具有吸声装置的车轮的制作方法

1.本发明涉及一种具有吸声装置的车轮，特别是配有充气轮胎的汽车车轮。


背景技术：

2.在车辆的正常行驶过程中，路面对车轮的激励和车轮旋转不平衡导致的轮轴对车轮的激励，均可激发车轮内的空气室产生声共振，该共振又经过轮轴、悬架系统传至车身结构，继而向车内辐射噪声。其噪声特征以低频窄带为主，量值较高，给车内乘坐环境形成噪声干扰，需进行有效控制。
3.目前，有众多研究和专利提供了有效控制这种声共振的方法。该方法主要采用吸声控制原理，其中赫姆霍兹共振吸声应用较为广泛，效果较好。例如，中国专利cn101301842b、cn104981359b、cn105209267b、cn104908513b涉及一系列基于赫姆霍兹谐振器降噪法实施的车轮技术方案。然而，在由现有技术已知的方案中，赫姆霍兹谐振器的构造设计和安装结构较为复杂，并且在其吸声效果方面亦不甚理想。特别是，由于四车轮行驶过程中的状态不尽相同，会存在多个不同分布特性的窄带高值噪声，使得其在较宽频带内呈现出较大的噪声量值，这与赫姆霍兹窄带吸声的优点相矛盾。所以，基于赫姆霍兹吸声原理的结构仍需不断发展改进。同时，基于这种原理的结构多样，在控制幅值和频带宽度方面还有进一步提升的空间。另外，赫姆霍兹吸声原理也适宜与其它降噪原理(例如盒式结构共振吸声)相结合，以弥补赫姆霍兹原理的不足，从而能够更加有效地提高控制空气室共振的效率，但目前多种降噪原理的融合，在车轮气室声共振降低方面并未得以推广应用。
4.再者，在由上述现有技术已知的方案中，赫姆霍兹谐振器的构造设计和安装结构较为复杂，为此，谐振器部件(“副气室构件”)构造有法兰状薄板凸缘(“缘部”)，在轮毂上专门构造的壁面上形成有凹槽(“槽部”)，谐振器部件的定位固定是通过法兰状薄板凸缘与壁面槽部相卡嵌实现的，这种卡嵌机构一方面受制于其薄壁特征而难以保证连接强度，另一方面由于部件两方连接配合的实现基本上依赖于结构尺寸精度，因此对于部件的加工制造提出较高要求，而且，部件两方的对位安装费工费力，最终的安装紧固力也是无法把控的。
5.另外，由kr101822271b1还已知一种铝制车轮，沿轮圈周面安装有谐振管，其固定方式是：轮圈具有沿其周长方向延伸的单侧壁，该单侧壁形成有向轮圈中心伸出的扣绊凸起；谐振管两侧形成有一侧法兰和另一侧法兰；谐振管以一侧法兰插入并钩挂在扣绊凸起上，另一侧法兰形成有螺纹，通过与之相配的螺母构件将谐振管配合固定于轮圈周面。对于谐振管的这种固定方案，同样存在着结构不合理、制造要求高、组装不便利等问题，再者，最终的安装紧固力仍然难以把控。


技术实现要素：

6.本发明拟提出一种具有吸声装置的车轮，以部分或完全克服现有技术中存在的上述缺陷，尤其是优化设计赫姆霍兹吸声结构，以适应于四车轮气室有一定频率差异的声共振控制，实现更宽频带的降噪效果。
7.为此，本发明提供一种具有吸声装置的车轮，所述吸声装置安装于车轮气室内部用以降低声共振，其特征在于，所述吸声装置包括至少两个共振吸声结构单元，其中第一共振吸声结构单元的第一吸声频带与第二共振吸声结构单元的第二吸声频带彼此邻接或者部分重叠，所述车轮气室的共振频率包含于所述第一吸声频带与第二吸声频带的邻接处或者所述第一吸声频带与第二吸声频带的重叠区域内；所述吸声装置构造为由所述第一共振吸声结构单元和第二共振吸声结构单元并联组成的盒体，该盒体被固定在车轮的轮毂上。
8.本发明提出的技术方案主要基于如下思想：一是采用两个单孔共振吸声结构，每个吸声结构对应一定带宽的吸声频率，二者吸声频带不同，但均靠近(或者包含)车轮气室的共振频率，两吸声结构并联组合安装，于是便可以吸收更宽频带的声能量，从而在控制原理上克服单一赫姆霍兹共振吸声在有限体积下提高低频吸声能力较为困难以及吸声频带偏窄的缺陷；二是吸声装置采用长方形六面体状的盒式结构，特别是由塑料材料制作而成，优选将其结构共振频率设计为与车轮气室的共振频率一致，从而能够在赫姆霍兹共振吸声的基础上进一步增加吸声量，并扩展吸声频段；三是本发明采用两个并联吸声结构(如单孔的赫姆霍兹谐振器)，其结构简单，加工方便。。
9.根据一种实施形式，所述吸声装置为由金属材料或者塑料材料一体成型制成的长方六面体状盒体。
10.根据一种实施形式，所述吸声装置为通过3d打印工艺制成的长方六面体状盒体，优选由塑料材料制成。
11.按照本发明，吸声装置为盒式构造。相应地，所述吸声装置具有两个在车轮轮毂周向上限定盒体两端边界的侧面，其中一端形成开口端侧面，具有通入盒体内部空腔的开口，而另一端形成封闭端侧面。
12.本发明在提升车轮气室共振控制效果的同时，针对于吸声装置的构造设计，还确保能够通过适用的生产技术实现其成型加工，按照本发明，吸声结构可采用3d打印工艺进行高效制作，便于实现盒式吸声装置的柔性生产。
13.值得注意的是，本技术中所述“长方六面体状”并非严格限制于几何意义下规则的长方体形状，而是大体上呈现类似于长方六面体的形状即可，其中一个或多个面构造为具有一定的弧度(例如，盒体底面具有适配于轮辋外表面轮廓的圆弧形)和/或具有局部的凸起或者凹陷结构(例如为了安装或固定之需要而设)、相交面之间可以不是绝对正交、相对面之间可以不是绝对平行，均不影响本发明技术方案的实施。
14.根据一种实施形式，有益的是，所述吸声装置的第一共振吸声结构单元和第二共振吸声结构单元分别形成一个单孔的赫姆霍兹谐振器，其中，盒体内部通过沿着车轮轮毂周向延伸的隔板被分割为并排布置的第一空腔和第二空腔，在所述开口端侧面上形成有第一空心管和第二空心管的管口，各管口向车轮气室开放并且所述第一空心管和第二空心管分别以相应于其管长的距离延伸到第一空腔和第二空腔之中。
15.如上所述，吸声装置的两个吸声结构(即并联的第一共振吸声结构单元和第二共振吸声结构单元)的吸声频带不同，但均靠近(或者包含)车轮气室的共振频率。因此，具体针对于上述实施形式，两个所述赫姆霍兹谐振器的共振频率不相同，且作为第一共振吸声结构单元形成的第一赫姆霍兹谐振器的共振频率大于等于所述车轮气室的共振频率，而作为第二共振吸声结构单元形成的第二赫姆霍兹谐振器的共振频率小于等于所述车轮气室
的共振频率。在此适宜的是，所述第一赫姆霍兹谐振器的共振频率与所述车轮气室的共振频率之差不大于所述车轮气室的共振频率的50％；所述第二赫姆霍兹谐振器的共振频率与所述车轮气室的共振频率之差也不大于所述车轮气室的共振频率的50％。
16.进一步地，所述吸声装置的盒体的结构参数由两个所述赫姆霍兹谐振器的预定吸声系数和吸声量确定，所述结构参数包括所述隔板和所述开口端侧面及封闭端侧面的板体厚度、第一空心管和第二空心管的管口孔径以及管长、所述第一空腔和第二空腔的形状、体积和壁厚。
17.有益的是，所述吸声装置整体形成一种结构共振吸声器件，作为该结构共振吸声器件，其第一阶固有模态频率与车轮气室的第一阶固有模态频率一致。
18.根据一种实施形式，在车轮的轮毂上并排设置有多个所述吸声装置，或者沿着轮毂周向分布设置有多个所述吸声装置，以优化或者适应车轮整体的吸声降噪要求或其动平衡特性。尤其是可以沿着轮毂周向均布设置有多个盒式吸声装置，例如，针对特定车型的具体情况，可以将两个盒式吸声装置沿着轮毂周向对称布置，亦即在车轮直径方向上相互对置地安装。
19.根据一种实施形式，所述吸声装置在安装状态以盒体底面贴靠在轮毂的轮辋外表面上。对此，适宜的是，所述吸声装置设置有沿着其盒体横向延伸的至少一个折弯部，所述折弯部将该盒式吸声装置在其盒体纵向上分为至少两个节段，以便在安装状态使盒体底面符合于轮辋外表面的圆弧形轮廓。所述折弯部可以设计为盒体的材料薄弱部，沿着盒体横向可以是连续的、也可以是非连续的，可以贯通盒体横向延伸、也可以仅在盒体横向的部分区段上延伸。
20.根据一种实施形式，所述吸声装置通过绑带(例如可采用钢带)束缚固定在车轮的轮毂上，所述绑带从吸声装置的盒体顶面将其压向车轮轮毂的轮辋外表面并绕轮毂一周紧固所述吸声装置，绑带的两个端头通过卡扣固定连接，绑带张紧力能够借助紧固工具调定和/或显示。
21.对此，有利的是，所述吸声装置在其盒体顶面上设有用于嵌入所述绑带的u形凹槽。
22.本发明所能实现的有益技术效果特别在于，由两共振吸声单元和整体结构共振吸声组成了一种综合的吸声结构配置，亦即在车轮上实现赫姆霍兹共振吸声和结构共振吸声的有机结合，达到更有效的吸声效果，这体现在：一、吸声频带更宽；二、吸声量更高。
附图说明
23.在附图中示出了本发明的一些示例性实施例。本文所公开的实施例和附图应被视作说明性的，而非限制性的。另外值得注意的是，为了图示清楚起见，在附图中对于部分结构细节并不是按照实际比例绘制的。
24.图1为吸声装置在车轮上的安装示意图。
25.图2为吸声装置按照一种优选实施方式设置在车轮轮毂上的示意图。
26.图3为吸声装置的构造原理示意图。
27.图4为在一种应用实例中以测试平台模拟汽车行驶状态下车轮/轮胎工况进行实测得到的降噪量示图。
28.其中：1-盒体的开口端侧面，1
’‑
盒体的封闭端侧面，2-第一空心管，2w-第一空心管壁，3-第一空腔，4-第二空心管，4w-第二空心管壁，5-第二空腔，6-隔板，7-u形凹槽；10-吸声装置，10-1-第一共振吸声结构单元，10-2-第二共振吸声结构单元，20-轮毂，30-车轮气室，40-轮胎，50-绑带。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变换措辞，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。本领域技术人员应理解的是，在本技术说明书和权利要求书的描述当中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系而言的，其仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而非指示或暗示所指的装置、机构、结构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
31.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
32.本技术提供一种具有吸声装置的车轮，特别是配有充气轮胎40的汽车车轮，如图1所示，吸声装置10安装于车轮气室30内部用以降低声共振。按照本发明，所述吸声装置包括至少两个共振吸声结构单元，其中第一共振吸声结构单元10-1的第一吸声频带与第二共振吸声结构单元10-2的第二吸声频带彼此邻接或者部分重叠，所述车轮气室30的共振频率f0包含于所述第一吸声频带与第二吸声频带的邻接处或者所述第一吸声频带与第二吸声频带的重叠区域内；所述吸声装置构造为由所述第一共振吸声结构单元10-1和第二共振吸声结构单元10-2并联组成的盒体，该盒体被固定在车轮的轮毂20上(参见图2和图3)。
33.图2为吸声装置按照一种优选实施方式设置在车轮轮毂上的示意图。
34.根据实际需要，可行的是，在车轮的轮毂20上并排设置有多个所述吸声装置10，或者沿着轮毂周向分布设置有多个所述吸声装置10。吸声装置10在安装状态以盒体底面贴靠在轮毂20的轮辋外表面上。对此适宜的是，所述吸声装置10设置有沿着其盒体横向延伸的至少一个折弯部，所述折弯部将该盒式吸声装置或盒式吸声器组件在其盒体纵向上分为至少两个节段，以便在安装状态使盒体底面符合于轮辋外表面的圆弧形轮廓。所述折弯部可以设计为盒体的材料薄弱部，沿着盒体横向可以是连续的、也可以是非连续的，可以贯通盒体横向延伸、也可以仅在盒体横向的部分区段上延伸。
35.所述吸声装置10可以通过绑带(例如钢带)50束缚固定在车轮的轮毂20上，所述绑带从吸声装置10的盒体顶面将其压向车轮轮毂的轮辋外表面并绕轮毂20一周紧固所述吸声装置10，绑带的两个端头通过卡扣固定连接，绑带张紧力能够借助紧固工具调定和/或显示。适宜的是，所述吸声装置10在其盒体顶面上设有用于嵌入所述绑带的u形凹槽7(参见图3)。
36.图3示出了单个吸声装置的大体外形结构和内部构造。优选地，所述吸声装置10为由塑料材料一体成型制成的长方六面体状盒体，并且可以通过3d打印工艺进行制造。特别是如图3所示，所述吸声装置10具有两个在车轮轮毂周向上限定盒体两端边界的侧面，其中一端形成开口端侧面1，具有通入盒体内部空腔的开口，而另一端形成封闭端侧面1’。所述吸声装置10的第一共振吸声结构单元10-1和第二共振吸声结构单元10-2分别形成一个单孔的赫姆霍兹谐振器，其中，盒体内部通过沿着车轮轮毂周向延伸的隔板6被分割为并排布置的第一空腔3和第二空腔5，在所述开口端侧面1上形成有第一空心管2和第二空心管4的管口，各管口向车轮气室开放并且所述第一空心管和第二空心管分别以相应于其管长的距离延伸到第一空腔3和第二空腔5之中。
37.如上所述，吸声装置的两个吸声结构(即并联的第一共振吸声结构单元和第二共振吸声结构单元)的吸声频带不同，但均靠近(或者包含)车轮气室的共振频率。在此，两个所述赫姆霍兹谐振器的共振频率不相同(即fr1≠fr2)，且作为第一共振吸声结构单元10-1形成的第一赫姆霍兹谐振器的共振频率fr1大于等于所述车轮气室30的共振频率f0(即fr1≥f0)，而作为第二共振吸声结构单元10-2形成的第二赫姆霍兹谐振器的共振频率fr2小于等于所述车轮气室30的共振频率f0(即fr2≤f0)。适宜的是，所述第一赫姆霍兹谐振器的共振频率fr1与所述车轮气室30的共振频率f0之差不大于所述车轮气室的共振频率的50％；所述第二赫姆霍兹谐振器的共振频率fr2与所述车轮气室30的共振频率f0之差也不大于所述车轮气室的共振频率的50％。
38.在此，所述盒式吸声装置10的盒体的结构参数由两个所述赫姆霍兹谐振器的预定吸声系数和吸声量确定，所述结构参数包括所述隔板5和所述开口端侧面1及封闭端侧面1’的板体厚度、各所述空心管的管口孔径以及管长、所述第一空腔3和第二空腔5的形状、体积和壁厚。
39.根据本发明，有益的是，所述吸声装置1整体形成一种结构共振吸声器件，作为该结构共振吸声器件，其第一阶固有模态频率与车轮气室30的第一阶固有模态频率一致。对此还将在下文作进一步阐释。
40.具体地，图3示出了本发明吸声装置的构造原理示意图，按此优选实施例，其体现为一种由注塑加工的呈长方六面体状的盒式结构，内由一层薄板(即隔板6，该隔板和与其连接的面相互垂直)分割成两个空腔，亦即第一空腔3和第二空腔5。在盒式结构的一个侧面(即与隔板垂直的开口端侧面1)设置两个向盒体内部延伸的空心管壁(分别为第一空心管壁2w和第二空心管壁4w)，与空腔壁面一起形成第一空心管2与第二空心管4，第一空心管2和第一空腔3相通，第二空心管4和第二空腔5相通。空心管的一端管口平面和盒体的侧面(即开口端侧面1)在一个面上，第一空心管2和第二空心管4可以具有不同的管口孔径或者说管口横截面积；管长延伸到空腔内，第一空心管2和第二空心管4可以具有不同的管长。第一空心管2和第二空心管4与轮胎空气室(即所说车轮气室)相通，盒式结构整体安装于轮毂
圆形弧周面上形成并联式赫姆霍兹共振吸声结构。这种结构配置与单腔单孔式赫姆霍兹共振吸声相比，吸声频带更宽。所述结构配置的相关参数利用赫姆霍兹共振吸声结构的吸声系数和吸声量确定。
41.所述盒式结构优选由具有一定刚度和强度的塑料材料制作而成，紧贴于轮毂圆形弧周面上，并利用钢带进行固定安装。在此安装方式下的并联式赫姆霍兹共振吸声结构中，两个第一阶固有模态频率分开，且靠近车轮气室第一阶固有模态频率，以扩展吸声降噪频段。
42.该结构的固有模态通过板厚和形状调节达到设计要求，该调节需要通过有限元计算实现。一方面其设计可以进一步增加上述共振吸声结构的吸声量，也可以通过设计进一步增加吸声带宽。
43.这种盒式的吸声装置在其上表面设计有u形凹槽，该盒式结构具有圆弧造型，安装方式是利用钢带通过u形凹槽，并绕轮毂一周对其进行固定。按实际需要和具体设计情况，在轮毂上布置多个盒式吸声结构也是可能的，钢带绕轮毂一周将轮毂上的几个盒式吸声结构一同固定。钢带连接处用卡扣紧固，紧固力可以用紧固工具显示，以判断安装的牢固程度。
44.图3所示呈长方形六面体状的盒式结构的相关参数利用赫姆霍兹共振吸声结构的吸声系数和吸声量确定，如下式所述：
45.假设z为共振结构的表面声阻抗。zp为穿孔结构的孔的声阻抗，za为空腔的声阻抗。zp和za按式(1)和式(2)计算，而后按式(3)计算z，按式(4)计算吸声系数。
[0046][0047][0048]
z＝z
p
zaꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0049][0050]
式中，ρ为空气密度，c为空气声速，ω＝2πf，f为频率，γ为空气运动粘滞系数,γ＝1.53*10-5
m2/s。t为板的厚度，d为孔径，δ为板的穿孔率，d为空腔的厚度。zr为共振结构的相对声阻抗率。
[0051]
令r为zr的实部，x为zr的虚部，共振吸声结构的吸声系数α为：
[0052][0053]
穿孔板的共振频率fr可按式(5)计算：
[0054][0055]
吸声量计算公式：
[0056]
a＝αs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0057]
其中：a为共振吸声结构的吸声量。
[0058]
s为共振吸声结构空心管2/空心管4的横截面积。
[0059]
图3所示呈长方形六面体状的盒式结构作为共振吸声结构，其第一阶固有模态频率和车轮气室第一阶固有模态频率一致。其固有频率通过板厚和形状调节达到设计要求，其调节方式需要通过有限元计算实现。
[0060]
如图3所示的共振吸声结构，上表面设计有u形凹槽7，是为了将其安装在图2所示的轮毂20上。如图1和图2所示，安装方式是，将钢带作为绑带50通过并嵌入u形凹槽7，绕轮毂一周将共振吸声结构紧压在轮毂上对其进行固定。钢带3绕轮毂一周可以在轮毂上固定一个或多个吸声结构。钢带连接处用卡扣紧固，紧固力可以用紧固工具显示，以判断安装的牢固程度。
[0061]
图4为在一种应用实例中以测试平台模拟汽车行驶状态下车轮/轮胎工况进行实测得到的降噪量示图。
[0062]
在一种应用实例测试中，针对某款汽车在行驶状态下的空气室变形几何尺寸，利用某商用软件对其固有频率进行计算，针对该频率，据式(1)～式(6)对图3所示吸声装置的共振吸声结构各几何尺寸和吸声性能进行设计和调试。本例采用塑料材料利用3d打印手段制作出具有相应共振吸声结构的吸声装置，将一个共振吸声结构(吸声装置)安装在测试平台上，进行吸声降噪测试。该测试平台按照某汽车行驶状态下的轮胎外形及轮胎空气室形状制作而成，安装于其壁面的扬声器发出声信号，在空气室内形成声场，壁面上所安装的扬声器可以检测到空气室内声场大小，吸声装置可以按照在空气室中的实际配置方式进行安装布置。测量所述吸声装置安装前后在壁面上采集到的声压级大小，通过对比，来评价吸声装置的降噪效果。按照本评价方法，就是利用在感兴趣的频段上通过两次测量后得到的声压级之差，来评价吸声装置的降噪效果。
[0063]
从图4中可以看出，在轮胎空气室固有频率200hz附近，本发明的共振吸声结构降噪效果明显，采用一个共振吸声结构(吸声装置)最大降噪量便可达到3.7db，降噪带宽超过20hz。实车可以使用更多个这种共振吸声结构(吸声装置)，有效降噪量将会更大。
[0064]
以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的核心思想；同时，对于本领域普通技术人员来说，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。