JP2021076819A - 吸音装置及び該吸音装置を備えた車輪 - Google Patents

Abstract

【課題】車輪に組み付けられた際に、ヘルムホルツ共鳴吸音と構造的共鳴吸音との有機的な組み合わせによる車輪の空気室の音響共鳴への二重吸収の機能を達成することができる吸音装置及び該吸音装置を備えた車輪を提供する。【解決手段】吸音装置は、長方形六面体形状の箱体として構成され、多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造を形成し、側面１に２つの中空管２、３が取り付けられている。第１のキャビティ４と第２のキャビティ７とが、多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の層別化のための２つの共鳴キャビティを構成する。箱体の形態の吸音装置は、それ自体で構造的共鳴吸音デバイスを形成し、その一次固有モード周波数が車輪の空気室の一次固有モード周波数と一致する。【選択図】図１

Description

本発明は吸音装置及び該吸音装置を備えた車輪に関し、特に空気入りタイヤを備えた自動車用車輪に関する。

車輪の通常の走行中に、車輪への路面からの突き動かし、及び車輪の回転の不均衡による車輪への車輪軸からの突き動かしの両方が、車輪内の空気室（特にはタイヤとリムとにより囲まれる空間）を振るい起こさせて音響共鳴を発生させうるのであり、該共鳴は車輪軸、懸架システムを介して車体構造に伝達され、続いて車内にノイズを放射する。そのノイズは、低周波数の狭帯域を主な特徴とし、測定量が高く、車内の乗車環境に対してノイズ干渉を形成するため、効果的に制御される必要がある。

現在、多くの研究及び特許ではこの音響共鳴を効果的に制御するための方法が提供される。該方法は主に吸音制御原理を採用し、その中でヘルムホルツ共鳴吸音は広く利用され、効果が優れている。例えば、中国特許ＣＮ１０１３０１８４２Ｂ、ＣＮ１０４９８１３５９Ｂ、ＣＮ１０５２０９２６７Ｂ、ＣＮ１０４９０８５１３Ｂは、ヘルムホルツ共鳴器ノイズ低減方法に基づいて実施される一連の車輪技術的解決手段に関する。しかしながら、従来技術から知られる解決手段では、ヘルムホルツ共鳴器の構造設計及び取付構造がより複雑であり、且つその吸音効果も理想的ではない。特に、四輪の走行中の状態が全く同じではないため、分布特性が異なる狭帯域の高い値のノイズが複数存在し、より広い周波数帯域で大きなノイズ測定値を示し、これはヘルムホルツの狭帯域の吸音の利点と矛盾する。したがって、ヘルムホルツ吸音原理に基づく構造は依然として継続的に改善される必要がある。同時に、この原理に基づく構造は様々であり、振幅及び周波数帯域幅を制御する点において、向上の余地がある。また、ヘルムホルツ吸音原理がヘルムホルツ原理の欠点を補うために他のノイズ低減原理（例えば箱型構造の共鳴吸音）と組み合わせることにも適しており、これにより、空気室の共鳴効率をより効果的に向上させることができるのであるが、現在の複数のノイズ低減原理の融合が、車輪の空気室の共鳴の低減に広く利用されてはいない。

本発明は、従来技術の上記欠点を克服するために、車輪のノイズの低減に適用され、特に二層多孔質ヘルムホルツ構造による吸音と箱型構造による共鳴吸音を組み合わせることで、より効果的なノイズ低減効果を達成する、ヘルムホルツ共鳴器の原理に基づいて特別に構成された吸音装置を提供することを意図する。

車輪の空気室の共鳴制御効果を向上させるために、本発明は、主に、二層多孔質共鳴吸音構造を用いる場合、限られた体積で単一のヘルムホルツ共鳴吸音により低周波数の吸音能力を高めることが難しく、吸音周波数帯域が狭いという欠点を制御原理で克服するものであり、一方、長方形六面体形状の箱型構造を用いる場合、好ましくは、プラスチック材料で作製され、その構造的共鳴周波数と空気室の共鳴周波数が一致するように設計され、二層多孔質共鳴吸音に加えて吸音量をさらに増加させ、且つ吸音周波数帯域を拡張するという考えに基づいている。

具体的には、本発明は、音響共鳴を低減させるために、気体雰囲気中にある運動部材に取り付けられる吸音装置であって、前記吸音装置が直方体状（長方形六面体形状）の箱体として構成され、多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造を形成し、ここで、前記箱体が、運動部材の運動方向における該箱体の両端の境界を限定するための２つの側面を有しており、箱体の内部が、仕切り板によって前記運動部材の運動方向に沿って順に配置された第１のキャビティと第２のキャビティとに分割されており、前記仕切り板が、前記箱体の一端の側面に平行であり、前記側面に２つの中空管が取り付けられ、前記２つの中空管が、それぞれ該側面に車輪の空気室に向けて開放する管口を有し、且つその管長に対応する距離で、前記第１のキャビティ内に延びており、前記仕切り板に１つの中空管が取り付けられ、前記１つの中空管が、該仕切り板に前記第１のキャビティに向けて開放する管口を有し、且つその管長に対応する距離で、前記第２のキャビティ内に延びており、前記第１のキャビティと第２のキャビティが前記多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の層別化のための２つの共鳴キャビティを構成することを特徴とする吸音装置を提供する。

ここで、有利には、箱体の構造的パラメータは、前記多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の所定の吸音係数と吸音量によって確定され、前記構造的パラメータは、前記仕切り板と前記側面の板厚、各前記中空管の管口径及び管長、前記第１のキャビティと第２のキャビティの形状、体積及び肉厚を含む。

注意すべきものとして、本出願で記載される「長方形六面体形状」（直方体状）は、幾何学的に正確な長方形六面体形状に厳しく限定されず、長方形六面体形状にほぼ類似する形状を示せばよく、その中の１つ又は複数の面が一定の弧度（曲率）及び／又は局所的な突起又は凹構造を有しても、交差する面が絶対的に直交ではなくても、対向する面が絶対的に平行ではなくても、それらがいずれも本発明の技術的解決手段の実施に影響を与えない。

それに対応して、本発明は、音響共鳴を低減させるために車輪の空気室内に取り付けられた上記吸音装置を備えた車輪を提供する。

車輪の本体（特には金属などの剛直な材料からなる「ホイール」）には１つ又は複数の前記吸音装置が取り付けられてもよい。

車輪全体の吸音及びノイズ低減効果又はその動的バランス特性を最適化するために、車輪の本体にも複数の前記吸音装置が並んで設けられてもよく、又は車輪本体の周方向に沿って複数の前記吸音装置が分布するようにして設けられてもよい。

ここで、前記吸音装置は、取り付けられた状態で、その箱体の底面が車輪本体のリムの底部の周面に当接することが好適であり、且つ２つの中空管が取り付けられた前記側面を、車輪が回転運動する際のガス流入面となすように配置される。

好ましくは、前記吸音装置はバンド（例えば鋼バンド）によって車輪の車輪本体に固定されるため、容易に着脱されたり、交換されたりする。

有利には、前記吸音装置の箱体は金属又はプラスチック材料で作製され、且つそれ自体で構造的共鳴吸音デバイスを形成し、該構造的共鳴デバイスとして、その一次固有モード周波数が、車輪の空気室の一次固有モード周波数と一致する。該吸音装置は、ヘルムホルツ共鳴吸音と、構造的共鳴吸音との有機的な組み合わせによる車輪の空気室の音響共鳴への二重吸収の機能を備える。

好ましくは、前記吸音装置は前記箱体の底面に対向して配置された箱体の上面にＵ字型の溝が設けられ、前記バンドが、前記Ｕ字型の溝に嵌め込まれて車輪本体の周りを一周するようにして吸音装置の箱体を固定する。

好ましくは、前記バンドの両端部がバックルで締め付けて相互に接続され、バンドの締結力（又はバンドの張力）が締結具でもって調整及び／又は発揮されうる。

したがって、本発明により、車輪の空気室の音響共鳴を低減させるために車輪本体に取り付けられた構造を実現することができる。その具体的な実施形態は、長方形六面体形状の箱型構造であり、内部が一層の薄板によって２つのキャビティに分割され、箱型構造の一側面（箱内の分割のための薄板に平行である）に２つの中空管が取り付けられ、箱内の分割のための薄板に１つの中空管が取り付けられており、前記２つの中空管は、一端部の管口の平面が箱型構造の側面と同じ面に位置し、キャビティ内に延びる管長を有しており、前記１つの中空管は、一端部の管口の平面が、箱内の分割のための薄板と同じ面に位置し、もう一方のキャビティ内に延びる管長を有する。前記構造の２つの中空管は、タイヤ空気室と連通し、車輪本体の円弧状の外周面に取り付けられ、多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造を形成する。このような構造であると、単一キャビティ及び単一穴型ヘルムホルツ共鳴吸音と比較して、さらに容易に低周波数に近づき、且つ吸音周波数帯域がより広くなるように設計される。前記構造の関連パラメータは、二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の吸音係数と吸音量によって確定される。

前記箱型構造は一定の剛性と強度を有するプラスチック材料で作製され、車輪本体の円弧周面に密着し、鋼バンドで固定的に取り付けられることが好ましい。この取付方式での前記構造は、その一次固有モード周波数が、車輪の空気室の一次固有モード周波数と一致し、構造的共鳴吸音構造を形成する。

該構造の固有モードは、板厚と形状の調整により設計要件を満たし、該調整が有限要素計算によって達成される必要がある。一方、その設計により上記多孔質二層共鳴吸音構造の吸音量をさらに増加させることができ、設計により吸音帯域幅をさらに増大させることもできる。

多孔質二層共鳴吸音と構造的共鳴吸音とを組み合わせたこの箱型吸音構造は、上面にＵ字形の溝が設けられてもよく、該箱型構造の取付方式が、鋼バンドを用い、Ｕ字形の溝を通して、車輪本体の周りを一周させるようにして固定されるということである。実際のニーズと具体的な設計状況に応じて、車輪本体に複数の箱型吸音構造を配置することも可能であり、鋼バンドが、車輪本体の周りを一周するようにして、車輪本体上のいくつかの複数の箱型吸音構造を一緒に固定する。鋼バンドの繋ぎ合わせ部がバックルで締め付けられ、、締結力が締付具でもって発揮されうるのであり、これにより、取付の堅牢さを判断しうる。

本発明が達成できる有益な技術的効果は、特に、多孔質二層共鳴吸音と構造的共鳴吸音とを組み合わせた総合的な吸音構造により、一、吸音周波数がさらに容易に低周波に近づくこと、二、吸音周波数帯域がより広いこと、三、吸音量がより高いことを示すより効果的な吸音効果を達成することにある。

本発明の吸音装置の模式図である。 車輪への吸音装置の取付位置についての模式図である。 吸音装置と車輪本体との相互の組み付け及び固定の方式についての模式図である。

以下に本出願の実施例の図面と組み合わせて本出願の実施例における技術的解決策を明確且つ完全に説明し、明らかに、説明される実施例は本出願の実施例の一部だけであり、全ての実施例ではない。本出願の実施例に基づき、当業者が創造的な労力を要せずに得る他の実施例は、全て本出願の保護範囲に属する。

本出願の明細書と特許請求の範囲及び前記図面における用語「第１」、「第２」、「第３」、「第４」などは異なるオブジェクトを区別することに用いられるが、特定の順序を説明するためのものではない。また、用語「含む」と「有する」及びそれらのいかなる変形も、非排他的な包含をカバーすることを意図する。例えば一連のステップ又はユニットを含むプロセス、方法、製品又は装置は、示されたステップ又はユニットに限定されず、示されないステップ又はユニットを含んでもよく、又はこれらのプロセス、方法、製品又は装置に固有の他のステップ又はユニットを含んでもよい。

本明細書に言及される「実施例」は、実施例と組み合わせて説明される特定の特徴、構造又は特性が本出願の少なくとも１つの実施例に含まれてもよいことを意味する。明細書の様々な箇所に現れる該語句は、必ずしも全てが同じ実施例を指すわけではなく、また、他の実施例と相互に排他的に独立した実施例又は代替実施例というのでもない。当業者は、本明細書で説明される実施例が、他の実施例と組み合わせられてもよいことを明示的及び暗黙的に理解できる。

本出願は、次のような吸音装置１０を提供する。この吸音装置は、音響共鳴を低減させるために、気体（ガス）雰囲気中、（図２に示すように、特には車輪の空気室３０中）にある運動部材（図２に示すように、特に空気入りタイヤ４０を備えた自動者用車輪の車輪本体２０）に取り付けられる。図１に示すように、前記吸音装置が直方体状（長方形六面体形状）の箱体として構成され、多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造を形成する。前記箱体が、運動部材の運動方向における該箱体の両端の境界を限定するための２つの側面を有しており、箱体の内部が、仕切り板５によって、前記運動部材の運動方向に沿って順に配置された、第１のキャビティ４と第２のキャビティ７とに分割される。前記仕切り板５が前記箱体の一端の側面１に平行である。前記側面１に２つの中空管２、３が取り付けられている。前記２つの中空管が、それぞれ該側面１に、車輪の空気室に向けて開放する管口を有し、且つその管長に対応する距離で前記第１のキャビティ４内に延びている。前記仕切り板５に１つの中空管６が取り付けられており、前記１つの中空管は、該仕切り板５に、前記第１のキャビティ４に向けて開放する管口を有しており、且つ、その管長に対応する距離で、前記第２のキャビティ７内に延びている。前記の第１のキャビティ４と第２のキャビティ７とが、前記多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の層別化のための２つの共鳴キャビティを構成する。このような吸音装置１０を提供するのである。箱体の構造的パラメータは、前記多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の所定の吸音係数と吸音量によって確定され、前記構造的パラメータは、前記仕切り板５と前記側面１の板厚、各前記中空管の管口径及び管長、前記第１のキャビティ４と第２のキャビティ７の形状、体積及び肉厚を含む。これについては、以下でさらに説明する。

このことに基づき、本出願は、次のような車輪をも提供する。すなわち、音響共鳴を低減させるために車輪の空気室３０内に取り付けられた上記吸音装置を備えた車輪をさらに提供する。車輪の本体２０には、１つ又は複数の前記吸音装置１０が取り付けられる。車輪の本体２０に複数の前記吸音装置１０が並んで設けられてもよく、又は車輪本体の周方向に沿って複数の前記吸音装置１０が分布するようにして設けられてもよい。図２に示すように、吸音装置１０は、取り付けられた状態で、その箱体の下面（内側面）が車輪本体２０におけるリムの底部の周面に当接し、且つ、２つの中空管が取り付けられた前記側面１を、車輪が回転運動する際のガス流入面となすように配置される。図３に示すように、吸音装置１０は、バンド５０（例えば鋼バンド）によって車輪の本体２０に固定される。特に、有利には、吸音装置の箱体は、金属又はプラスチックの材料で作製され、且つそれ自体で構造的共鳴吸音デバイスをするのであり、該構造的共鳴デバイスとして、その一次固有モード周波数が、車輪の空気室３０の一次固有モード周波数と一致する。図２及び図３に示すように、前記吸音装置（１０）は、前記箱体の下面（内側面）に対向して配置された箱体の上面（外側面）にＵ字型の溝８が設けられる。また、前記バンド５０が、前記Ｕ字型の溝に嵌め込まれて車輪本体２０の周りを一周するようにして吸音装置の箱体を固定する。前記バンド５０の両端部が、バックルで締め付けられて互に接続され、バンドの締結力が、締結具で調整及び／又は発揮されてもよい。

図１には、射出成形によって加工された直方体状（長方形六面体形状）の箱型構造として具現化される、本発明の吸音装置の実施例が示される。内部が、一層の薄板（仕切り板５）によって、２つのキャビティ、即ち第１のキャビティ４と第２のキャビティ７とに分割されており、箱型構造の一側面１（箱内の分割のための薄板に平行である）に２つの中空管２、３が取り付けられ、箱内の分割のための薄板に１つの中空管６が取り付けられる。

２つの中空管２、３は、一端部の管口の平面が箱型構造の側面１と同じ面に位置し、第１のキャビティ４内に延びる管長を有しており、中空管６は、一端部の管口の平面が箱内の分割のための薄板（仕切り板５）と同じ面に位置し、第２のキャビティ７内に延びる管長を有する。

図１に示す箱型共鳴吸音構造の２つの中空管２、３は、図２に示す車輪の空気室（又はタイヤ空気室）３と連通しており、該箱型共鳴吸音構造は、図２に示す車輪本体２の円弧状の外周面に取り付けられ、多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造を形成する。

図１に示す長方形六面体形状の箱型構造の関連パラメータは、下記の式に示すように、二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の吸音係数と吸音量によって確定される。

Ｚが共鳴構造の音響インピーダンスである。Ｚ_ｐ１が第１の層の穴あき構造の穴の音響インピーダンスであり、Ｚ_ａ１が第１の層のキャビティの音響インピーダンスである。Ｚ_ｐ２が第２の層の穴あき構造の音響インピーダンスであり、Ｚ_ａ２が第２の層のキャビティの音響インピーダンスである。

式中、ρが空気密度であり、ｃが空気音速であり、ω＝２πfで、このfが周波数である。γが空気の動粘性係数であり、γ＝１５×１０^−６ｍ^２／ｓである。ｔ_１とｔ_２が、それぞれ第１の層及び第２の層の板の厚さであり、ｄ_１とｄ_２がそれぞれ第１の層及び第２の層の板の穴径であり、δ_１及びδ_２が、それぞれ第１の層及び第２の層の板の穴あき率であり、Ｄ_１及びＤ_２がそれぞれ第１の層及び第２の層のキャビティの厚さである。Ｚ_ｒが共鳴構造の相対音響インピーダンスである。

ＲをＺ_ｒの実数部とし、ＸをＺ_ｒの虚数部とし、共鳴吸音構造の吸音係数αが

であり、吸音量計算式がＡ＝αｓである。ここで、Ａが共鳴吸音構造の吸音量であり、Ｓが共鳴吸音構造の中空管２と中空管３の断面積の合計である。

図１に示すように、長方形六面体形状の箱型構造は、共鳴吸音構造として、その一次固有モード周波数が車輪の空気室の一次固有モード周波数と一致する。その固有周波数が板厚と形状の調整により設計要件を満たし、該調整方式が有限要素計算によって達成される必要がある。

図１に示す多孔質二層共鳴吸音構造は、図３に示す車輪本体１に取り付けるために、その上面にＵ字型の溝８が設計される。図２及び図３に示すように、取付方式は、鋼バンドをバンド３として、Ｕ字型の溝を通じて嵌め込み、車輪本体の周りを一周させて、共鳴吸音構造を車輪本体に押し付けて固定することである。鋼バンドは、車輪本体の周りを一周するようにして、車輪本体に１つ又は複数の吸音構造を固定することができる。鋼バンドの繋ぎ合わせ部がバックルで締め付けられ、締結力が締付具でもって発揮されうるのであり、これによって、取付の堅牢さの程度を判断しうる。

以上に本出願の実施例を詳細に説明し、本明細書で具体的な例を使用して本出願の原理及び実施形態を説明する。以上の実施例の説明は本出願の方法及びそのコア思想の理解を助けるためのものだけであり、同時に、当業者であれば、本出願の思想に基づき、具体的な実施形態及び適用範囲において変更を行うことができ、上述したように、本明細書の内容は本出願を限定するものとして理解されるべきではない。

１−箱体の２つの中空管が取り付けられた側面、２−中空管、３−中空管、４−第１のキャビティ、５−仕切り板、６−中空管、７−第２のキャビティ、８−Ｕ字型の溝、１０−吸音装置、２０−車輪本体、３０−車輪の空気室、４０−タイヤ、５０−バンド

Claims (10)

1. 音響共鳴を低減させるために、気体雰囲気中にある運動部材に取り付けられた吸音装置（１０）であって、前記吸音装置が直方体状の箱体として構成され、多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造を形成し、ここで、
   前記箱体が、運動部材の運動方向における該箱体の両端の境界を限定するための２つの側面を有しており、
   箱体の内部が仕切り板（５）によって前記運動部材の運動方向に沿って順に配置された第１のキャビティ（４）と第２のキャビティ（７）とに分割されており、
   前記仕切り板が、前記箱体の一端の側面（１）に平行であり、
   前記側面（１）に２つの中空管（２、３）が取り付けられ、前記２つの中空管が、それぞれ該側面（１）に、車輪の空気室に向けて開放する管口を有し、且つその管長に対応する距離で、第１のキャビティ（４）内に延びており、
   前記仕切り板（５）に１つの中空管（６）が取り付けられ、前記１つの中空管が、該仕切り板（５）に、前記第１のキャビティ（４）に向けて開放する管口を有し、且つその管長に対応する距離で、前記第２のキャビティ（７）内に延びており、
   前記第１のキャビティ（４）と第２のキャビティ（７）が前記多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の層別化のための２つの共鳴キャビティを構成することを特徴とする吸音装置（１０）。
2. 箱体の構造的パラメータは、前記多孔質二層ヘルムホルツ共鳴吸音構造の所定の吸音係数と吸音量によって確定され、
   前記構造的パラメータは、前記仕切り板（５）と前記側面（１）の板厚、各前記中空管の管口径及び管長、前記第１のキャビティ（４）と第２のキャビティ（７）の形状、体積及び肉厚を含むことを特徴とする請求項１に記載の吸音装置（１０）。
3. 音響共鳴を低減させるために車輪の空気室（３０）内に取り付けられた、請求項１又は２に記載の吸音装置（１０）を備えた車輪。
4. 車輪の本体（２０）には１つ又は複数の前記吸音装置（１０）が取り付けられたことを特徴とする請求項３に記載の車輪。
5. 車輪の本体（２０）に、複数の前記吸音装置（１０）が並んで設けられるか、又は車輪の本体の周方向に沿って複数の前記吸音装置（１０）が分布するようにして設けられることを特徴とする請求項３に記載の車輪。
6. 前記吸音装置（１０）は、取り付けられた状態で、その箱体の底面が車輪の本体（２０）におけるリムの底部の周面に当接し、且つ２つの中空管が取り付けられた前記側面（１）を、車輪が回転運動する際のガス流入面となすように配置されることを特徴とする請求項４又は５に記載の車輪。
7. 前記吸音装置（１０）は、バンド（５０）によって車輪の本体（２０）に固定されることを特徴とする請求項６に記載の車輪。
8. 前記吸音装置（１０）の箱体は金属又はプラスチック材料で作製され、且つそれ自体で構造的共鳴吸音デバイスを形成し、該構造的共鳴デバイスとして、その一次固有モード周波数が、車輪の空気室（３０）の一次固有モード周波数と一致することを特徴とする請求項７に記載の車輪。
9. 前記吸音装置（１０）は、前記箱体の底面に対向して配置された箱体の上面にＵ字型の溝（８）が設けられ、前記バンド（５０）が前記Ｕ字型の溝に嵌め込まれて車輪の本体（２０）の周りを一周するようにして吸音装置の箱体を固定することを特徴とする請求項７に記載の車輪。
10. 前記バンド（５０）の両端部がバックルで締め付けられて互に接続されており、バンドの締結力が、締結具で調整及び／又は発揮されうることを特徴とする請求項９に記載の車輪。

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