吸声器单元和具有吸声装置的车轮的制作方法

1.本发明涉及一种吸声器单元和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共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，赫姆霍兹共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。实践当中，即使是相同型号的车轮，由于行驶状态不同和自身产品定位不同，其出现声共振频率也不尽相同，另外也经常会出现有多个窄带的高量值噪声。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，赫姆霍兹共振器的构造设计和安装结构较为复杂，为此，共振器部件(“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”)，共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。


技术实现要素：

5.本发明拟提出一种基于赫姆霍兹共振器原理特别构造的吸声器单元，将其所构成的吸声装置应用于车轮降噪，以部分或完全克服现有技术中存在的上述缺陷，尤其是，通过采用多孔三层赫姆霍兹结构吸声和盒式结构共振吸声相结合的方式，实现更为有效的降噪效果。
6.为了提升车轮气室共振控制效果，本发明主要基于如下思想：一是采用多孔三层共振吸声结构，在控制原理上克服单一赫姆霍兹共振吸声在有限体积下难以实现低频宽带
噪声有效控制的缺陷；二是采用呈六面体状的盒式结构，优选由塑料材料制作而成，设计其结构共振频率和空气室共振频率一致，在三层双孔和单孔共同作用下实现共振吸声，在较宽频带实现较高降噪量；三是允许采用三层空心方管结构，构造简单，加工方便。
7.具体而言，本发明提供一种吸声器单元，该吸声器单元安装在处于气体环境的运动部件(例如车轮的轮毂)上用以降低声共振，其特征在于，所述吸声器单元构造为呈六面体状的盒体并形成一种双孔和单孔相结合的三层赫姆霍兹共振吸声结构，所述盒体具有两个在运动部件的运动方向上限定该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；盒体内部通过第一隔板和第二隔板被分割为沿着所述运动部件的运动方向相继布置的第一空腔、第二空腔和第三空腔；其中，在所述开口端侧面上形成有两个第一空心管的管口，所述第一空心管的管口向气体环境空间开放，所述第一空心管以相应于其管长的距离延伸到所述第一空腔之中；在所述第一隔板上形成有一个第二空心管的管口，所述第二空心管的管口向所述第一空腔开放，所述第二空心管以相应于其管长的距离延伸到所述第二空腔之中；在所述第二隔板上形成有两个第三空心管的管口，所述第三空心管的管口向所述第二空腔开放，所述第三空心管以相应于其管长的距离延伸到所述第三空腔之中；所述第一空腔、第二空腔和第三空腔构成三层赫姆霍兹共振吸声结构的三个分层作用的共振腔。
8.值得注意的是，本技术中所述“六面体状”并非严格限制于几何意义下规则的六面体(例如长方体)形状，而是大体上呈现类似于六面体的形状即可，其中一个或多个面构造为具有一定的弧度(例如，盒体底面和/或顶面具有适应于轮辋外表面轮廓的圆弧形，即呈“弧形六面体状”)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。
9.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，还应确保能够通过适用的生产技术实现其成型加工。根据一种实施形式，所述吸声器单元为由金属材料或者塑料材料一体成型制成的弧形六面体状盒体。根据另一种实施形式，所述吸声器单元为由金属板材或者塑料板材拼装焊接制成的弧形六面体状盒体。
10.所述第一空心管、第二空心管和第三空心管可以为方管或者圆管。尤其是，三层空心方管结构的吸声器单元能够非常方便地利用常规生产技术加工制作。
11.根据一种实施形式，有益的是，所述吸声器单元的盒体的结构参数由所述三层赫姆霍兹共振吸声结构的预定吸声系数和吸声量确定，所述结构参数包括所述第一隔板和第二隔板、所述开口端侧面及封闭端侧面的板体厚度、所述第一空心管、第二空心管和第三空心管的管口孔径以及管长、所述第一空腔、第二空腔和第三空腔的形状、体积和壁厚。
12.相应地，本发明提供一种车轮，该车轮配备有安装于车轮气室内部用以降低声共振的吸声装置，所述吸声装置包括至少一个如上所述的吸声器单元或者包括至少一个由多个所述吸声器单元组合为整体的吸声器组件。
13.根据一种实施形式，所述吸声器单元或所述吸声器组件可以通过束缚元件绑定在车轮的轮毂上。尤其是，采用张紧作用的束缚元件固定吸声器单元，允许实施方便可控的安装操作，同时保证车轮组件(特别是其吸声装置模块)拆装方便，有益于后期的维护保养和备件更换。
第一空腔，3-第一隔板，4-第二空心管，5-第二空腔，6-第二隔板，7/7
’‑
第三空心管，8-第三空腔，9-u形凹槽；10-吸声器单元，20-轮毂，30-车轮气室，40-轮胎，50-束缚元件。
具体实施方式
27.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。
28.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”、“第三”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，诸如术语“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。
29.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。
30.图1为吸声器单元在车轮上的安装示意图。
31.本技术提供一种吸声器单元10，该吸声器单元安装在处于气体环境(尤其是图1示出的车轮气室30)的运动部件(尤其是图1示出的配有充气轮胎40的汽车车轮的轮毂20)上用以降低声共振。如图2以及特别是如图3所示，所述吸声器单元构造为呈六面体状的盒体并形成一种双孔和单孔相结合的三层赫姆霍兹共振吸声结构，所述盒体具有两个在运动部件的运动方向上限定该盒体两端边界的侧面，其中一端形成开口端侧面d，具有通入盒体内部空腔的开口，而另一端形成封闭端侧面d’；盒体内部通过第一隔板3和第二隔板6被分割为沿着所述运动部件的运动方向相继布置的第一空腔2、第二空腔5和第三空腔8；其中，在所述开口端侧面d上形成有两个第一空心管1、1’的管口，所述第一空心管的管口向气体环境空间开放，所述第一空心管以相应于其管长的距离延伸到所述第一空腔2之中；在所述第一隔板3上形成有一个第二空心管4的管口，所述第二空心管的管口向所述第一空腔2开放，所述第二空心管以相应于其管长的距离延伸到所述第二空腔5之中；在所述第二隔板6上形成有两个第三空心管7、7’的管口，所述第三空心管的管口向所述第二空腔5开放，所述第三空心管以相应于其管长的距离延伸到所述第三空腔8之中；所述第一空腔2、第二空腔5和第三空腔8构成三层赫姆霍兹共振吸声结构的三个分层作用的共振腔。
32.可行的是，所述吸声器单元10为由金属材料或者塑料材料一体成型制成的弧形六面体状盒体；或者，所述吸声器单元10为由金属板材或者塑料板材拼装焊接制成的弧形六
面体状盒体。
33.所述第一空心管1及1’、第二空心管4和第三空心管7及7’可以构造为方管或者圆管。
34.根据本发明，所述吸声器单元10的盒体的结构参数由所述三层赫姆霍兹共振吸声结构的预定吸声系数和吸声量确定，所述结构参数包括所述第一隔板3和第二隔板6、所述开口端侧面d及封闭端侧面d’的板体厚度、所述第一空心管1/1’、第二空心管4和第三空心管7/7’的管口孔径以及管长、所述第一空腔2、第二空腔5和第三空腔8的形状、体积和壁厚。
35.在此基础上，本技术还提供一种车轮，该车轮配备有安装于车轮气室30内部用以降低声共振的吸声装置，所述吸声装置包括至少一个如上所述的吸声器单元10或者包括至少一个由多个所述吸声器单元10组合为整体的吸声器组件。
36.图2为吸声器单元按照一种优选实施方式设置在车轮轮毂上的示意图。
37.所述吸声器单元或所述吸声器组件可以通过束缚元件50绑定在车轮的轮毂20上(参见图2)。
38.有益的是，所述吸声器单元10或所述吸声器组件自身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。
39.按此实施方式，所述束缚元件50为绑带(例如钢带)，所述绑带从吸声器单元10或吸声器组件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器单元10或吸声器组件，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，所述吸声器单元10或所述吸声器组件在其盒体顶面上设有用于嵌入所述绑带的u形凹槽9(参见图3)。
40.所述吸声器组件可以由两个所述吸声器单元10以其封闭端侧面d’直接相连或者通过薄板b相连组合而成。在图2所示的实施方式中，将两个如此形成的吸声器组件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。
41.根据实际需要，可以在车轮的轮毂20上并排设置有多个所述吸声器单元10或所述吸声器组件，或者沿着轮毂周向分布设置有多个所述吸声器单元10或所述吸声器组件。
42.所述吸声器单元10或所述吸声器组件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，所述吸声器单元10或所述吸声器组件设置有沿着其盒体横向延伸的至少一个折弯部，所述折弯部将该吸声器单元或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。
43.图3示出了吸声器单元的构造原理示意图。
44.于是，根据本发明的这种具体实施例，便可实现一种安装于轮毂20上用以降低车轮气室声共振的三层吸声结构，其具体实施为一种呈圆弧形六面体的盒式结构(参见图2及图3)，该盒式结构可通过注塑工艺加工而成，内由两个薄板(对应于图中标示的3和6)分割成三个空腔(对应于图中标示的2、5和8)，盒式结构的一个侧面(平行于盒内第一个和第二个分割薄板)安装(或构造)有两个第一空心方管(对应于图中标示的1和1’)，盒内第一层和第二层之间的分割薄板安装(或构造)有一个第二空心方管(对应于图中标示的4)，盒内第二层和第三层之间的分割薄板安装(或构造)有两个第三空心方管(对应于图3中标示的7和7’)。所述两个第一空心方管的一端管口平面和盒式结构的侧面在一个面上，管长延伸到第
一空腔2内；所述一个第二空心方管的一端管口平面和盒内分割薄板在一个面上，管长延伸到第二空腔5内；所述两个第三空心方管3的一端管口平面和盒内分割薄板在一个面上，管长延伸到第三空腔8内。两个第一空心方管和轮胎空气室相通，盒式结构整体安装于轮毂的圆形弧周面上，形成双孔和单孔相结合的三层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，更靠近低频且带宽更宽。所述结构配置的相关参数利用三层赫姆霍兹共振吸声结构的吸声系数和吸声量确定。
45.所述盒式结构—考虑到重量和成本—优选由具有一定刚度和强度的塑料材料制作而成，紧贴于轮毂圆形弧面上，并利用钢带或其它紧固件进行固定安装。在此安装方式下的吸声结构中，其第一阶固有模态频率和车轮气室的第一阶固有模态频率一致，自身形成了结构共振吸声器件。
46.该结构的固有模态/固有频率通过材料选型、厚度和形状调节达到设计要求，可通过有限元方法计算，特别是可以通过nastran、actran等软件进行计算。通过相应设计可以增加上述多孔三层共振吸声结构的吸声量，也可以增加吸声带宽。
47.这种盒式吸声结构(或者说吸声装置或吸声器单元或吸声器组件)在其上表面设计有u形凹槽(对应于图中标示的9)，可利用钢带或其它紧固绑带(对应于图中标示的50)嵌装在u形凹槽中，钢带或其它紧固绑带绕轮毂一周将该盒式该吸声结构紧压在轮毂上对其进行固定(参见图2)。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，所述钢带或其它紧固绑带绕轮毂一周将轮毂上的几个盒式吸声结构一同固定。钢带或其它紧固绑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。
48.图4为在一种应用实例中模拟车轮/轮胎声学工况进行测算得到的降噪量示图。
49.针对某汽车在行驶状态下的车轮/轮胎几何尺寸，对图3所示吸声装置(或者说吸声器单元)的共振吸声结构各几何尺寸和吸声性能进行设计和调试。轮胎空气室的固有频率在200hz左右。在本应用实例中，为了使所述共振吸声结构的结构模态和轮胎空气室的固有模态一致，达到结构共振降噪的目的，将两个吸声器单元10在封闭端串联在一起，两端通过薄板b相连，形成串联式三层共振吸声结构(亦即由两个所述吸声器单元组合为整体的吸声器组件，例如参见图3)。本例中，吸声器单元/吸声器组件采用塑料材料加工而成，将其对称安装在轮辋面上，成为一对共振吸声结构，如图2所示。
50.在进行降噪量测算试验时，将上述共振吸声结构按照上述方式安装于某车轮，利用有限元actran软件的模态频率响应法对本发明吸声装置的降噪量进行评估。首先分别计算车轮有无吸声装置的模态；然后基于模态的结果，在轮胎与地面接触位置设定一声源；最后计算该声源在轮胎空气室的声传播，车轮静止，测点位于空气室顶部，依此便可以获取如图4所示的共振吸声结构降噪效果图。
51.从图4中可以看出，有效降噪频段为195～215hz，最大降噪量出现在205hz(处于轮胎空气室固有频率附近)，量值超过12db，可见本发明能够有效地降低轮胎空气室共振产生的噪声。
52.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。