Методика расчета и экспериментальное исследование шума системы “шины автотранспортного средства – дорожное покрытие” Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.836.2:629.11

МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМА СИСТЕМЫ "ШИНЫ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА - ДОРОЖНОЕ ПОКРЫТИЕ"

© 2012 А.В. Васильев, Е.А. Комлик

Тольяттинский государственный университет

Поступила в редакцию 29.09.2011

Предложена методика расчета шума, создаваемого системой "шины автотранспортного средства -дорожное покрытие". Представлены результаты экспериментальных исследований акустических характеристик шин для различных для различных конструкций шин и типов дорожных покрытий. Ключевые слова: автотранспортное средство, шум, шины, дорожное покрытие, расчет, эксперимент

1. ВВЕДЕНИЕ

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.

Шум, возникающий при взаимодействии шин автотранспортного средства с дорожным покрытием при скорости движе-ния свыше 50 км/ч, является наиболее интенсивным источником акустического излучения, в значительной степени определяющим общий уровень внешнего шума автотранспортного средства. При этом дорожное покрытие играет важную роль в процессе генерации и распространения шума. При движении автомобиля неровность дорожной поверхности заставляет шины вибрировать, производя звуковые волны. Это явление вызывает шум, похожий на гул. Однако создание дорог с более гладкой поверхностью не решит проблему полностью, поскольку есть еще и другое явление - это воздух,

Андрей Витальевич Васильев, доктор технических наук, профессор, директор института химии и инженерной экологии. Email: avassil62@mail.ru

Евгений Александрович Комлик, аспирант кафедры "Инженерная защита окружающей среды". Email: ea komlik@mail.ru

захватываемый шинои 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 Кер-ла, формула для расчета уровня акустического излучения примет вид:

f

+/U-

2 дц

(

дц дц lYl

3 дх

V '

+рц. ц +/U-

дх. дх

V J '

ц d+_L JL ,г[(р . pk+

J r An дх'дх, JLV 0 yr,J

( 2 дц _(дц+дЦ Yl

3 дх. дх. дх.

' V J ' J)

^+Po £

(1)

Po

где £ - имеющаяся в потоке поверхность; р -плотность невозмущенной среды; V- скорость движения; г - расстояние между точкой наблю-

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, №1(3), 2012

дения и точкой на поверхности Кирхгофа; Р0 -нулевой порог слышимости ( Р0 = 2 -10 "5 Па); С0 - скорость звука; - составляющая вектора нормали; §,- дельта Кронекера; ¡и - коэффициент динамической вязкости; р - звуковое давление (Па); ^ - пространственная область; Ц, Ц - составляющие вектора скорости.

В результате решения дифференциального уравнения (1), получим:

Ь = 20^

0.08-р-Я-Ц

г - X - Р0

(2)

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 Ру сопротивления качению колес автомобиля по дороге, сила РА сопротивления, возникающая при движении автомобиля на подъем, сила Р сопротивления разгону автомобиля при движении ускоренно, сила Р^, сопротивления воздуха.

Р = Р + Р + Р + Р + Р

ГК Гр^ ГШ ^ Г] ^ Г/ ^ ГА .

(3)

Подставим значения сил сопротивления, уравнение тягового баланса примет вид:

МЕКоПм =цоА + кV2 +

С ,§1 .-.г

+ Оа1 + (р2Хк

.(4)

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

В результате тождественных преобразований (2) получим:

0.08-р-Я-

Ь = 20 1§

-60-735.5- 'к'аУм „С

--Vе А

Са§

2я- п

^ - С а¥ ~4>22к %_

¥

К • I • г

(5)

где 1К - передаточное число коробки передач; 1а

- передаточное число главной передачи; Т] м - механический к. п. д. трансмиссии; п - число оборотов двигателя; ЫЕ - мощность двигателя; СА

- сила тяжести; / -коэффициент сопротивления качению; к - коэффициент сопротивления воздуха; ¥ - лобовая площадь автомобиля; ш - суммарным коэффициентом сопротивления дороги; % - ускорение силы тяжести; § - коэффициент учета вращающихся масс; 2К 2 - реакция радиальные реакции на каждое из задних колес; гк - радиус качения колеса (м); р - 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.

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.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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-

гк

N

Е

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 Я13 - Я14) 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/Я14 - 175/65/Я14) 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/Я14 - 175/65/Я14) 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев А.В., Шевченко Д.П. Моделирование, расчет и мониторинг шума транспортных потоков. //

Известия Самарского научного центра РАН. 2004. Т.6. №2. С. 399-407.

2. ИвановН.И., Никифоров А.С. Основы виброакустики: Учебник для вузов. СПб.: Политехника, 2000. 482 с.

3. Комлик Е.А., Васильев А.В. Математическое описание и расчет шума системы "шины автотранспортного средства - дорожное покрытие" // Известия Самарского научного центра РАН. 2010. Т. 12. №1 (9). С. 2246-2250.

METHODIC OF CALCULATION AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF NOISE OF THE SYSTEM "VEHICLE'S TIRES - ROAD SURFACE"

© 2012 A.V. Vasilyev, E.A. Komlik

Togliatti State University, Togliatti, Russia

Methodic of calculation of noise of the system "vehicle's tires - road surface" is suggested. Results of experimental investigations of acoustical characteristic of tires for different tires constructions and types of road surfaces are submitted.

Key words: vehicle, noise, tires, road surface, calculation, experiment

Andrey Vasilyev, Doctor of Technical Science, Professor,

Director of the Institute of Chemistry and Environmental

Engineering. Email: avassil62@mail.ru

Eugene Komlik. Postgraduate of Department of

Environmental Protection Engineering.

Email: ea_komlik@mail.ru