CN109649092A - 充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，建立以真实轮胎内部中间腔体为基础的有限元模型，以胎面为基准向胎内划分出一个矩形凹槽，凹槽的尺寸和位置与充气轮胎中噪音消减装置的尺寸和位置相同；将凹槽底面定义为有一定厚度和流阻率的多孔层阻抗边界，且该多孔层满足Delany‑Bazley多孔材料理论模型；计算不同尺寸和流阻率情况下有限元模型在150Hz‑250Hz频段内的声压级曲线的峰值，得到轮胎空腔声压级最大值与多孔材料尺寸及流阻率的关系，以此设计轮胎空腔共振噪音消减装置；在有效降低轮胎空腔共振噪声的同时，更加优化噪音消减装置的参数选择和设计。

Description

充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法
技术领域
本发明涉及充气轮胎，更具体地说是针对充气轮胎空腔共振噪音的消减装置的设计方法。
背景技术
噪声是乘用车驾乘舒适性的重要指标，汽车在行驶过程中，充气轮胎与轮辋之间形成的空腔所产生的空腔共鸣音是汽车噪音的重要来源之一。轮胎空腔共振噪音的频率与轮胎的尺寸和规格有关，通常在150Hz～250Hz之间存在明显且尖锐的共振峰值，给车内的乘客带来不悦的感受。
为了降低充气轮胎噪音，目前已有在轮胎空腔中配置吸音材料的相关技术方案，利用吸音材料的吸音效果降低轮胎空腔噪音；但是，吸声材料质量太大会影响车轮重量，增加油耗和成本，而质量太小则不能达到噪音消减的效果；现有技术中，针对减小吸音材料质量和降低噪音，如何能有效选择吸音材料的尺寸、以及材料特性参数等迄今未有公开报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，以期在有效降低轮胎空腔共振噪声的同时，更加优化噪音消减装置的参数选择和设计。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，所述轮胎空腔是由轮胎的胎面内表面与轮辋共同形成的呈环形的轮胎空腔，所述轮胎空腔共振噪音消减装置是安装在胎面内表面上的多孔材料层，所述多孔材料层沿轮胎周向整圈铺设，横断面呈矩形，矩形断面的多孔材料层的宽度为L，厚度为C；其特征是：所述充气轮胎空腔共振噪音消减装置设计方法按如下步骤进行：
步骤1：将所述轮胎空腔的空腔三维模型导入有限元软件，形成空腔有限元模型，定义所述空腔有限元模型的材料为空气、空腔有限元模型中各表面均为硬声场边界，设定所述空腔有限元模型的内部压强；在所述空腔有限元模型的内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔在150Hz-250Hz频段内P点位置处的声压级曲线S1，并提取声压级曲线S1中声压级最大值；
步骤2：在所述轮胎空腔的空腔三维模型中，按所述共振噪音消减装置所占据的位置划分出一个环形凹槽，形成含多孔材料三维模型，所述环形凹槽在环形轮胎空腔的外圆周面上为敞口，所述环形凹槽的底面处在环形轮胎空腔的腔体内；环形凹槽的凹槽深度A1等于多孔材料层的材料厚度C，环形凹槽的凹槽宽度A2等于多孔材料层的材料宽度L；
步骤3：将所述含多孔材料三维模型导入有限元软件，形成含多孔材料有限元模型，定义所述含多孔材料有限元模型的材料为空气，定义含多孔材料有限元模型中环形凹槽的凹槽底面为多孔层阻抗边界，定义所述多孔层阻抗边界的厚度等于凹槽深度A1；其余各表面均为硬声场边界；所述多孔层符合Delany-Bazley多孔材料理论模型；设定所述含多孔材料有限元模型的内部压强；
步骤4：设定环形凹槽的凹槽深度A1和凹槽宽度A2，调整多孔层阻抗边界的流阻率A3；在含多孔材料有限元模型内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔在150Hz-250Hz频段内P点位置处的的各不同流阻率所对应的声压级曲线S11，并提取各声压级曲线S31中声压级最大值，获得在设定的凹槽深度A1和凹槽宽度A2之下，流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32；
步骤5：设定环形凹槽的凹槽深度A1和多孔层阻抗边界的流阻率A3，调整凹槽宽度A2，在含多孔材料有限元模型内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔在150Hz-250Hz频段内P点位置处的的各不同宽度所对应的声压级曲线S21，并提取各声压级曲线S21中声压级最大值，获得在设定的凹槽深度A1和流阻率A3之下，凹槽宽度A2与声压级最大值之间的关系曲线S22；相应的方式获得在设定的凹槽宽度A2和流阻率A3之下，凹槽深度A1与声压级最大值之间的关系曲线S11。
依据步骤4中所获得的流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32确定应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层的流阻率；
依据步骤1中所获得的声压级曲线S1中声压级最大值，以及步骤5中所获得的凹槽深度A1与声压级最大值之间的关系曲线S11确定应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层的材料厚度C；
依据步骤1中所获得的声压级曲线S1中声压级最大值，以及步骤5中所获得的凹槽宽度A2与声压级最大值之间的关系曲线S21确定应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层的材料宽度。
本发明充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法的特点也在于：所述应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层的流阻率选择为不低于所述流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32中第一个波谷处流阻率的70％。
本发明充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法的特点也在于：所述应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层的材料厚度设置为选定的凹槽深度；所述选定的凹槽深度的声压级最大值相对于不含多孔材料的空腔有限元模型的声压级最大值的下降量不低于10dB。
本发明充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法的特点也在于：所述应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层的材料宽度设置为选定的凹槽宽度；所述选定的凹槽宽度的声压级最大值相对于不含多孔材料的空腔有限元模型的声压级最大值的下降量不低于10dB。
本发明充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法的特点也在于：所述多孔材料层是以满足Delany-Bazley多孔材料理论模型的聚氨酯海绵为材质。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明方法为轮胎空腔共振噪音消减装置的安装提供具体的指导原则和理论，有利于实现最大化降低轮胎空腔噪音；实现在保证噪声消减的前提下节约材料成本，降低汽车燃油消耗，提高行驶稳定性。
2、本发明方法通过获得轮胎空腔共振噪音与多孔材料流阻率的变化关系曲线，为噪音消减装置的设计提供了更加可靠的依据。
附图说明
图1为本发明中轮胎噪音消减装置结构示意图；
图2为含多孔材料有限元模型的三维示意图；
图3为含多孔材料有限元模型的二维剖面图；
图4为无多孔材料有限元模型的三维示意图；
图5为空腔共振消减装置紧密粘贴在轮胎内表面的剖面图；
图6为本发明方法中环形凹槽宽度与对应宽度下声压级最大值的关系曲线；
图7为本发明方法中环形凹槽深度与对应深度下声压级最大值的关系曲线；
图8为本发明方法中多孔层阻抗边界流阻率与对应流阻率下声压级最大值的关系曲线；
图9为充气轮胎有无加装噪音消减装置传递函数对比图；
图中标号：1多孔材料层，2a轮辋，2b轮辐，3充气轮胎，4a胎面内表面，5胎侧部，6胎圈部，7帘布层，8带束层，9轮胎空腔，10凹槽底面，11含多孔材料有限元模型的空腔。
具体实施方式
参见图1，本实施例中充气轮胎是指由轮胎的胎面内表面4a与轮辋2a共同形成有轮胎空腔9的充气轮胎3；充气轮胎3装设在轮辋2a上，由轮辐2b支撑；充气轮胎3包括：胎面部4、处在左右两侧边的胎圈部6、将胎面部4与胎圈部6相连接的左右两侧部的胎侧部5，在左右胎圈部6之间在轮胎内部延伸有帘布层7，在胎面部4的帘布层外周侧设置有带束层8，以通过轮辋2a将充气轮胎3的空腔进行密闭的方式，将充气轮胎3安装在车轮上。
参见图1和图5，本实施例中，轮胎空腔共振噪音消减装置是安装在胎面内表面4a上的多孔材料层1，多孔材料层1沿轮胎周向整圈铺设，横断面呈矩形，矩形断面的多孔材料层1的宽度为L，厚度为C；本实施例中充气轮胎空腔共振噪音消减装置设计方法按如下步骤进行：
步骤1：将轮胎空腔9的空腔三维模型导入有限元软件COMSOL Multiphysics 5.3a中，形成无多孔材料的空腔有限元模型，如图4所示，定义空腔有限元模型的材料为空气、空腔有限元模型中各表面均为硬声场边界，设定空腔有限元模型的内部压强；在空腔有限元模型的内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔9在150Hz-250Hz频段内P点位置处的声压级曲线S1，并提取声压级曲线S1中声压级最大值。
步骤2：在轮胎空腔9的空腔三维模型中，按共振噪音消减装置所占据的位置划分出一个环形凹槽，形成含多孔材料三维模型，如图2和图3所示，即有图3中所示的含多孔材料有限元模型的空腔11，环形凹槽在环形轮胎空腔9的外圆周面上为敞口，环形凹槽的底面处在环形轮胎空腔9的腔体内；环形凹槽的凹槽深度A1等于多孔材料层1的材料厚度C，环形凹槽的凹槽宽度A2等于多孔材料层1的材料宽度L。图3中h表示模型整体宽度，r为内圈直径，R为外圈直径；
步骤3：将含多孔材料三维模型导入有限元软件COMSOL Multiphysics 5.3a中，形成含多孔材料有限元模型，定义含多孔材料有限元模型的材料为空气，定义含多孔材料有限元模型中环形凹槽的凹槽底面10为多孔层阻抗边界，定义多孔层阻抗边界的厚度等于凹槽深度A1；其余各表面均为硬声场边界；多孔层符合Delany-Bazley多孔材料理论模型；设定含多孔材料有限元模型的内部压强。
步骤4：设定环形凹槽的凹槽深度A1和凹槽宽度A2，调整多孔层阻抗边界的流阻率A3；在含多孔材料有限元模型内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔9在150Hz-250Hz频段内P点位置处的的各不同流阻率所对应的声压级曲线S11，并提取各声压级曲线S31中声压级最大值，获得在设定的凹槽深度A1和凹槽宽度A2之下，流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32。
步骤5：设定环形凹槽的凹槽深度A1和多孔层阻抗边界的流阻率A3，调整凹槽宽度A2，在含多孔材料有限元模型内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔9在150Hz-250Hz频段内P点位置处的的各不同宽度所对应的声压级曲线S21，并提取各声压级曲线S21中声压级最大值，获得在设定的凹槽深度A1和流阻率A3之下，凹槽宽度A2与声压级最大值之间的关系曲线S22；相应的方式获得在设定的凹槽宽度A2和流阻率A3之下，凹槽深度A1与声压级最大值之间的关系曲线S11。
依据步骤4中所获得的流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32确定应用于噪音消减装置中的多孔材料层1的流阻率；
依据步骤1中所获得的声压级曲线S1中声压级最大值，以及步骤5中所获得的凹槽深度A1与声压级最大值之间的关系曲线S11确定应用于噪音消减装置中的多孔材料层(1)的材料厚度C；
依据步骤1中所获得的声压级曲线S1中声压级最大值，以及步骤5中所获得的凹槽宽度A2与声压级最大值之间的关系曲线S21确定应用于噪音消减装置中的多孔材料层(1)的材料宽度。
具体实施中，应用于噪音消减装置中的多孔材料层1的流阻率选择为不低于流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32中第一个波谷处流阻率的70％；应用于噪音消减装置中的多孔材料层1的材料厚度设置为选定的凹槽深度；选定的凹槽深度的声压级最大值相对于不含多孔材料的空腔有限元模型的声压级最大值的下降量不低于10dB；应用于噪音消减装置中的多孔材料层1的材料宽度设置为选定的凹槽宽度；选定的凹槽宽度的声压级最大值相对于不含多孔材料的空腔有限元模型的声压级最大值的下降量不低于10dB；多孔材料层1是以满足Delany-Bazley多孔材料理论模型的聚氨酯海绵为材质。
轮胎空腔声压级最大值随着多孔材料厚度和宽度的增加效果越来越小；随着多孔层流阻率的逐渐增大，轮胎空腔声压级最大值呈现先剧烈下降后缓慢上升再缓慢降低的变化趋势。
以某型号轮胎205/55R16为基础绘制三维模型，如图2和图3，其中R＝597.38mm、h＝206.81mm、r＝394.02mm。
仿真对比：
设定环形凹槽的深度A1为30mm、多孔层阻抗边界流阻率A3为29000Pa·s/m2，将环形凹槽的宽度A2从0逐渐增大至150mm，获得轮胎空腔声压级最大值与宽度的变化关系如图6所示，可以看出轮胎空腔声压级最大值随环形凹槽宽度A2的增大变得越来越小。
设定环形凹槽的宽度A2为120mm、多孔层阻抗边界流阻率A3为29000Pa·s/m2，将环形凹槽的深度A1从0逐渐增大至60mm，获得轮胎空腔声压级最大值与深度A1的变化关系如图7，可以看出轮胎空腔声压级最大值随环形凹槽深度A1的增大变得越来越小。
设定环形凹槽的深度A1为30mm、宽度A2为125mm，将多孔层阻抗边界流阻率A3从0逐渐增大至50KPa·s/m2，获得轮胎空腔声压级最大值随流阻率的变化关系如图8所示，其中点a1为曲线S32中第一个波谷，流阻率为1300Pa·s/m2，声压级为117.6dB；点a2为曲线S32中第一个波峰，流阻率为20000Pa·s/m2，声压级为125.1dB。可以看出流阻率在约1300Pa·s/m2之前，轮胎空腔声压级最大值随流阻率增大而有所下降；当流阻率在1300Pa·s/m2～20000Pa·s/m2范围中时，轮胎空腔声压级最大值随流阻率增大而上升；在流阻率20000Pa·s/m2之后，轮胎空腔声压级最大值随流阻率增大而又有所下降，但下降的速率较之前更为缓慢。之后对无矩形凹槽即如图4所示的无多孔材料有限元模型进行上述分析，提取150Hz-250Hz频段内P点处的声压最大值。
根据由本发明方法得到的设计曲线选择充气轮胎空腔共振噪音消减装置的参数和尺寸，将其粘贴在真实轮胎内，粘贴时应紧密贴合在轮胎内表面，并相对于轮胎子午线横截面中的赤道对称布置，使多孔材料层关于轮胎子午线横截面对称分布，参见图1，即完成关于轮胎空腔共振消减装置的设计。
理论验证试验
为验证本发明方法，以型号为205/55R16的轮胎为试验对象，以聚氨酯海绵为噪音消减装置所用多孔材料，该多孔材料经测试得其流阻率为1253Pa·s/m2，并符合Delany-Bazley多孔材料理论模型。试验中，按本发明方法获得相关曲线，切割出两条长度为90cm、横截面尺寸为L＝125mm和C＝30mm的聚氨酯海绵长条，将聚氨酯海绵紧密粘贴在轮胎内壁，并沿轮胎周向且与轮胎子午线赤道对称粘贴，聚氨酯海绵的两端接合处无缝隙，将轮胎加装在轮辋上，并向轮胎内填充与仿真时同样的压强，将轮胎自由悬挂，在胎面赤道线和轮辋处各粘贴一个三向传感器且位于同一平面。之后对充气轮胎做力锤敲击实验，在轮辋处施加激励，采集胎面和轮辋传感器的数据，得到轮辋至胎面的振动传递率，同时对无噪音消减装置的轮胎也进行以上敲击实验，两个实验所用轮胎和轮辋相同。将所得无噪音消减装置轮胎的轮辋至胎面的振动传递率与加装噪音消减装置轮胎的振动传递率进行对比，图9所示曲线b1为无噪音消减装置轮胎的频响函数；曲线b2为安装有噪音消减装置轮胎的频响函数；通过理论验证试验得知，噪音消减装置的加装使得轮胎振动传递率峰值在150Hz-250Hz空腔共振频段实现了大幅度降低，证明了本发明方法可以很好地应用于设计轮胎空腔共振消减装置，实现噪音消减装置的轻量化、噪音消减的最大化。

Claims (5)

1.一种充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，所述轮胎空腔是由轮胎的胎面内表面(4a)与轮辋(2a)共同形成的呈环形的轮胎空腔(9)，所述轮胎空腔共振噪音消减装置是安装在胎面内表面(4a)上的多孔材料层(1)，所述多孔材料层(1)沿轮胎周向整圈铺设，横断面呈矩形，矩形断面的多孔材料层(1)的宽度为L，厚度为C；其特征是：所述充气轮胎空腔共振噪音消减装置设计方法按如下步骤进行：
步骤1：将所述轮胎空腔(9)的空腔三维模型导入有限元软件，形成空腔有限元模型，定义所述空腔有限元模型的材料为空气、空腔有限元模型中各表面均为硬声场边界，设定所述空腔有限元模型的内部压强；在所述空腔有限元模型的内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔(9)在150Hz-250Hz频段内P点位置处的声压级曲线S1，并提取声压级曲线S1中声压级最大值；
步骤2：在所述轮胎空腔(9)的空腔三维模型中，按所述共振噪音消减装置所占据的位置划分出一个环形凹槽，形成含多孔材料三维模型，所述环形凹槽在环形轮胎空腔(9)的外圆周面上为敞口，所述环形凹槽的底面处在环形轮胎空腔(9)的腔体内；环形凹槽的凹槽深度A1等于多孔材料层(1)的材料厚度C，环形凹槽的凹槽宽度A2等于多孔材料层(1)的材料宽度L；
步骤3：将所述含多孔材料三维模型导入有限元软件，形成含多孔材料有限元模型，定义所述含多孔材料有限元模型的材料为空气，定义含多孔材料有限元模型中环形凹槽的凹槽底面为多孔层阻抗边界，定义所述多孔层阻抗边界的厚度等于凹槽深度A1；其余各表面均为硬声场边界；所述多孔层符合Delany-Bazley多孔材料理论模型；设定所述含多孔材料有限元模型的内部压强；
步骤4：设定环形凹槽的凹槽深度A1和凹槽宽度A2，调整多孔层阻抗边界的流阻率A3；在含多孔材料有限元模型内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔(9)在150Hz-250Hz频段内P点位置处的的各不同流阻率所对应的声压级曲线S11，并提取各声压级曲线S31中声压级最大值，获得在设定的凹槽深度A1和凹槽宽度A2之下，流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32；
步骤5：设定环形凹槽的凹槽深度A1和多孔层阻抗边界的流阻率A3，调整凹槽宽度A2，在含多孔材料有限元模型内圈曲面中心线的P点位置处施加激励，利用有限元软件计算获得环形轮胎空腔(9)在150Hz-250Hz频段内P点位置处的的各不同宽度所对应的声压级曲线S21，并提取各声压级曲线S21中声压级最大值，获得在设定的凹槽深度A1和流阻率A3之下，凹槽宽度A2与声压级最大值之间的关系曲线S22；相应的方式获得在设定的凹槽宽度A2和流阻率A3之下，凹槽深度A1与声压级最大值之间的关系曲线S11。
依据步骤4中所获得的流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32确定应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层(1)的流阻率；
依据步骤1中所获得的声压级曲线S1中声压级最大值，以及步骤5中所获得的凹槽深度A1与声压级最大值之间的关系曲线S11确定应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层(1)的材料厚度C；
依据步骤1中所获得的声压级曲线S1中声压级最大值，以及步骤5中所获得的凹槽宽度A2与声压级最大值之间的关系曲线S21确定应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层(1)的材料宽度。
2.根据权利要求1所述的充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，其特征是：所述应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层(1)的流阻率选择为不低于所述流阻率A3与声压级最大值之间的关系曲线S32中第一个波谷处流阻率的70％。
3.根据权利要求1所述的充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，其特征是：所述应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层(1)的材料厚度设置为选定的凹槽深度；所述选定的凹槽深度的声压级最大值相对于不含多孔材料的空腔有限元模型的声压级最大值的下降量不低于10dB。
4.根据权利要求1所述的充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，其特征是：所述应用于所述噪音消减装置中的多孔材料层(1)的材料宽度设置为选定的凹槽宽度；所述选定的凹槽宽度的声压级最大值相对于不含多孔材料的空腔有限元模型的声压级最大值的下降量不低于10dB。
5.根据权利要求1所述的充气轮胎空腔共振噪音消减装置的设计方法，其特征是：所述多孔材料层(1)是以满足Delany-Bazley多孔材料理论模型的聚氨酯海绵为材质。
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