CN109249750B - 车轮轴向降噪方法、车轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

车轮轴向降噪方法，其特征在于在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上分别安装带有阻尼耗能材料的车轮降噪环，所述的车轮降噪环与车轮轮辋贴合接触，将车轮的侧滑振动沿轴向传递至车轮降噪环，通过车轮降噪环中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到吸振耗能，减小车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的。本发明通过车轮降噪环转移车轮的振动能量，通过车轮降噪环中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到降低车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的。本发明还提供一种车轮及其设计方法。

Description

车轮轴向降噪方法、车轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种车轮轴向降噪方法，用于降低轮轨噪声中的侧滑摩擦啸叫噪声。本发明还涉及一种车轮及其设计方法。

背景技术

轮轨噪声为轨道车辆系统的主要噪声源，对于城市地铁而言，由于受市域空间限制，其曲线线路较多且部分曲线半径较小，轮轨噪声中的侧滑摩擦啸叫声成为突出问题。

现有车轮降噪装置主要有车轮阻尼器、车轮降噪板、车轮降噪环和弹性车轮。但现有车轮降噪块装置：一般安装在轮缘内侧，属于径向安装，能够有效地降低车轮滚动产生的噪声，但车轮通过曲线尤其是城轨小曲线段时，车轮会因摩擦、侧滑产生很大的高频啸叫声，这种情况就急需轴向安装的降噪装置来进行降噪。

检索到的车轮降噪的相关现有专利文献：

1、CN204310179479，车轮降噪阻尼器及车轮降噪方法；

2、CN201420339567，车轮降噪阻尼器；

3、CN201710981730，一种动力吸振式车轮降噪块及降噪方法；

4、CN201710981843，车轮降噪块的阻尼层填充方法、定位结构及车轮降噪块；

5、CN201710981817，一种车轮降噪方法及多层式车轮降噪块；

6、CN201724354121，一种防变形的车轮降噪块的硫化定位结构及车轮降噪块；

7、CN201810018195，高铁车轮降噪圈；

8、CN201810046643，一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮；

9、CN201810100388，高铁车轮降噪块。

现有的车轮降噪技术存在的缺陷是：

1、大多为轮轨之间径向降噪，能够有效地降低车轮滚动产生的噪声，但不能降低轨辆转弯时，车轮侧滑摩擦啸叫噪声。

2、在车辆高速行驶的情况下，车轮产生较大的离心力，在振动工况恶劣的情况下，若降噪装置个别螺栓发生松动情况，提高车辆运行安全风险。

发明内容

本发明提供的车轮轴向降噪方法，通过车轮降噪环转移车轮的振动能量，通过车轮降噪环中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到降低车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的。本发明还提供一种车轮及其设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

车轮轴向降噪方法，其特征在于在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上分别安装带有阻尼耗能材料的车轮降噪环，所述的车轮降噪环与车轮轮辋贴合接触，将车轮的侧滑振动沿轴向传递至车轮降噪环，通过车轮降噪环中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到吸振耗能，减小车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的。

优选的，将所述的车轮降噪环设计为包括金属材质的环形底板和均匀分布在环形底板上且呈圆弧形状的阻尼夹心块，所述的阻尼夹心块具有沿轴向交替叠层的橡胶阻尼板和金属共振板，且在阻尼夹心块设置沿轴向的传振金属块，传振金属块与金属共振板接触，将振动传递至各层金属共振板。

优选的，相邻的阻尼夹心块隔间的周向宽度小于阻尼夹心块的弧长，阻尼夹心块在环形底板上所占的圆弧角度大于180度，在相邻的阻尼夹心块之间的环形底板上开设安装孔。

优选的，所述的环形底板与最内层的橡胶阻尼板硫化粘结，金属共振板与橡胶阻尼板硫化粘结，橡胶阻尼板和金属共振板的层数相同，且最外层为金属共振板。

优选的，所述的传振金属块位于橡胶阻尼板的中心位置，并贯穿各层橡胶阻尼板，将每层的橡胶阻尼板分开成两段。

优选的，所述的传振金属块的周向宽度不大于阻尼夹心块周向宽度的1/5。

优选的，所述的环形底板、金属共振板和传振金属块为铸造成型的一体结构。

采用以上所述的车轮轴向降噪方法的车轮，包括车轮和装在车轮上的车轮降噪环，车轮降噪环分别安装在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上，所述的车轮降噪环与车轮轮辋贴合接触。

以上所述的车轮的设计方法 ，步骤如下：

首先，确定不带车轮降噪环的车轮的模态参数，利用有限元仿真软件或者模态测试系统分析得出不带车轮降噪环的车轮轴向模态频率和所需的降噪频率；

其次，根据车轮车辋的尺寸设计车轮降噪环内径及外径，根据不带车轮降噪环的车轮轴向模态频率和所需的降噪频率，设计车轮降噪环的轴向厚度和车轮降噪环中阻尼耗能材料的硬度、占比、形状及尺寸；

然后，采用实验得出阻尼耗能材料的厚度和动刚度之间的因子关系；

之后，利用有限元软件建立车轮降噪环的参数化模型，得到车轮降噪环的模态频率以及模态参与质量，再采用有限元软件进行优化设计、迭代分析与最优值求解，获得优化后的车轮降噪环的轴向厚度和车轮降噪环中阻尼耗能材料的硬度、占比、形状及尺寸；

最后，通过声学仿真软件计算装有车轮降噪环的车轮的声功率，以验证装有车轮降噪环的车轮相比不带车轮降噪环的车轮的声功率降低量。

优选的，“车轮降噪环的轴向厚度和车轮降噪环中阻尼耗能材料的占比、形状及尺寸”是指阻尼夹心块的个数和长度，环形底板、橡胶阻尼板和金属共振板的轴向厚度，橡胶阻尼板和金属共振板的层数以及传振金属块的周向厚度。

发明的有益效果是：

1、本发明在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上分别安装带有阻尼耗能材料的车轮降噪环，通过车轮降噪环转移车轮的振动能量，通过车轮降噪环中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到降低车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的。

2、车轮降噪环中具有沿轴向交替叠层的橡胶阻尼板和金属共振板及将振动传递至各层橡胶阻尼板的振动金属块，使车轮的振动传递至各层橡胶阻尼板上，使其能够充分地发生振动变形，进行能量耗散，从而大幅提高降噪效果。

3、本发明中车轮降噪环中的环形底板、金属板和传振金属块为铸造成型的一体结构，且橡胶阻尼板与环形底板和金属板硫化粘结，形成一体结构的车轮降噪环，车轮降噪环的安装更加方便，不易从车轮上脱落移位，在振动工况恶劣的情况下，若车轮降噪环与车轮连接的个别螺栓发生松动脱落，也不会靠近车轮降噪环的脱落，提高车辆运行安全性。

4、本发明的车轮设计方法，通过有限元软件建立车轮降噪环的参数化模型，通过声学仿真软件计算装有车轮降噪环的车轮的声功率，以验证装有车轮降噪环的车轮相比不带车轮降噪环的车轮的声功率降低量，从而分析出装有车轮降噪环的车轮的降噪效果。

附图说明

图1为车轮降噪环安装在车轮侧面上的结构示意图。

图2为车轮降噪环的结构示意较长。

图3为图2的局部放大图。

具体实施方式

下面结合图1至图 3对本发明的实施例做详细说明。

车轮轴向降噪方法，其特征在于在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上分别安装带有阻尼耗能材料的车轮降噪环1，所述的车轮降噪环1与车轮轮辋贴合接触，将车轮2的侧滑振动沿轴向传递至车轮降噪环1，通过车轮降噪环1中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到吸振耗能，减小车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的。

如图1所示，车轮振动时，通过车轮降噪环转移车轮的振动能量，通过车轮降噪环中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到降低车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的。

其中，将所述的车轮降噪环1设计为包括金属材质的环形底板3和均匀分布在环形底板3上且呈圆弧形状的阻尼夹心块4，所述的阻尼夹心块4具有沿轴向交替叠层的橡胶阻尼板41和金属共振板42，且在阻尼夹心块4设置沿轴向的传振金属块43，传振金属块43与金属共振板42接触，将振动传递至各层金属共振板42。

环形底板3用于安装定位，与车轮轮辋贴合接触，将车轮的振动传递到阻尼夹心块4，阻尼夹心块4中的橡胶阻尼板41因振动产生剪切弯曲变形，消耗振动能量，达到减小振动的目的。当车辆转弯时，车轮因侧向滑动而产生侧向振动，并产生车轮侧滑摩擦啸叫噪声，车轮侧向振动通过环形底板3传递至阻尼夹心块4中，阻尼夹心块4振动后，金属共振板42与车轮一同振动，使金属共振权42之间的橡胶阻尼板41发生剪切弯曲变形，消耗振动能量，减小车轮侧滑摩擦擦啸叫噪声。

其中，相邻的阻尼夹心块4隔间的周向宽度小于阻尼夹心块4的弧长，阻尼夹心块4在环形底板3上所占的圆弧角度大于180度，保证阻尼夹心块4在环形底板3上的占比，使阻尼夹心块4能免进行有效的吸振耗能，在相邻的阻尼夹心块4之间的环形底板3上开设安装孔31，方便车轮降噪环1的安装。

其中，所述的环形底板3与最内层的橡胶阻尼板41硫化粘结，金属共振板42与橡胶阻尼板41硫化粘结，橡胶阻尼板41和金属共振板42的层数相同，且最外层为金属共振板42。车轮的振动沿轴向由环形底板3传递至最内层的橡胶阻尼板41，再由传振金属块43将振动传递至各层金属共振板42，使各层金属共振板42振动，使金属共振板42之间的橡胶阻尼板41发生剪切弯曲变形，消耗金属共振板42的振动能量，减小车轮的振动，降低车轮因侧向摩擦而引起的噪声。

其中，所述的传振金属块43位于橡胶阻尼板41的中心位置，并贯穿各层橡胶阻尼板41，将每层的橡胶阻尼板41分开成两段。传振金属块43沿轴向由内向外传递振动，传振金属块43位于中间位置，利于振动的有效传递，保证金属共振板42沿周向均能接收振动，将振动均匀分散的传递至各层金属共振板42。

其中，所述的传振金属块43的周向宽度不大于阻尼夹心块4周向宽度的1/5。保证橡胶阻尼板的长度，提高橡胶阻尼板耗能功率，保证吸振耗能效果。

其中，所述的环形底板3、金属共振板42和传振金属块43为铸造成型的一体结构。车轮降噪环的安装更加方便，不易从车轮上脱落移位，在振动工况恶劣的情况下，若车轮降噪环与车轮连接的个别螺栓发生松动脱落，也不会靠近车轮降噪环的脱落，提高车辆运行安全性。

本发明还保护采用以上所述的车轮轴向降噪方法的车轮，包括车轮和装在车轮上的车轮降噪环1，车轮降噪环1分别安装在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上，所述的车轮降噪环1与车轮轮辋贴合接触。

在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上分别安装带有阻尼耗能材料的车轮降噪环，通过车轮降噪环转移车轮的振动能量，通过车轮降噪环中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到降低车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的，降低车辆转变时轮轨之间的噪声。

本发明还保护以上所述的车轮的设计方法 ，步骤如下：

首先，确定不带车轮降噪环1的车轮的模态参数，利用有限元仿真软件或者模态测试系统分析得出不带车轮降噪环1的车轮轴向模态频率和所需的降噪频率；

其次，根据车轮车辋的尺寸设计车轮降噪环1内径及外径，根据不带车轮降噪环1的车轮轴向模态频率和所需的降噪频率，设计车轮降噪环1的轴向厚度和车轮降噪环1中阻尼耗能材料的硬度、占比、形状及尺寸，即设计车轮降噪环1的尺寸、确定阻尼耗能材实的材质，阻尼耗能材料在车轮降噪环1中阻尼耗能材料的比重，形状及尺寸。

然后，采用实验得出阻尼耗能材料的厚度和动刚度之间的因子关系，即通过实验得出设计出的车轮降噪环1中阻尼耗能材料的厚度变化与动刚度变化的关系，保证车轮降噪环在沿轴向传递车轮振动时，阻尼耗能材料的变型能有效的吸收振动能量，避免因车轮降噪环中阻尼耗能材料厚度过大，造成车轮降噪环动刚度较小，使阻尼耗能材料变型位移过大，对车轮的正常运行进行干涉或阻尼未能材料厚度过小，造成车轮降噪环动刚度过大，使阻尼耗能材料的剪切弯曲变形的吸振能力过小，不能起到有效吸振降噪的效果。

之后，根据第一步得到的车轮降噪环的各项参数和第二步得到的阻尼耗能材料的厚度和动刚度之间的因子关系，利用有限元软件建立车轮降噪环的参数化模型，得到车轮降噪环的模态频率以及模态参与质量，再采用有限元软件进行优化设计、迭代分析与最优值求解，获得优化后的车轮降噪环1的轴向厚度和车轮降噪环1中阻尼耗能材料的硬度、占比、形状及尺寸，以便车轮降噪环1在车辆的实际运行过程中能具有更好的吸能降噪效果。

最后，通过声学仿真软件计算装有车轮降噪环1的车轮的声功率，以验证装有车轮降噪环1的车轮相比不带车轮降噪环1的车轮的声功率降低量，从而分析出装有车轮降噪环的车轮的降噪效果。

其中，“车轮降噪环1的轴向厚度和车轮降噪环1中阻尼耗能材料的占比、形状及尺寸”是指阻尼夹心块4的个数和长度，环形底板3、橡胶阻尼板41和金属共振板42的轴向厚度，橡胶阻尼板41和金属共振板42的层数以及传振金属块43的周向厚度。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.车轮轴向降噪方法，其特征在于在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上分别安装带有阻尼耗能材料的车轮降噪环（1），所述的车轮降噪环（1）与车轮轮辋贴合接触，将车轮（2）的侧滑振动沿轴向传递至车轮降噪环（1），通过车轮降噪环（1）中的阻尼耗能材料在振动过程中的剪切弯曲变形将振动转化为热能进行消耗，达到吸振耗能，减小车轮侧滑摩擦啸叫噪声的目的；

将所述的车轮降噪环（1）设计为包括金属材质的环形底板（3）和均匀分布在环形底板（3）上且呈圆弧形状的阻尼夹心块（4），所述的阻尼夹心块（4）具有沿轴向交替叠层的橡胶阻尼板（41）和金属共振板（42），且在阻尼夹心块（4）设置沿轴向的传振金属块（43），传振金属块（43）与金属共振板（42）接触，将振动传递至各层金属共振板（42）；

所述的环形底板（3）与最内层的橡胶阻尼板（41）硫化粘结，金属共振板（42）与橡胶阻尼板（41）硫化粘结，橡胶阻尼板（41）和金属共振板（42）的层数相同，且最外层为金属共振板（42）；

所述的传振金属块（43）位于橡胶阻尼板（41）的中心位置，并贯穿各层橡胶阻尼板（41），将每层的橡胶阻尼板（41）分开成两段；

所述的环形底板（3）、金属共振板（42）和传振金属块（43）为铸造成型的一体结构。

2.根据权利要求1所述的车轮轴向降噪方法，其特征在于相邻的阻尼夹心块（4）隔间的周向宽度小于阻尼夹心块（4）的弧长，阻尼夹心块（4）在环形底板（3）上所占的圆弧角度大于180度，在相邻的阻尼夹心块（4）之间的环形底板（3）上开设安装孔（31）。

3.根据权利要求1所述的车轮轴向降噪方法，其特征在于所述的传振金属块（43）的周向宽度不大于阻尼夹心块（4）周向宽度的1/5。

4.采用权利要求1至3任一项所述的车轮轴向降噪方法的车轮，包括车轮和装在车轮上的车轮降噪环（1），车轮降噪环（1）分别安装在同轴对齐的两个车轮相对的侧面上，所述的车轮降噪环（1）与车轮轮辋贴合接触。

5.权利要求4所述的车轮的设计方法，步骤如下：

首先，确定不带车轮降噪环（1）的车轮的模态参数，利用有限元仿真软件或者模态测试系统分析得出不带车轮降噪环（1）的车轮轴向模态频率和所需的降噪频率；

其次，根据车轮车辋的尺寸设计车轮降噪环（1）内径及外径，根据不带车轮降噪环（1）的车轮轴向模态频率和所需的降噪频率，设计车轮降噪环（1）的轴向厚度和车轮降噪环（1）中阻尼耗能材料的硬度、占比、形状及尺寸；

然后，采用实验得出阻尼耗能材料的厚度和动刚度之间的因子关系；

之后，利用有限元软件建立车轮降噪环的参数化模型，得到车轮降噪环的模态频率以及模态参与质量，再采用有限元软件进行优化设计、迭代分析与最优值求解，获得优化后的车轮降噪环（1）的轴向厚度和车轮降噪环（1）中阻尼耗能材料的硬度、占比、形状及尺寸；

最后，通过声学仿真软件计算装有车轮降噪环（1）的车轮的声功率，以验证装有车轮降噪环（1）的车轮相比不带车轮降噪环（1）的车轮的声功率降低量。

6.根据权利要求5所述的车轮的设计方法，其特征在于“车轮降噪环（1）的轴向厚度和车轮降噪环（1）中阻尼耗能材料的占比、形状及尺寸”是指阻尼夹心块（4）的个数和长度，环形底板（3）、橡胶阻尼板（41）和金属共振板（42）的轴向厚度，橡胶阻尼板（41）和金属共振板（42）的层数以及传振金属块（43）的周向厚度。

Images