Особистий внесок здобувачем полягає в тому, що:

- здобуті експериментальні данні та математичні залежності для рівнів шуму шини від її геометричних параметрів (як об'ємного резонуючого

акустичного випромінювача) і щільності газового наповнювача [1,5];

- експериментально здобуті рівні шуму автомобільної шини, який виникає при прослизанні елементів протекторного слою відносно дорожньої поверхні [1];

- простір між елементами протекторного шару та дорогою представлено як прямокутний звукопровод, для якого записані математичні залежності характеристик акустичного поля шуму, який виникає при видавлюванні повітря з канавок протекторного шару [2];

- розроблена структурна схема причин та джерел виникнення шуму автомобільної шини [5];

- проведений спектральний аналіз шуму випромінюваного автомобільною шиною за допомогою частотних характеристик; експериментально визначені резонансні частоти випромінювання шуму шини [5];

- виявлено вплив газового наповнювача шини на рівень її шумовипромінювання [4];

- визначені основні джерела шумовипромінювання автомобільної шини і оцінений їх внесок в загальну картину шуму [3, 4, 5].

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації докладалися і обговорювалися на:

- п'яти науково-технічних конференціях викладачів, співробітників і аспірантів ХНАДУ (2004 - 2009 р.р.);

- XVIII та XI симпозіумах НИИШП в м. Москві, присвячених проблемам шин і гумокордних матеріалів в 2007р. та 2008 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано п'ять друкарських робіт в спеціальних виданнях, які входять в перелік ВАК України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Повний обсяг дисертації складає 155 сторінок, в тому числі 73 рисунків на 58 сторінках, 18 таблиць на 18 сторінках; список використаних джерел з 144 найменувань на 14 сторінках і двох додатків на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтовано актуальність і практична цінність дослідження, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено аналіз літератури, в яких приведені дослідження процесу випромінювання шуму автомобільною шиною. Розглянуто засоби оцінки та прогнозування шуму автомобільної шини в процесі її експлуатації та на стадії проектування. Розглянуті роботи Мідзугуті М., Гудцова В. Н., Льва Л. Е., Harland D. G., Leasure W. A., Зайцева П. В., Бочарова Н.Ф., Бухина Б.Л., Walker J. C., Major D. J., Mukai T., Кемпа Д. Х., Кнороза В. І., Лопашева Д. З., Осипова Р. Л., Федосєєва Е. Н., Юдіна Е.Я., Белова С.В., Гальовко Ю.В., Іванова Т.В., Тюріна В.П., Кутікова Н.К., а також роботи кафедри ДМ та ТММ Харківського національного автомобільно-дорожнього університету, авторами яких є Карпенко В.А., Ларін О.М., Музалов Е.В., Загородній А.А. та інших, в яких описуються основні методики і результати експериментальних досліджень рівня шуму автомобільної шини від її експлуатаційних та конструктивних чинників. Для дослідження рівня шуму шини використовується методика «наката» автомобіля, яка поширена в Європі, США і Японії, що регламентуються нормативними документами ISO 362/ECE R 51, SAE, J57 і JASO C606-81. Основні експериментальні дослідження, результати яких приведені в розглянутих роботах, свідчать про те, що виміри рівня шуму проводилися тільки по «пікових» значеннях рівня шуму, без застосування частотних фільтрів. Аналіз всіх розглянутих джерел показав, що вивчення шуму автомобільної шини зведене до порівняння шумових характеристик автомобільних шин з різними експлуатаційними і конструктивними параметрами по «загальному» рівню шуму шин при русі автомобіля «накатом». При дослідженні шуму шин, відсутній аналіз повного спектру його частотних характеристик. Відсутня структура причин і джерел шуму автомобільної шини.

В розділі розглянуті та описані основні причини та джерела виникнення шуму автомобільної шини. Відображені основні аспекти завдання дослідження в рамках даного питання.

У другому розділі описані математичні моделі процесу та джерел шуму, який випромінює автомобільна шина при русі по дорожній поверхні у складі автомобіля. Загальний шум, що випромінюється шиною, складається з шумів різної частоти, що мають різний коефіцієнт загасання, логарифмічний декремент і різну добротність, які, у свою чергу, залежать від часу загасання коливань. Для визначення основних причин і джерел виникнення шуму при русі автомобільного колеса, створена структурна схема виникнення шуму автомобільної шини (рис. 1).

Ґрунтуючись на приведену схему виникнення шуму автомобільної шини, побудовані математичні моделі процесів випромінювання шуму основними її джерелами.

Для визначення основних характеристик звукового поля шини, шина представлена у вигляді одношарової осцилюючої оболонки на пружній підставі з елементами малюнка протектора, які представлені у вигляді зосереджених мас з пружними зв'язками між собою і оболонкою (рис. 2 та 3).

При моделюванні шуму створюваного шиною, прийняті наступні припущення: оболонка є одношаровою відкритою, без обмежень на форму її радіальних коливань; розглядається осцилююча оболонка в ідеальному середовищі з хвильовим опором сс (с - щільність матеріалу (середовища), кг/м³; с, с₀, с₁ - швидкість розповсюдження звуку в матеріалі (середовищі), м/с; стінки оболонок є однорідними; оболонка наповнена середовищем під тиском Р (МПа) з акустичним опором с₁с₁; вважаємо, що оболонка здійснює коливання, при яких точки її внутрішніх і зовнішніх стінок, лежачі на одному радіусі, коливаються синфазно з однаковими швидкостями в радіальному напрямі; при проведенні теоретичних розрахунків, нехтуємо аеродинамічним шумом автомобільної шини, так як істотний внесок в загальну картину шумовипромінювання він вносить при швидкостях руху понад 100 км/год; швидкісний діапазон дослідження процесу шумовипромінювання, в приведеній роботі, знаходиться в межах від 20 до 100 км/год. Фізико-механічні властивості оболонки відповідають властивостям автомобільної шини. Геометричні параметри оболонки беремо подібні до геометричних параметрів досліджуваних шин.

Для визначення характеристик акустичного поля даної оболонки розглянуто її перетин (рис. 3.). Усередині оболонки (область I рис. 3) знаходиться середовище з хвильовим опором.

Загальне рівняння для тиску зовнішнього шуму розглянутої моделі, з умови, що коливальна швидкість внутрішньої і зовнішньої поверхні оболонки передбачаються рівними та з урахуванням звукового опору внутрішнього, навколишнього середовища оболонки та її матеріалу, має наступний вигляд:

, (1)

де - хвильове число, 1/м; r₁ - внутрішній радіус оболонки, м; r - відстань розповсюдження звукових коливань, м; v - швидкість коливання середовища, м/с.

Величина Z₂ характеризує імпеданс випромінювання коливань оболонки, уявна частина якого визначає масу середовища, яке коливається з оболонкою:

. (2)

Імпеданс навколишнього середовища Z₁ визначається по наступній залежності:

, (3)

де - маса одиниці поверхні; - пружність одиниці поверхні; - щільність матеріалу, кг/м³; Е - модуль пружності, МПа. шумовипромінювання колесо шина тиск

Величина Z₃ характеризує імпеданс випромінювання хвиль всередину оболонки і у відмінності від Z₂ носить чисто реактивний характер і визначається за формулою:

. (4)

Змінюючи щільність середовища усередині оболонки , тим самим змінюючи її звуковий опір, можна збільшити імпеданс випромінювання хвиль всередину оболонки.

Для визначення нормальної коливальної швидкості оболонки, розглядаючі її поперечний перетин, запишемо вираз для швидкості коливання оболонки у вигляді ряду:

, (5)

де - коефіцієнт динамічності, який показує вплив дорожнього покриття; - об'ємна швидкість; - частотна постійної моди коливань оболонки; m = 1,2,3… - мода коливань; l - довжина оболонки, м; с - щільність середовища, кг/м³;f₀ - результуюча сила, що впливає на оболонку, Н; - коефіцієнт в'язкого тертя матеріалу; д - імпульсна функція; щ - частота коливання середовища, с^-1.

Далі запишемо залежність для інтенсивності звукового поля:

. (6)

Потужність звукового потоку, що випромінюється тороїдальною оболонкою визначається як:

, (7)

де S_о - площа тороїдальної оболонки, м²; L - довжина серединной лінії
тора, м.

Для побудови математичної моделі процесу витискання повітря з канавок протекторного шару шини (рис. 4), представимо канавку у вигляді звукопроводу, який має прямокутний перетин, жорсткі стінки і заповнений повітрям (рис. 5).

Нормальна коливальна швидкість його поверхні визначається комплексною функцією від координат x, у і часу t.

, (8)

де; - частота сили, що вимушує коливатися поверхню звукопроводу, с^-1.

Для визначення руху газу у такому об'ємі, необхідно знайти рішення амплітудного рівняння в прямокутних координатах відносно звукового потенціалу. Рішення хвильового рівняння у загальному виді має вигляд:

, (9)

де ;; - хвильові числа; - коливальна швидкість в перетині ZYO.

Для основної звукової хвилі одержана формула характеристики акустичного поля. Звуковий тиск, Па:

. (10)

Чисельний розрахунок рівнів шумовипромінювання, викликаний витискуванням повітря ребрами протектора шини для шина 205/65 R15 мод. БЦ-49 приведений в табл. 1.

Таблиця 1

Результати теоретичного розрахунку рівня звукового тиску (дБА), при витискуванні повітря з канавок протекторного шару шини 205/65 R15 мод. БЦ-49

Для опису процесу шумовипромінювання, викликаного тертям елементів малюнка протектора щодо опорної поверхні в плямі контакту, були запозичені математичні залежності, які приведені в дисертаційній роботі Загороднього О.А. для дальнього акустичного поля. У даному випадку елемент протектора розглянуто у вигляді підпружиняного маятника рухомого по шорсткій поверхні. Природа виникнення енергії зчеплення між повзуном і стрічкою така ж, як і в маятнику Фроуда. Сила тяжіння повзуна створює тиск по всій поверхні фрикційного контакту. Динамічні характеристики даної системи визначатимуть величину зміни характеристик дальнього акустичного поля. Запишемо залежності, які характеризують акустичне поле для плоскої хвилі. Потенціал швидкості коливання середовища:

(11)

Коливальна швидкість середовища розповсюджування хвиль, м/с:

(12)

Звуковий тиск хвильового процесу шумовипромюнювання, Па:

(13)

де Q=vF - об'ємна швидкість поверхні джерела, м³/c; F - площа випромінювача, м²; - щільність середовища, кг/м³; с - швидкість звуку в середовищі дослідження, м/с; щ - власна частота коливання системи випромінювання, с^-1; k - хвильове число.

Числений розрахунок проведений для трьох розмірів шин, результати якого приведені в табл. 2.

У розрахунку загального шуму, що випромінюється шиною, ми нехтуємо звуковим тиском від повітряного потоку, який видавлюється з ламелєй протектора, оскільки при проведенні розрахунку рівень звуку від даного джерела випромінювання опинився нижчим за всіх інших більш ніж на 10 дБА (табл. 3). За правилами акустичного складання різних джерел звуку, при визначенні загального звукового потоку, даним джерелом звуку можна нехтувати.

Таблиця 2

Результати теоретичного розрахунку рівня звукового тиску (дБА), при прослизанні елементів протекторного шару щодо дорожньої поверхні

Таблиця 3

Результати теоретичного розрахунку загального рівня звукового тиску (дБА) для шини 205/65 R15

Чисельний розрахунок рівнів шумовипромінювання, викликаного двома джерелами випромінювання (вібрацією каркаса автомобільної шини та прослизання елементів малюнка протектора) для трьох шин 205/65R15, 195/65 R15, 185/65 R14 проведений по наступній залежності:

, (14)

де МПа, p₁ - звуковий тиск оболонки шини, p₂ - звуковий тиск фрикційних автоколивань, МПа; ф_f - поправочний коефіцієнт, який відображає інтенсивність змінення коефіцієнту опору руху автомобільної шини при збільшенні швидкості руху по асфальтобетонному покриттю. Коефіцієнт здобутий за результатами експериментальних досліджень, які підтверджуються роботами Кнороза В.И., Петрушова В.А. та інших.

За допомогою залежності (17) теоретичним шляхом були здобуті рівні шуму автомобільних шин. На рис. 6 показано вплив поправочного коефіцієнта на характеристику шуму шини, на рис. 7 теоретичні розрахунки рівнів шуму для трьох шин.

У третьому розділі, з метою визначення методики проведення експериментальних досліджень, проаналізовані існуючи методи дослідження процесів шумовипромінювання автомобільних шин: метод лабораторного дослідження; метод дорожнього дослідження при русі одиничного автомобіля накатом повз нерухомий мікрофон; метод дослідження зі створенням спеціального обладнання. Представлені результати експериментальних досліджень шин (205/65 R15, 195/65 R15, 185/65 R14 БЦ49) у діапазоні руху від 20 до 100 км/год по асфальтобетонному покриттю у складі автомобіля ГАЗ 24. Для отримання результатів шуму автомобільної шини були проведені експериментальні дослідження в дорожніх умовах методом «накату» та лабораторних умовах на барабанному стенді.

При проведенні експериментальних досліджень був визначений вплив швидкості руху колеса, внутрішнього тиску газу, навантаження, щільності наповнювача, площі випромінювання (геометричні розміри) та характеристики малюнка протектора шини на рівень її шумовипромінювання. За результатами експериментальних досліджень були побудуванні та проаналізовані частотні характеристики шуму автомобільної шини на всьому звуковому діапазоні частот. Доведено, що при вимірі рівня шумовипромінювання автомобільної шини в ближньому полі методом «накату» не можна нехтувати тиском повітряного потоку на мікрофон, який створює кузов автомобіля при його русі. Це підтверджується результатами експериментальних досліджень, одержаних при вимірі шумовипромінювання автомобільної шини з використанням звукоізоляційного кожуха і без нього на швидкостях від 20 до 100 км/год., які показали різницю рівня шуму від 0,65 до 3 дБА (рис. 8-9).

Встановлено, що зменшення об'єму шини на 5% і, як наслідок, зменшення поверхні випромінювання, призводить до зниження шуму автомобільної шини у середньому на 1,5 дБА (рис. 10). Це дозволяє розглядати автомобільну шину як акустичний резонатор. Даний ефект досягається за рахунок замкнутої торообразної оболонки шини, яка дозволяє створювати умови для збільшення часу загасання коливань тих, що розповсюджуються як усередині самої шини, так і по її поверхні.

Спектральні характеристики, які побудовані в результаті експериментальних досліджень рівнів шумовипромінювання в дальньому акустичному полі, показують, що у даних шин є три основні діапазони частот випромінювання звуку. Перший діапазон частот знаходиться в межах від 180 до 250 Гц, другий діапазон - 500 650 Гц і третій діапазон частот - 1100 ч 1250 Гц (рис. 11 та рис. 12).

Спектральні характеристики досліджуваних шин (185/65 R14, 205/65 R15 і 195/65 R15 БЦ 49) показують, що звукові коливання, які випромінюються рухомою автомобільною шиною, не залежать від кількості елементів протектора автомобільної шини і частоти входження їх в зону плями контакту, оскільки характер звукових частот не змінює своєї конфігурації і залишається постійним як на 20 км/год, так і на 100 км/год. Основні діапазони частот для всіх досліджуваних шин залишаються незмінними. Експериментально підтверджено, що із збільшенням швидкості руху автомобіля відбувається збільшення рівня звукового тиску, що створюється шиною. Із зростанням швидкості зростає і енергія коливань протектора, оскільки росте їх швидкість входу в контакт з дорогою, що підсилює процес звукоутворення. З метою виділення шуму випромінюваного при прослизанні протекторного шару щодо дорожньої поверхні, були проведені виміри рівня шуму при русі автомобіля з блокованим колесом (рис. 13 та 14).

Спектральна характеристики побудовані за результатами експериментальних досліджень, дозволяють зробити висновок про те, що частота випромінювання шуму викликаного прослизанням елементів протектора, відносно дорожньої поверхні, знаходиться в діапазоні частот від 1100 Гц до 1250 Гц.

Експериментально підтверджено, що на рівень шуму, який випромінюється автомобільною шиною, впливає її наповнювач. Результати одержані в процесі проведення експериментальних досліджень приведені на рис. 15 (відстань заміру 3 м) та 16 (відстань заміру 7,5 м).

При порівнянні спектральних характеристик шуму шини, з використання для накачки шини повітря та суміші інертних газів, при русі автомобіля зі швидкістю 60 км/год по асфальтобетонному покриттю, змінюється рівень шуму на діапазоні часто 500-650 Гц (рис. 17). Данні результати підтверджують вплив наповнювача шини на рівень її шумовипромінювання.

В роботі також була досліджена залежність спектральних характеристик шуму від внутрішнього тиску в шині. Внутрішній тиск в шині, в процесі її експлуатації на автомобілях, змінюється внаслідок збільшення температури та навантаження.

Результати, які отримані в процесі проведення експериментальних досліджень (рис. 18 та 19), показують, що при зміні внутрішнього тиску в автомобільній шині від 0,18 до 0,26 МПа рівень шуму на діапазоні частот
180 250 Гц і 1100 1250 Гц зменшується, а в діапазоні - 500 650 Гц збільшується.

Для підтвердження результатів, отриманих експериментальним шляхом в дорожніх умовах та перевірки їх достовірності, були проведені заміри рівнів шуму та вібрації шини в лабораторних умовах. Основною метою проведення лабораторних досліджень було: визначити частотну характеристику автомобільної шини при імпульсному навантаженні; відтворити на стенді процес удару елементу малюнка протектора о дорожню поверхню (рис. 20).

Перед проведенням дослідження були проведені виміри частот вібрації для шини без тиску газу та для диску. Частота коливання шини без тиску газу склала 230 Гц. Частота коливання диску - 5500 Гц.

Результати експериментальних досліджень довели, що зі зменшенням тиску повітря в шині відбувається перехід основної частоти коливання шини до нижчих частот. При тиску повітря 0,2 МПа (швидкість 15 км/год) основна частота випромінювання відповідає 630 Гц (рис. 21), при зменшенні тиску повітря до 0,16 МПа основна частота коливання знижується до 535 Гц. Окрім цього, при зниженні тиску в шині відбувається зменшення загального рівня шуму (рис. 22).

Отримані результати дозволяють зробити висновок про те, що частота вібрації є постійною і не залежить від швидкості руху колеса. Це підтверджують результати експерименту, які приведені на графіках вимірювання вібрації, при постійному тиску і збільшенні швидкості обертання колеса (рис. 23). Також, на стенді було доведено, що при заміні виду газу у шині змінюється частота та рівень її вібрації (рис. 24).

Результати експерименту, приведені на рис. 21 - 24 дозволяють зробити висновок про те, що за рівних умов експерименту (тиск 0,2 МПа, постійної швидкості обертання барабана і використання шини одного типу розміру), але при різних наповнювачах шини відбувається зміна частоти коливання шини і рівень її вібрації.

Окрім цього, результати заміру рівня вібрації, які були проведені в продовж експериментальних досліджень, довели, що основна частота коливання хвиль, які випромінює дорожнє покриття, дорівнює 3,5 Гц та знаходиться за межами звукового діапазону в інфразвуку. В зв'язку з цим, правомірним є той факт, що при аналізі експериментальних досліджень по заміру шуму автомобільної шини, ми нехтували шумом який випромінює дорожнє покриття.

У четвертому розділі проведений порівняльний аналіз результатів, отриманих теоретичним та експериментальним шляхом (рис. 25 - 27).

За результатами порівняльного аналізу, здобутих теоретичним та експериментальним шляхом, максимальна розбіжність складає 0,8 дБА. Розрахункові данні були отримані для загального рівню шуму випромінюваного автомобільною шиною при зміні газового наповнювача, при різних швидкостях та режимів руху автомобіля для шин мод. БЦ-49.

ВИСНОВКИ

1. Існуючі методики аналізу і прогнозування рівня шумовипромінювання автомобільної шин, використовують тільки результати експериментальних досліджень «загального» рівня шуму шини. Відсутній аналіз частотних характеристик шуму, що випромінюється шиною в діапазоні частот від 16 Гц до 20 КГц. Не визначені рівні шумовипромінювання шини у області власних частот вібрації залежно від її експлуатаційних і конструктивних параметрів.

2. Експериментально визначено збільшення рівня звукового випромінювання шини від 12 до 15 дБА, залежно від її розміру (195/65 R15, 205/65 R15, 185/65 R14 мод. БЦ49), при збільшенні швидкості руху колеса від 20 до 100 км/ч.

3. Доведено, що зниження тиску повітря в досліджених шинах від 0,26 до 0,18 МПа приводить до збільшення її «загального» шумовипромінювання на 1,6 дБА, за рахунок прослизання елементів протектора в зоні плями контакту з асфальтобетонним дорожнім покриттям.

4. Експериментально визначені структура шуму та вплив наповнювача шин 195/65 R15, 205/65 R15, 185/65 R14 мод. БЦ49 на їх власну частоту. Зокрема, використання суміші інертних газів для наповнення шин призводить до змінення власної частоти, в межах від 630 Гц до 535 Гц, і рівня загального шуму від 0,8 до 2 дБА.

5. Зменшення об'єму автомобільної шини мод. БЦ 49 на 5%, за рахунок розміру її профілю, призводить до зниження її шумовипромінювання на 1,5 дБА при рівних фізико-механічних властивостях матеріалу шини.

6. Експериментально визначені області резонансних частот випромінювання шуму шиною: 180-220 Гц і 500-650 Гц порушувані коливанням тіла і наповнювача шини; 1100-1250 Гц порушувані прослизанням протекторного шару шини відносно дорожньої поверхні, в якому проявляється максимальний рівень шуму автомобільної шини при швидкості руху від 20 до 100 км/ч по асфальтобетонному покриттю.

7. Одержані математичні залежності визначення рівня шуму автомобільної шини, які враховують звуковий опір матеріалу шини та внутрішнього об'єму. Максимальна розбіжність результатів теоретичних і експериментальних досліджень складає 0,8 дБА.

8. Результати дисертаційної роботи використані при виконанні досліджень по госпдоговорах між ХНАДУ і Одеським заводом по виробництву інертних газів (ТОВ «Айсблік). Окрім цього, результати роботи були упроваджені і використовуються на автотранспорті ТОВ «Зміївського АТП - 16343», про що свідчать відповідні акти (Додаток А).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ