吸音海绵轮胎使用补胎剂后对其空腔噪声的影响分析

莫龙根，于 江，马祖国，钟震海

（极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司，浙江 宁波 315000）

随着乘用汽车电气化时代的到来，对于整车 噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）的要求也水涨船高了。没了发动机噪声的遮掩，轮胎胎噪声就显得更明显了。其中轮胎的空腔噪声是胎噪的主要来源之一，也是轮胎特有的噪声。轮胎空腔噪声是由路面不平度和轮胎不均匀性激励，引起轮胎空腔模态共振并与轮辋耦合后通过车轴和车身部件的传递导致车内噪声[1]。这严重影响了整车的静音效果。

若通过轮胎结构调整来降低空腔噪声，则对轮胎其他性能有较大影响，如滚阻系数、操控性、耐久性等。因此，轮胎内部添加吸音材料和轮辋进行声学处理等方式成为目前降低空腔共振噪声的主要途径[2]。而轮胎内部添加吸音材料（即吸音海绵）降噪最明显，最大可以达到8.0 dB[3]（噪声峰值），如此，可以从源头上优化轮胎空腔噪声。

根据市场调研，目前多款电动汽车采用此技术的轮胎，说明此技术的降噪效果普遍获得车企的认可，未来可能成为电动汽车的新宠。

现今，电动汽车因空间布置问题，一般用补胎套装代替备胎，既节省了空间也节省了成本还减轻了整车重量，并且补胎套装的使用比备胎更换更加轻松便捷，对于动手能力和体力的要求更低。补胎套装由电动充气泵和补胎剂组成，作为应急工具使用，适用于临时修补轮胎胎面被扎孔径小于6 mm 的情况。其工作原理利用电动充气泵的压力将补胎剂注入到轮胎内腔，然后随着轮胎滚动，补胎剂均匀地分布在轮胎内壁上，在胎压的作用下将其挤压渗入到扎孔处，最后在轮胎弹性摩擦作用下补胎剂产生橡胶颗粒，随即实现补胎效果。这样就与吸音海绵轮胎发生矛盾了。1）补胎剂能否修补吸音海绵轮胎？2）补胎剂修补过程中会渗透到吸音海绵中，且无法完全将其从吸音海绵中清理干净，如此是否会影响吸音海绵轮胎的降噪功能？

1 试验方案

1.1 补胎剂修补吸音海绵轮胎的试验方案

1.1.1 试验材料清单

材料清单如表1 所示。

表1 试验材料清单

1.1.2 试验过程

第一步：将轮胎与轮辋装配好，胎压充至250 kPa，并在环境温度（25±5）℃下，存放24 h。

第二步：存放24 h 后，再检测胎压，若胎压存在差异，则将其再次调整至250 kPa，并装配到整车上。

第三步：在轮胎胎面中部沟槽内用直径为6 mm 的钢钉扎孔。扎穿后拔出钉子并做好标记（图1）。然后用肥皂水喷在扎孔处，有气泡冒出，说明轮胎已经被扎穿（图2）。

图1 用钢钉扎轮胎

图2 扎钉处冒泡

第四步：TEK 补胎套装按其说明组装完成，并与车辆电源口链接，确保充气泵能正常工作。同时将轮胎胎压调整至0 kPa 为止。然后将充气泵的软管链接到气门嘴上，打开充气泵开关，将补胎剂打到轮胎内腔里（图3）。

图3 将补胎剂打入到轮胎内

第五步：补胎剂打入到轮胎内腔后，将胎压补充到250 kPa，然后关闭充气泵，断开充气泵与气门嘴的链接，迅速收起实验设备，以 30～80 km/h的速度开动试验车。行驶5 km 后，停下车辆，将肥皂水再次喷在轮胎扎孔处，看是否有气泡冒出，以此判断轮胎是否漏气（图4）。

第六步：当确认轮胎不再漏气后，将胎压调整至250 kPa，车辆再行驶60 km。然后再用肥皂水喷在轮胎扎孔处，看是否有气泡冒出，以此判断轮胎是否漏气（图4）。

图4 轮胎扎孔处未冒泡

1.2 使用过补胎剂的吸音海绵轮胎的空腔噪声测试试验方案

1.2.1 试验材料清单

试验材料清单如表2 所示。

表2 试验材料清单

1.2.2 试验过程

轮胎空腔噪声是由于路面激励车轮，轮胎胎面振动与轮胎空腔系统共振引起的噪声[4]。由此可知，路面激励是引起空腔噪声的主要影响因素之一，故选取了光滑沥青路面、粗糙沥青路面、水泥刻槽路面等三种激励较大的测试路况来检测轮胎空腔噪声的大小，具体的测试条件如表3 所示。

表3 测试工况表

轮胎空腔噪声有其固有模态，称为腔体模态，对于典型的乘用车轮胎来说，一阶腔体模态的频率为200～250 Hz，而且频率大小与其体积有关[5-6]。而轮胎的花纹噪声一般出现在车辆高速行驶时，频率分布很广，一般为800～2 000 Hz。所以研究中会通过看此频率范围内是否有明显峰值来确认是否有花纹噪声。据此，本试验仅需选取200～250 Hz 区间的空腔噪声分贝值进行对比分析。

另外，LMS 数据多通道采集仪所采集到的频率按《GB/T 3240—1982 声学测量中的常用频率》的标准，进行1/3 频程处理分析。具体测试点布置如图5 所示。

图5 车内麦克风布置示意图

考虑补胎剂使用情况的不同，将采用对比分析法，分析补胎剂对吸音海绵轮胎的影响程度，详细试验方案内容如表4 所示。

表4 试验方案表

为了避免胎面打孔对试验效果的影响，A、B、C、D 四组轮胎的胎面均不扎孔，直接利用电动充气泵将补胎剂打入到C、D 组的轮胎内腔，同时胎压充至240 kPa。再以30 km/h 的速度行驶10 km，使补胎剂充分渗透到吸音海绵中。然后倾倒出未渗入到吸音海绵中的补胎剂（图6），再将轮胎组装好，等待整车测试。

图6 清理轮胎内腔的补胎剂

2 试验结果分析

2.1 补胎剂修补吸音海绵轮胎的结果分析

通过1.2.2 试验验证发现，被扎的吸音海绵轮胎用补胎剂修补后，轮胎扎孔处没有冒泡。再继续行驶60 km 后，扎孔处依然没有冒泡。据此判断，吸音海绵轮胎被扎后，可以用补胎剂进行修补。静音海绵的使用，不影响补胎剂的修补功能。

补胎剂打入轮胎内腔后，随着车辆行驶，并在胎压和重力的作用下，液态状的补胎剂通过静音海绵表面密密麻麻的小孔，能顺利地流淌到了轮胎内衬层表面。因为海绵表面有密密麻麻的小孔，且都是互通的，形成了一条条通道通往轮胎内衬层。同时与内衬层接触面极为细小，不会遮挡住被扎的孔，故不影响补胎剂渗入到孔内。所以在轮胎内衬层上贴吸音海绵，不影响补胎剂的补胎功能，即不影响补胎套装的使用效果。

2.2 使用过补胎剂的吸音海绵轮胎的空腔噪声测试结果分析

2.2.1 光滑沥青路面测试结果分析

如图7 所示，在光滑沥青路面40 km/h 情况下，无论吸音海绵轮胎是何种状态，其空腔噪声分贝值平均比普通轮胎低2 dB 以上，即补胎剂使用后，吸音海绵轮胎依然保有着降低空腔噪声的效果。

图7 光滑沥青路面40 km/h 测试结果

对比B、C 方案，C 方案分贝值略有提高，平均仅上升0.66 dB，即吸音海绵轮胎使用补胎剂后，其空腔噪声略有提高，但其分贝值极其细小，不足1 dB，非专业人士，一般很难感知到。

对比C、D 方案，其分贝值基本相当，无明显差异，即吸音海绵轮胎使用补胎剂一周后，其空腔噪声分贝值基本与刚使用时一致。推测，补胎剂干燥后，对吸音海绵上小孔没有形成显著的阻碍，不影响其吸收噪音的功能，故补胎剂对吸音海绵的影响不随时间地延长而变差。

如图8 所示，光滑沥青路面60 km/h 情况下，无论吸音海绵轮胎是何种状态，其空腔噪声分贝值平均比普通轮胎低0.93 dB 以上，即补胎剂使用后，吸音海绵轮胎依然保有着降低空腔噪声的效果。

图8 光滑沥青路面60 km/h 测试结果

对比B、C 方案，其分贝值基本相当，差值仅0.35 dB，极其轻微，应该是测试误差所致。故推测60 km/h 行驶在光滑沥青路面上时，补胎剂的使用对吸音海绵轮胎优化空腔噪声的效果基本无影响。

对比C、D 方案，其分贝值也基本相当，差异值仅0.39 dB，应该是测试误差所致。即吸音海绵轮胎使用补胎剂一周后，其空腔噪声的分贝值基本与刚使用时的一致。故推测，补胎剂对吸音海绵的影响不随时间的延长而变差。

2.2.2 粗糙沥青路面测试结果分析

如图9 所示，在粗糙沥青路面40 km/h 情况下，无论吸音海绵轮胎是何种状态，其空腔噪声分贝值平均比普通轮胎低2.58 dB 以上，即补胎剂使用后，吸音海绵轮胎依然保有着降低空腔噪声的效果。

图9 粗糙沥青路面40 km/h 测试结果

对比B、C 方案，两方案所测的分贝值基本一致，差值仅0.14 dB，应是测试误差所致。故推测在40 km/h 的粗糙沥青路面上，补胎剂的使用对吸音海绵轮胎优化空腔噪声的效果无影响。

对比C、D 方案，两方案所测的分贝值也基本一致，无明显差。故推测，补胎剂对吸音海绵的影响不随着时间的延长而变差。

如图10 所示，粗糙沥青路面60 km/h 情况下，无论吸音海绵轮胎是何种状态，其空腔噪声分贝值平均比普通轮胎低1.01 dB 以上，即补胎剂使用后，吸音海绵轮胎依然保有着降低空腔噪声的效果。

图10 粗糙沥青路面60 km/h 测试结果

对比B、C 方案，两方案所测的分贝值基本一致，无明显差别。故推测在60 km/h 的粗糙沥青路面上，补胎剂的使用对吸音海绵轮胎优化空腔噪声的效果无影响。

对比C、D 方案，D 方案所测的分贝平均值低0.62 dB，略成下降趋势，但差距不明显，若忽略测试误差影响，差距极其细微。即补胎剂使用一周后，吸音海绵轮胎空腔噪声分贝值基本与刚使用时处于同一水平。故推测，补胎剂对吸音海绵的影响不随着时间的延长而变差。

2.2.3 水泥刻槽路面测试结果分析

如图11 所示，水泥刻槽路面40 km/h 情况下，无论吸音海绵轮胎是何种状态，其空腔噪声分贝值平均比普通轮胎低1.76 dB 以上，即补胎剂使用后，吸音海绵轮胎依然保有着降低空腔噪声的效果。

图11 水泥刻槽路面40 km/h 测试结果

对比B、C 方案，两方案所测的分贝值基本一致，无明显差别。故推测在40 km/h 的水泥刻槽面上，补胎剂的使用对吸音海绵轮胎优化空腔噪声的效果无影响。

对比C、D 方案，两方案所测的分贝值也基本一致，无明显差。故推测，补胎剂对吸音海绵的影响不随着时间的延长而变差。

3 结论

1）在胎压和重力作用下，液态的补胎剂可以顺着吸音海绵表面密密麻麻的小孔无阻碍地流淌到轮胎内衬层地漏气处进行修补，并能使轮胎不再漏气，故吸音海绵的使用不影响补胎剂对轮胎的补胎功能。

2）通过40 km/h 分别在光滑沥青、粗糙沥青或水泥刻槽等三种路况下的验证，不使用补胎剂的吸音海绵轮胎的空腔噪声值分别降低了2.87 dB、2.58 dB、2.14 dB。而刚使用补胎剂的空腔噪声值分别降低了2.21 dB、2.72 dB、1.86 dB，两者差异细微，一般人很难感知到，基本处于同一水平。说明刚使用补胎剂的情况下，完全不影响吸音海绵轮胎优化空腔噪声的功能。使用补胎剂一周后的空腔噪声值分别降低了2.47 dB、2.87 dB、1.76 dB，与不使用补胎剂的差异细微，也基本处于同一水平。说明使用补胎剂一周后的情况下，也完全不影响吸音海绵轮胎优化空腔噪声的功能。推断，随着时间地延长，补胎剂对吸音海绵降噪的功能不会持续性恶化。

3）通过60 km/h 分别在光滑沥青和粗糙沥青两种路况下的验证，不使用补胎剂的吸音海绵轮胎的空腔噪声值分别降低了1.28 dB、1.01 dB。而刚使用补胎剂的空腔噪声值分别降低了0.93 dB、1.21 dB，两者差异细微，基本处于同一水平。说明刚使用补胎剂的情况下，完全不影响吸音海绵轮胎优化空腔噪声的功能。使用补胎剂一周后的空腔噪声值分别降低了1.32 dB、1.83 dB，两者差异不大，基本处于同一水平。说明使用补胎剂一周后的情况下，也完全不影响吸音海绵轮胎优化空腔噪声的功能。推断，随着时间地延长，补胎剂对吸音海绵降噪的功能不会持续性恶化。

4）通过40 km/h 分别在光滑沥青、粗糙沥青或水泥刻槽等三种路况下的验证，普通胎的空腔噪声值分别是47.76 dB、55.58 dB、43.40 dB，发现粗糙沥青路面对轮胎空腔噪声影响最大，其次是光滑沥青路面，最次是水泥刻槽路面。

5）通过对比40 km/h 和60 km/h 下普通胎空腔噪声值的差异，发现光滑沥青路面的差值是6.69 dB，粗糙沥青路面的是3.27 dB，前者是后者的2 倍多。

6）通过图7—图11 分析对比发现主驾左耳和右后右耳的曲线都在平均曲线的上方，即主驾和右后外耳的空腔噪声值均高于主驾和右后内耳的。