車(chē)輪諧振器降噪性能影響因素的研究

張紅斌，陳志堅(jiān)

廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院,廣東廣州 511434

0 引言

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，由不平路面激勵(lì)使輪胎腔體內(nèi)氣體產(chǎn)生共振，形成空腔共振噪聲，頻率在200～250 Hz范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生急劇峰值，給駕乘人員帶來(lái)非常不好的體驗(yàn)。

車(chē)輪諧振器依據(jù)亥姆霍茲消聲原理設(shè)計(jì)的，將其安裝于輪胎內(nèi)腔能有效降低輪胎的空腔共振噪聲，其消聲效果取決于車(chē)輪諧振器固有頻率和輪胎腔體共振頻率的關(guān)系，此兩頻率接近消聲效果最好。

本文從亥姆霍茲原理入手分析影響車(chē)輪諧振器固有頻率的因素，并調(diào)整不同的設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用LMS Virtual.LAB進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果制作樣件并進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，最后總結(jié)規(guī)律用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

1 理論基礎(chǔ)

亥姆霍茲消聲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由入口和背腔兩部分組成，將其置于聲波傳遞路徑處，部分聲波會(huì)通過(guò)入口傳到背腔中，使背腔中的空氣產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，空氣在背腔中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與背腔壁摩擦，部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗，從而達(dá)到消聲的目的[1]。

圖1 亥姆霍茲消聲結(jié)構(gòu)

亥姆霍茲共振腔固有頻率完全由其本身的相關(guān)參數(shù)決定，屬于其固有特性，當(dāng)外加作用力的頻率與其固有頻率相等或成整數(shù)倍時(shí)諧振發(fā)生，能量損耗效果最佳；相同固有頻率下，不同的消聲結(jié)構(gòu)，能量損耗的效果也不同。因此，針對(duì)特定車(chē)輛，由于其輪胎聲腔共振頻率已確定，可通過(guò)調(diào)整共振腔的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其固有頻率與輪胎聲腔頻率接近，達(dá)到最佳降噪效果。本文旨在研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)能量損耗的影響，以指導(dǎo)車(chē)輪諧振器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[2-3]。

共振腔固有頻率計(jì)算公式為：

(1)

式中：f0為共振腔固有頻率;c為聲音速度;S為入口截面積;l為入口長(zhǎng)度;d為入口直徑;V為腔體體積。

2 研究方案

通過(guò)單變量調(diào)整共振腔的d、l、V尺寸形成4個(gè)方案，如圖2所示。

圖2 尺寸方案示意

基于方案3且外型與方案3一致，對(duì)共振腔進(jìn)行并聯(lián)和串聯(lián)組合，形成不同結(jié)構(gòu)組織形式的方案[3-4]，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)組合方案示意

對(duì)以上方案運(yùn)用LMS Virtual.LAB進(jìn)行仿真分析，通過(guò)分析各方案能量消耗的大小以判斷各方案消聲的效果，總結(jié)各尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)組合方案對(duì)能量消耗的影響，指導(dǎo)后續(xù)車(chē)輪諧振器的設(shè)計(jì)。

3 CAE分析結(jié)果

調(diào)整尺寸方案分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，入口直徑減小(或入口截面積減小)，可以減小諧振器的固有頻率；入口長(zhǎng)度減小可以增大諧振器的固有頻率；腔體體積減小會(huì)增大諧振器的固有頻率。對(duì)于固有頻率影響從大到小排序?yàn)椋喝肟谥睆?、腔體體積、入口長(zhǎng)度。入口直徑減小會(huì)削弱降噪效果；減短入口長(zhǎng)度會(huì)提升降噪效果，增大腔體體積會(huì)提升降噪效果。對(duì)于降噪效果影響從大到小排序?yàn)椋喝肟谥睆健⑶惑w體積、入口長(zhǎng)度。

表1 調(diào)整尺寸方案分析結(jié)果

由表2可知：增加加強(qiáng)筋對(duì)諧振器固有頻率和降噪效果沒(méi)有影響；腔體串聯(lián)后固有頻率僅有一個(gè)，相對(duì)單腔外形一致時(shí)固有頻率會(huì)下降；腔體并聯(lián)后每個(gè)腔體保留原有固有頻率。對(duì)于降噪效果，相同外形尺寸時(shí)單腔比串聯(lián)更有助于降噪；并聯(lián)各個(gè)腔體可以分別工作，有利于多頻段降噪。

表2 調(diào)整結(jié)構(gòu)組合方案分析結(jié)果

4 樣件制作及驗(yàn)證

輪胎225/55R18路噪峰值約210 Hz，諧振器目的為降低此頻段處路噪。諧振器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 諧振器設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)以上兩腔體串聯(lián),串聯(lián)后諧振器固有頻率為210 Hz，仿真降噪1.2 dB。為了增加降噪效果，對(duì)此諧振器進(jìn)行并聯(lián)(對(duì)角各兩個(gè)腔體)并安裝于車(chē)輪上進(jìn)行降噪效果確認(rèn)，如圖4所示。

圖4 諧振器裝于車(chē)輪上測(cè)試

車(chē)輪路噪測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 車(chē)輪路噪測(cè)試結(jié)果 單位:dB

由表4可知，對(duì)于諧振器固有頻率處降噪效果最明顯，達(dá)到3～7 dB;對(duì)于總聲壓級(jí)最大降噪1.09 dB。對(duì)比仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果接近，分析方法有效。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車(chē)輪諧振器降噪性能的分析可知，諧振腔能有效降低車(chē)輪的聲腔噪聲，尤其是諧振腔固有頻率附近頻段降噪效果最明顯，可通過(guò)調(diào)整諧振腔入口直徑和長(zhǎng)度及腔體體積來(lái)控制諧振腔的固有頻率；各參數(shù)對(duì)固有頻率和降噪影響由大到小排序?yàn)椋喝肟谥睆?、腔體體積、入口長(zhǎng)度；通過(guò)不同腔體的串聯(lián)可以減小固有頻率來(lái)優(yōu)化降噪頻段，腔體并聯(lián)對(duì)單個(gè)腔體的固有頻率和降噪效果無(wú)影響。由此可見(jiàn)，可以?xún)?yōu)先通過(guò)調(diào)整入口直徑和腔體體積來(lái)改變其固有頻率，同時(shí)可以對(duì)不同腔體進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)處理，以達(dá)到更好的降噪頻段和效果。