟槽一端与纵向沟槽连通，另一端设置在轮胎中心花纹块的边缘。

上述方案中，所述旁支管形状花纹沟槽均匀的开设在轮胎中心花纹块上，旁支管形状花纹沟槽沿轮胎中心花纹块圆周方向上有2列。

上述方案中，旁支管花纹沟槽的纵向沟槽中心线与横向沟槽中心线的夹角为60°-90°。

上述方案中，纵向沟槽为长方形沟槽，长方形沟槽宽度为轮胎中心花纹块宽度的四分之一-三分之一；长方形沟槽长与长方形沟槽宽度比值为3:1。

上述方案中，横向沟槽为平行四边形沟槽，横向沟槽上靠近中心花纹块边缘的开口处的宽度为长方形沟槽宽度一半，开口处到纵沟槽长边的水平距离为长方形沟槽宽度的两倍。

上述方案中，所述旁支管形状花纹沟槽，深度为中间花纹块两侧纵沟深度的25％-50％。

上述方案中，沿轮胎中心花纹块两侧的纵沟底布置V型肋条结构。

上述方案中，所述V型肋条结构的底长S为0.5-2.2mm，角度α为45°-90°。

上述方案中，所述V型肋条结构有数列沿纵沟底轴向连续布置，V型肋条结构在纵沟底为向上凸起布置。

有益效果：

本发明中的旁支管花纹沟槽，利用声波的干涉来降低声能量从而降低辐射噪声，进而达到降低气柱共鸣噪声，在旁支管花纹沟槽的纵沟布置V型肋条结构，达到仿鲨鱼减阻打碎涡流的目的，从而改善增加旁支管结构和原有花纹结构诱发的漩涡，降低湍流的强度和脉动压力从而有效降低轮胎的气动噪声。在纵沟布置V型肋条结构还可以改变气柱基频，提高旁支管结构降噪效果。左右错开布置旁支管结构还可以仿生猫爪减振结构从而降低振动噪声。

附图说明

图1为赫姆霍兹共振腔结构消声简图；

图2为鲨鱼皮的V型肋条结构图；

图3为本发明实施例涉及到的具有全频段降低轮胎气动噪声轮胎花纹结构的结构示意图；

图4为V型肋条结构在纵沟布置示意图；

图5为本发明实施例涉及到的单节距花纹三维立体图；

图6为图3中涉及到的旁支管结构放大示意图；

图7为图4中涉及到的V型肋条结构放大示意图；

图8为图3所示胎面错位布置旁支管结构沟槽，胎面错位布置旁支管结构沟槽同时纵沟底布置V型肋条结构和未设置胎面增设错位旁支管结构和V型肋条结构的原始轮胎的1/3倍频的频谱特性对比图；

图9为图3所示胎面错位布置旁支管结构沟槽的湍流动能示意图；

图10为胎面错位布置旁支管结构沟槽同时纵沟底布置V型肋条结构的湍流动能示意图；

图11为未设置胎面增设错位旁支管结构和V型肋条结构的原始轮胎的湍流动能对比图。

附图标记如下：1-中间花纹块；2-旁支管形状花纹沟槽；3-纵沟。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

旁支管结构即共振式消声器同时包含共振吸声结构和有旁支的管结构，在主管道旁支一个赫姆霍兹共鸣器。当声波传递至赫姆霍兹共振腔的小孔交点处，由于声阻抗突变，使部分声能反射回去，还有一部分声能传入小孔和共振腔。由于赫姆霍兹腔的声阻抗的耗损作用，消耗一部分声能，仅剩下部分声能继续沿管道传播，从而达到消声的目的。但是这种结构的存在会在纵沟诱发大尺度的涡旋从而影响纵沟内近壁面的湍流结构，增加涡流之间相互碰撞和异常分离，提高中低频的气动噪声。

自然界的动物都形成了对自身生存环境的超强适应能力，比如鲨鱼拥有超高的水中速度，体现出优异的减阻能力。鲨鱼皮的V型肋条结构可阻止漩涡的形成，或者对快要形成的旋涡打碎，从而限制边界层紧贴在皮肤表面，可减少阻力。V型肋条结构打碎和抑制漩涡的打碎能力对气体仍然有效，虽然对小尺度的气体涡旋效果不理想，但是对增加旁支管结构诱发的大尺度的涡旋效果明显可以降低中低频的气动噪声。

旁支管结构依靠声波的干涉来降低声能量从而降低辐射噪声，仿生鲨鱼V型肋条结构利用打碎和抑制漩涡，降低湍流强度和脉动压力进而降低气动噪声。V型肋条结构打碎和抑制旁支管结构和原有花纹结构诱发的漩涡，降噪不影响通过声波的干涉降噪的旁支管结构降噪效果，V型肋条结构的存在同时改变了花纹沟气体容积，进一步增加了旁支管结构对气柱共鸣噪声的降低效果以此理论来指导低噪声轮胎的花纹设计。

通过在轮胎中心花纹块1上布置旁支管形状花纹沟槽，同时在被旁支管结构影响的纵沟3底布置V型肋条结构，实现旁支管结构共振降低高频的气柱共鸣噪声，V型肋条结构打碎旁支管结构诱发的漩涡，降低中低频噪声同时改变气柱共鸣基频，优化旁支管结构降噪效果，从而实现轮胎气动噪声的降低。同时旁支管形状花纹沟槽错开布置，可以减振，降低振动噪声。

旁支管形状花纹沟槽2，沟槽的纵向的长方形沟槽长为8.2mm，宽为2.4mm。

旁支管形状花纹沟槽2，沟槽的横向平行四边形沟槽靠近纵沟开口处的宽度为1mm，开口处到旁支管花纹沟槽的纵向长方形沟槽长边的水平距离为4mm，旁支管花纹结构的纵向沟槽中心线与横向沟槽中心线的夹角为60°-90°。

旁支管形状花纹沟槽2，其沟槽深度为中间花纹块两边纵沟深度的25％-50％。

旁支管形状花纹沟槽2，同侧的旁支管沟槽相距31mm，左右异侧的相邻旁支管沟槽在纵向方向的距离为7.5mm。

V型肋条结构，V型肋条结构的底为1mm，高为0.5mm，角度为90°；V型肋条结构沿轮胎纵沟底周向连续布置；V型肋条结构在纵沟底长度上中间取整完全布置；V型肋条结构在纵沟底为向上凸起布置。

结合附图3到图7所示，本发明通过在轮胎中心花纹块上布置旁支管形状花纹结构，同时在受到旁支管结构影响的纵沟底布置V型肋条结构，实现声波的干涉来降低声能量的同时降低漩涡扰动带来的气流不稳定，进一步导致的气动噪声。

结合附图3到图7所示，在保持除轮胎中心花纹以外的所有胎面花纹不变的情况下，在轮胎中心花纹块上布置旁支管花纹结构，在受到旁支管花纹结构影响的纵沟底周向连续布置V型肋条结构，所述的旁支管形状花纹沟槽,花纹沟槽的纵向的长方形沟槽长为8.2mm，宽为2.4mm。花纹沟槽的横向的平行四边形沟槽靠近纵沟开口处的长度为1mm，开口处到旁支管花纹的纵向长方形沟槽长边的水平距离为4mm，旁支管花纹沟槽的纵向沟槽中心线与横向沟槽中心线的夹角为60°-90°。旁支管形状花纹沟槽深度为中间花纹块两边纵沟深度的25％-50％。同侧的旁支管沟槽相距31mm左右异侧的旁支管沟槽在汽车行驶方向的距离为7.5mm。所述的纵沟底V型肋条结构，V型肋条结构的底为1mm，高为0.5mm，角度为90°。V型肋条结构在纵沟底长度上中间取整完全布置，V型肋条结构在纵沟底为向上凸起布置。

对于图8到图11的有限元分析过程如下：首先在Abaqus软件中建立205/55R16的带有复杂花纹的轮胎模型，在充气压力为0.21MPa、载荷为3800N以及滚动速度为70km/h的条件下进行显式滚动分析，提取花纹沟滚动变形的信息，分析花纹变形特征，建立CFD流体仿真模型。在FLUENT中给定空气相对速度来模拟轮胎与空气的相对运动，以花纹变形为边界条件，使用动网格技术重现滚动轮胎花纹沟槽体积变化特性。使用FW-H声类比方程得到轮胎的气动噪声。

请参照图8，胎面错位布置旁支管结构沟槽相较于原始轮胎在2000Hz-4000Hz，轮胎气动噪声有较为明显的降低，尤其是在3200Hz处，由于气柱而引起的峰值，得到了有效的降低。证明旁支管的结构对气柱共鸣噪声有效，对比胎面错位布置旁支管结构沟槽同时纵沟底布置V型肋条结构，在2000-4000Hz处，对于高频噪声的降低效果仍然存在，而且由于改变了气柱体积从而影响使得气柱共鸣的峰值在4000Hz才出现，证明V型肋条结构不影响旁支管结构对高频噪声的降噪效果，反而进一步降低高频噪声。在500-2000Hz处，V型肋条结构有效的打碎了由于增加旁支管结构而诱发的漩涡，已经本身花纹结构诱发的漩涡，使得中低频的气动噪声得到了有效降低。

请参照图9-11，胎面错位布置旁支管结构沟槽与原始轮胎的湍流动能相比，可以看到旁支管结构的存在使得花纹沟内壁处的湍流动能增大，使得流体速度梯度变化增大，容易使流体失稳从而形成漩涡，从而加大涡流噪声的产生。湍流动能有明显向花纹沟内壁近壁面集中的趋势，会增加涡流之间相互碰撞和异常分离导致的破裂，增加湍流的强度和脉动压力，从而增加降低轮胎的气动噪声。胎面错位布置旁支管结构沟槽同时纵沟底布置V型肋条结构的湍流动能，就明显的远离了花纹沟内壁近壁面，并且相较与原始轮胎降低了花纹沟内的湍流动能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。