Metody badań opon w aspekcie emisji hałasu

Transkrypt

1 JÓŹWIAK Zofia 1 Metody badań opon w aspekcie emisji hałasu WSTĘP W związku z prowadzonymi od pewnego czasu w Instytucie Inżynierii Transportu, Wydziału Inżynieryjno-Ekonomicznego Transportu AM w Szczecinie badaniami na temat hałasu komunikacyjnego, po pilotażowych badaniach emisji hałasu przez środki transportu w wybranych punktach Szczecina, kontynuując ich wcześniejszy zakres, postanowiono go poszerzyć o pomiary hałasu emitowanego przez opony w zależności od stopnia ich zużycia. Dlatego dokonano przeglądu oraz ocenę metod tego rodzaju badań pozwalających zrealizować założony cel. Przyjmując, że fabryczne oznakowanie poziomu emisji hałasu opon (db) mówi jedynie o braku przekroczenia zalecanej wartości normatywnej opon nowych zasadnym jest prześledzenie emisyjności w trakcie eksploatacji samochodu. W związku z tym, że obowiązek etykietowania opon został wprowadzony w UE od 1 listopada 2012 roku (Regulamin nr 117 EKG ONZ Jednolite przepisy dotyczące homologacji opon w odniesieniu do emisji hałasu toczenia i przyczepności na mokrych nawierzchniach) obecnie eksploatowane są zarówno opony oznakowane jak i nieoznakowane, dlatego uzupełnieniem badań będzie oszacowanie udziału na rynku samochodowym opon nieoznakowanych. Klasa zewnętrznego hałasu toczenia określana jest na trzech poziomach (opona cicha, opona o średnim poziomie głośności i opona głośna) na podstawie wartości granicznej (LV 72dB) określonej w rozporządzeniu w db (N) jako: N LV 3, LV-3 < N LV, N > LV (odpowiednio oznakowane 1 fala, dwie fale i 3 fale). Na rys. 1 pokazano oznakowanie emisji hałasu toczenia na poziomie między 72 a 69 db. Rys. 1 Oznakowanie opony o średnim poziomie głośności Obecnie bardzo dużo badań w UE poświęca się hałasowi emitowanemu przez środki transportu, a wyniki tych badań są podstawą do opracowania nowych wytycznych oraz norm określających maksymalne dopuszczalne natężenia hałasu, zarówno w miejscu zamieszkania jak i rekreacji oraz wypoczynku [7,9,10]. Najbardziej rozpowszechnionym negatywnym skutkiem oddziaływania hałasu na organizm ludzki są szumy uszne (łac. tinnitus auris) oraz nadwrażliwość na dźwięki (ang. hyperacusis) wywołane upośledzeniem słuchu z powodu narażenia ludzi na wysoki poziom hałasu. Z danych UE wynika, że co najmniej 10% populacji cierpi z powodu szumów usznych i/lub nadwrażliwości na dźwięki, a skala tego zjawiska narasta wśród młodych ludzi [3]. Ponadto hałas powoduje często bezsenność, zaburzenia wzroku, węchu i smaku, nieprawidłowe reakcje termiczne, brak apetytu, bóle i zawroty głowy oraz sprzyja rozwojowi chorób nowotworowych, sercowych i naczyniowych [6]. Zgodnie z założeniami unijnymi należy dążyć do zmniejszenia o 15 % liczby osób narażonych w porze nocnej na hałas o natężeniu 55 db. Cel ten powinien być zrealizowany do roku W dalszej perspektywie planowane jest zmniejszenie emisji hałasu w ciągu dnia (L DEN ) do 40 db, a w nocy (L NIGHT ) do 35 db [6]. Wobec powyższego podejmowane badania są jak najbardziej 1 Akademia Morska w Szczecinie, Wydział Inżynieryjno-Ekonomiczny Transportu; Szczecin; ul. Henryka Pobożnego 11. Tel: , Fax: , z.jozwiak@am.szczecin.pl, zofia_jozwiak@interia.pl 2643

2 uzasadnione. W tab. 1 pokazano dopuszczalny poziomu emitowanego natężenia hałasu dla nowych opon. Tab.1. Dopuszczalny poziom hałasu generowany nowe opony. Nominalna szerokość przekroju opony Dopuszczalny poziom hałasu db(a) < > MECHANIZM GENEROWANIA HAŁASU PRZEZ OPONY Na hałas generowany przez poruszający się pojazd składają się odgłosy pracy silnika, układu wydechowego i napędowego oraz styku opon z nawierzchnią drogową. Postęp i innowacyjność w budowie silników oraz układów wydechowych i napędowych samochodów spowodował, że udziału mechanicznych i termodynamicznych źródeł hałasu znajduje się głównie na styku opony z nawierzchnią jezdni (Rys. 2-3). A B 25% 36% 75% 64% A Samochód osobowy B samochód ciężarowy Rys. 2 Procentowy udział hałasu generowanego przy prędkości jazdy 50km/h, na ulicy miejskiej w terenie zabudowanym. Źródło: opracowano na podstawie[1]. A B 25% 36% 75% 64% Rys. 3 Procentowy udział hałasu generowanego przy prędkości jazdy 100km/h, na drodze publicznej w terenie niezabudowanym [1]. Źródło: opracowano na podstawie[1]. Wyniki badań naukowych wielu ośrodków badawczych podają, że przy prędkości około km/h hałas generowany przez toczące się po nawierzchni asfaltowej opony niemal zrównuje się z poziomem natężenia hałasu emitowanego przez źródła mechaniczne w pojeździe, natomiast dla wyższych prędkości staje się dominującą składową całkowitego hałasu generowanego przez pojazd. 2644

3 Mechanizm generowania hałasu przez opony jest dwojakiego; mechaniczny i aerodynamiczny. Pierwszy powstaje na skutek (rys.4): drgań promieniowych wynikających z nierównej powierzchni tocznej (Rys. 4-a), drgań promieniowych wynikających z odkształconych fragmentów bieżnika (Rys. 4-b), drgań stycznych (Rys. 4-c), drgań ścian bocznych (Rys. 4-d), drgań wynikających z przyczepności- poślizg (Rys. 4-e), drgań wynikających z przyklejenia się- odrywania (Rys. 4-f). Przyczyny aerodynamiczne powstawania drgań i hałasów opon to (Rys. 4): zasysanie powietrza (Rys. 4-g), wypompowanie powietrza (Rys. 4-h), efekt rogu powodujący wzmocnienie dźwięku (Rys. 4-i), emisja dźwięku spowodowana rezonansem Helmholtza (Rys. 4-j), działanie opony jako pudła rezonatorowego (Rys. 4-k),, fala stojąca w kanałach rzeźby bieżnika - rezonatory falowe (Rys. 4-l). g. h. i. j. k. l. Rys. 4 Przyczyny powstawania drgań i hałasów opon [3]. Poziom dźwięku, którego źródłem są środki komunikacji drogowej, wynosi od 70 do 98 db. W tab. 2 pokazano poziom hałasu generowanego przez różnego rodzaju pojazdy. Tab.2. Poziom hałasu generowany przez różne pojazdy. Rodzaj pojazdu Poziom dźwięku [db] Samochody osobowe Autobusy i ciągniki Samochody ciężarowe Wozy oczyszczania miasta Maszyny drogowe i budowlane Motocykle Poziom hałasu drogowego jest uzależniony od takich czynników, jak: natężenie ruchu, udział pojazdów hałaśliwych (motocykle, samochody ciężarowe, autobusy), płynność ruchu, pochylenie drogi oraz jej stan techniczny. Do głównych przyczyn generowania hałasu przez opony należą: 2645

4 uderzenia klocków bieżnika w czasie dotykania powierzchni drogi i podczas oddalania się od niej, w związku z powstającymi drganiami opasującymi, które powodują efekt wycia bieżnika i dudnienia, sprężanie powietrza w rowkach bieżnika, z którym wiążą się dwa efekty: rezonans powietrza w sieci rowków bieżnika (w tym zawirowania w miejscach, gdzie spotykają się kanały), drgania powietrza uwalnianego z tyłu opony, drgania w czasie kontaktu i rozprężanie klocków bieżnika w czasie opuszczania powierzchni kontaktu. Na rys. 5 pokazano uproszczony schemat przyczyn hałasu generowanego przez opony. Rys. 5 Przyczyny powstawania hałasu na styku opona - nawierzchnia drogi. O poziomie generowanego przez opony hałasu decyduje ich konstrukcja oraz materiał, z którego zostały wykonane. Należy podkreślić, że czynnikiem wpływającym bezpośrednio na interakcję opony z drogą jest również rodzaj nawierzchni. Dlatego badając hałaśliwość opon należy również i te czynniki uwzględnić. 2. RODZAJE OPON Generalnie, uwzględniając właściwości emitowania hałasu, opony można podzielić ze względu na bieżnikowanie na symetryczne (klasyczne), symetryczne kierunkowe i asymetryczne. Do najbardziej cichych opon należą opony o bieżnikowaniu kierunkowym bez przestrzeni zamkniętych, z klockami bieżnika o zróżnicowanym kształcie ułożonymi asymetrycznie i nieregularnie, z poprzecznymi rowkami ukształtowanymi w taki sposób, aby ich wejścia i wyjścia nie pokrywały się z krawędzią styczną bieżnika. Dodatkowo bieżnik powinien być wykonany z miękkiego materiału. szersze posiadają większą powierzchnię styku z nawierzchnią, przez co są głośniejsze. Na rys. 6 pokazano opony o różnym rodzaju bieżnikowania. A. B. C. Rys. 6 o bieżnikowaniu symetrycznym A, symetrycznym kierunkowym B i asymetrycznym C. 3. METODY BADAŃ HAŁASU OPON Istnieje wiele metod mających na celu określenie poziomu hałasu, zwykle stosowane są metody zbliżone do stosowanych w czasie badań homologacyjnych opony. W związku z potrzebą ograniczenia hałasu komunikacyjnego oraz dowiedziony duży udział w generowaniu hałasu toczących się opon pojazdu, szczególnie przy prędkościach powyżej 50 km/h poszerza się spektrum badań tego zjawiska. Na rys. 7 pokazano wybrane metody badań hałasu generowanego przez opony. 2646

5 Rys. 7 Wybrane metody badań opon [2]. Najczęściej stosowaną jest metoda nazywana coast-by. Pomiar odbywa się w strefie badawczej w kształcie kwadratu o wymiarach 20m na 20m, na której środku, w odległości 7,5 m od osi ruchu pojazdu umiejscowione są mikrofony. W metodzie tej kierowca wjeżdża w strefę testową z określoną prędkością, następnie wrzuca luz i wyłącza silnik. Zgodnie z metodyką dokonuje się co najmniej 8 pomiarów, 4 w zakresach prędkości od 70 do 80 km/h oaz 4 w zakresach prędkości od 80 do 90 km/h. Maksymalna wielkość kruszywa z jakiego wykonany jest tor powinna wynosić 8mm. Innymi metodami badawczymi są: "driver-by" i cruise-by". Metoda "driver-by" charakteryzuje się tym, że kierowca wjeżdża w strefę pomiarową z prędkością 50 km/h na 2 lub 3 biegu i następnie przejeżdżając przez obszar testu przyśpiesza. Metoda "cruise-by" polega na przejeździe przez obszar testowy ze stałą prędkością. W badaniach prowadzonych w Instytucie Inżynierii Transportu będzie wykorzystana metoda coast-by. Mimo jej niedoskonałości (wielkość kruszywa) na potrzeby badań porównawczych hałasu emitowanego przez opony można ją zaakceptować. Schemat stanowiska pomiarowego dla metody coast-by przedstawiono na rys

6 B C B 10 m P 7,5m 0m 7,5m 0m P 10 m0 m A C A - mikrofon Rys. 8 Schemat stanowiska pomiarowego. WNIOSKI Korzyści z określenia hałasu generowanego przez opony samochodów osobowych są duże i wykraczają poza tradycyjny pomiar hałasu komunikacyjnego. Istotnym elementem proponowanych badań jest pomiar poziomu generowanego hałasu prze opony w różnym okresie ich eksploatacji. Cennym uzupełnieniem planowanych badań jest oszacowanie udziału opon nieoznakowanych w stosowanych na rynku oponach. Streszczenie Hałas emitowany przez środki transportu odgrywa istotną rolę w życiu każdego człowieka mieszkającego w aglomeracji miejskiej. Świadomość, że opony są źródłem nawet 90% hałasu emitowanego przez samochód osobowy skłania do szukania metod ograniczenia emisyjności tego źródła. Scharakteryzowano mechanizm generowania hałasu przez opony. Omówiono rodzaje opon oraz wpływ ich bieżnikowania na poziom generowanego hałasu. Podano wymogi unijne w zakresie oznakowania opon. Artykuł przedstawia metody badań pozwalające określić poziom generowanego hałasu komunikacyjnego przez opony. 2648

7 Research methods in terms of tire noise Abstract Noise emitted by means of transport plays an important role in the life of every person living in the urban area. Knowing that the tires are the source of as much as 90% of noise emitted by passenger car tends to look for ways to reduce the emission of this source. Characterized generation mechanism of noise from tires. The types of tire retreading and their impact on noise level. Given the EU requirements for labeling of tires. The article presents test methods for determining the level of traffic noise generated by the tires. BIBLIOGRAFIA 1. Balcerek B., Urządzenia chroniące przed hałasem - warunki prawne a rzeczywistość. Polskie Drogi 2012/4. 2. Burdzik R., Stanowiskowe badania hałaśliwości opon. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Seria: Transport, z. 77, Gliwice Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 25 czerwca 2002 r. odnosząca się do oceny i zarządzania poziomem hałasu w środowisku (2002/49WE). 4. Gronowicz J., Ochrona środowiska w transporcie lądowym. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Poznań Radom [dostęp: r.] 6. Jóźwiak Z., Stattler W., Ocena natężenia hałasu generowanego przez transport samochodowy w wybranych punktach Szczecina. Autobusy Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 3/ Laskowska Wiktoria., Analiza natężenia hałasu emitowanego przez środki transportu drogowego w centrum Szczecina z uwzględnieniem wpływu jakości opon i nawierzchni dróg. Praca dyplomowa inżynierska, napisana pod kierunkiem Z. Jóźwiak. Wydział Inżynieryjno- Ekonomiczny Transportu Akademii Morskiej w Szczecinie, Szczecin Opinia Komitetu Regionów Dyrektywa w sprawie hałasu w środowisku: dalsze działania. (2012/C 113/08), Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej, C 113/40-44, Piec P., Zając G., Wpływ eksploatacji pojazdów na propagację hałasu. Problemy eksploatacji 2002 nr Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 16 czerwca 2011 r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów substancji lub energii w środowisku przez zarządzającego drogą, linią kolejową, linią tramwajową, lotniskiem lub portem (Dz. U nr 140 poz. 824). 11. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 czerwca 2007 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku (Dz. U nr 120 poz. 826). 12. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 czerwca 2007 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku (Dz. U. z 2007 r. Nr 120, poz. 826). 13. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 2 października 2007 r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów w środowisku substancji lub energii przez zarządzającego drogą, linią kolejową, linią tramwajową, lotniskiem, portem (Dz. U. 2007r. Nr 192, poz załączniki 1 i 2). 14. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 4 listopada 2008 r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji oraz pomiarów ilości pobieranej wody (Dz. U. z 2008 r. Nr 206, poz załącznik numer 6). 15. Zielińska E., Lejda K., Analiza i modelowanie procesów logistycznych w zapleczu technicznym transportu samochodowego w aspekcie problemów ekologicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów