Методика расчета и экспериментальное исследование шума системы “шины автотранспортного средства – дорожное покрытие”

Акустическое воздействие на окружающую среду и человека в настоящее время представляет собой одну из глобальных современных проблем. По некоторым оценкам, неблагоприятное воздействие шума ощущает каждый второй житель Земли. Особенно неблагоприятно воздействие шума в условиях современного города.

Негативные последствия воздействия интенсивного звука на организм человека многообразны и не ограничиваются воздействием на орган слуха [1, 3 и др.]. Через волокна слуховых нервов раздражение звуком передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека, вызывая чувство беспокойства и раздражения, повышенную психическую утомляемость. Особенно вреден шум в ночное время.

“захватываемый” шиной при движении.

Настоящая статья посвящена разработке методики акустического расчета системы “шины автотранспортного средства – дорожное покрытие”.

2. АКУСТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ “ШИНЫ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА – ДОРОЖНОЕ ПОКРЫТИЕ” И ЕГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

Математическое описание процесса формирования звука при взаимодействии системы “шины автотранспортного средства – дорожное покрытие”, основано на акустических аналогиях Лайтхилла. Расчет уровня звука, возникающего при обтекании движущихся объектов потоком воздуха, сводится к решению задачи акустики, основанной на акустических аналогиях Лайтхилла. Расчет турбулентного потока жидкости, порождающего звук, производится в сравнительно небольшом конечном объеме. Далее по турбулентному полю вычисляется возникающий от этого поля звук (шум).

Используя общие методы решения неоднородного волнового уравнения для акустического давления в точке наблюдения на основе теории Лайтхилла и результатов исследования Керла, формула для расчета уровня акустического излучения примет вид:

L = 2oJ(-1 -/^ Ь 4 л S d t

+ p

( 2

v

•

Эц

3 d x

-

+ p-Ui-Mj + p-

U'n\ dy ^- .1 "  f[( p ^- U • Ц + P • S + r  4 л d x i S

2 С ц з^-а7 v ‘

A

+

¹     d ²

4 л c x i d x j ^

(d u Э ц 7

-I        + j 11

I d x j d x i 11

+

где S — имеющаяся в потоке поверхность; p -плотность невозмущенной среды; и - скорость движения; r – расстояние между точкой наблю-

дения и точкой на поверхности Кирхгофа; P 0 -нулевой порог слышимости ( P 0 = 2 - 10 ” 5 Па); С 0 – скорость звука; n i – составляющая вектора нормали; S i,j - дельта Кронекера; Д - коэффициент динамической вязкости; P – звуковое давление (Па); Q - пространственная область; V i , V j - составляющие вектора скорости.

В результате решения дифференциального уравнения (1), получим:

L = 201g

^ 0.08 - р-S - T V^Л

( Г - 1 - P J

.

Связь уровня звука с физическими параметрами, воздействующих на объект движения, основано на преодолении сил сопротивления движения. При движении автомобиля энергия, подведенная к ведущим колесам, расходуется на преодоление сил сопротивления движению, к которым относятся: сила P _f сопротивления качению колес автомобиля по дороге, сила P _A сопротивления, возникающая при движении автомобиля на подъем, сила P _j сопротивления разгону автомобиля при движении ускоренно, сила P _W сопротивления воздуха.

Pk = Рф + Pw + P + Pf + Pa .     (3)

Подставим значения сил сопротивления, уравнение тягового баланса примет вид:

M E i K i O ^ M r_K

= WGa + kfV2 + GA^ + Ga/ + ф2Zk2 (4) g.

В случае движения автомобиля по инерции силы сопротивления движению преодолеваются за счет накопленной в период разгона кинетической энергии.

В результате тождественных преобразований (2) получим:

f

0.08 - p - S

L = 201g

N_c - 60 - 735.5 - ij_nn_M E          KO M

2 л - n

—

G ^ S i ^g

—

^

G a / ” Ф 2 Z k 2

kf r -1 - P0

(5) где i K – передаточное число коробки передач; i O - передаточное число главной передачи; П _м - механический к. п. д. трансмиссии; n – число оборотов двигателя; N E – мощность двигателя; G A - сила тяжести; f –коэффициент сопротивления качению; K – коэффициент сопротивления воздуха; f – лобовая площадь автомобиля; ш - суммарным коэффициентом сопротивления дороги; g - ускорение силы тяжести; S - коэффициент учета вращающихся масс; Z K 2 – реакция радиальные реакции на каждое из задних колес; r k – радиус качения колеса (м); ф - коэффициент сцепления шин ведущих колес автомобиля с дорогой.

На основании полученных результатов установлена зависимость уровня акустического излучения, создаваемого шинами автотранспортного средства во время движения, от следующих факторов:

• -    скорость движения автотранспортного средства;

• -    вид и состояние дорожного покрытия;

• -    температура окружающей среды, наличие осадков и пр.;

• -    конструктивные характеристики шины автотранспортного средства;

• -    габаритные размеры автотранспортного средства;

• -    масса автотранспортного средства.

• 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для проверки точности результатов акустического расчета системы “шины автотранспортного средства – дорожное покрытие” проведены экспериментальные исследования акустических характеристик шин для различных для различных конструкций шин и типов дорожных покрытий. Измерения проводились в соответствии с требованием ГОСТ Р 52800-2007 на технически исправном автомобиле по ГОСТ Р 51616-2000.

Результаты анализа проведенных экспериментальных и теоретических исследований по замеру уровня шума автомобильных шин, выполненных с использованием разработанной методики акустического расчета, представлены в табл. 1.

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показывает достаточно высокую точность расчетов. Погрешность расчета уровня внешнего шума с использованием программного приложения составляет не более 5 %.

Достоверность полученных результатов исследования обусловлена использованием современных апробированных научных методов и подходов, проведением экспериментальных исследований аккредитованной лабораторией с использованием прецизионной измерительной аппаратуры, прошедшей государственную поверку, большим объёмом полученных экспериментальных данных и применением методов статистической обработки данных.

В представленной работе исследованы проблемы, связанные с моделированием и расчетом шума, создаваемого системой “шины автотранспортного средства – дорожное покрытие”. Приводится математическое описание процесса формирования звука при движении шин. Описаны особенности и результаты акустического расчета системы “шины автотранспортного средства – дорожное покрытие”. Разработанная и апробированная методика расчета шума системы “шины автотранспортного средства - дорожное покрытие” позволяет эффективно снижать акустичес-

Таблица 1. Результаты замера уровня шума автомобильных шин

Влияние отдельных компонентов на уровень шума автомобильных шин Результаты исследований Расчетные (выполненные с использованием разработанной методики расчета) Экспериментальные (ГОСТ Р 52800-2007) Посадочный диаметр обода (в диапазоне R13 - R14) Увеличение посадочного диаметра обода приводит к увеличению уровня звука на 0,15 дБА Увеличение посадочного диаметра обода приводит к увеличению уровня звука на 0,5 дБА в частотном диапазоне 1…2,5 кГц Соотношение высоты профиля к ширине (175/70/R14 - 175/65/R14) Шины 70 серии приводят к увеличению уровня звука на 0,1%, по сравнению с шинами 65 серии Шины 70 серии приводят к увеличению уровня звука на 0,3 дБА в частотном диапазоне 63…1000 Гц, по сравнению с шинами 65 серии Ширина профиля шины (185/65/R14 - 175/65/R14) Увеличение ширины профиля на 5,5% приводит к росту уровня звука на 0,05 дБА Увеличение ширины профиля шины на 5,5% приводит к росту уровня звука на 0,5 дБА в частотном диапазоне 63…2500 Гц Тип протектора Изменение характера рисунка протектора приводит к изменению уровня шума в пределах 1-2 дБА Уровень акустического излучения шин Таганка Partner, с всесезонным рисунком протектора, на 2,5 дБА (в частотном диапазоне 25…63 Гц) и 1 дБА (в частотном диапазоне 63…160 Гц) превосходит уровень акустического излучения шин Cordiant Comfort, с летним рисунком протектора Тип дорожного покрытия Грунтовое покрытие на 2,1 дБА более шумно, чем асфальтобетонное; а бетонное на 1,3 дБА менее шумно, чем грунтовое Уровень звука на бетонном покрытии, в частотном диапазоне 31,5…125 Гц, на 1 дБА больше, чем на асфальтобетонном Состояние дорожного покрытия На влажном покрытии увеличение уровня звука составляет 5,5 - 6 дБА. В снегопад уровень звукового давления может снизиться на 6 - 8 дБА На влажном покрытии увеличение уровня звука достигает 5 - 6 дБА, в частотном диапазоне 25…160 Гц, и 2 – 3 дБА, в частотном диапазоне 160…2500 Гц кое излучение от автомобильных шин и тем самым вносит существенный вклад в обеспечение шумовой безопасности современного города.