Tiếng ồn và độ rung từ lốp xe ô tô có thể gọi là một nỗi ám đối với hầu hết tất cả các tài xế và đặc biệt là với các tài xế lâu xe tải. Vì điều này báo hiệu nhưng vấn đề hư hại của lốp xe ô tô. Được biết, tiếng ồn và rung động của lốp xe được tạo ra bởi sự tương tác giữa bề mặt gai lốp và mặt đường hoặc do các hiệu ứng động lực bên trong. Có nhiều cơ chế cơ học và âm học lý thuyết có thể góp phần tạo ra tiếng ồn và rung động.
Một điểm đồng thuận là nguồn gây rung động lốp và tiếng ồn kết cấu là do đầu vào rộng băng tần từ mặt đường kích thích lốp. Sự tương tác cơ học giữa đường và lốp, được điều khiển cưỡng bức và kiểm soát dịch chuyển, sẽ kích thích lốp. Bản chất của đầu vào dải rộng này phụ thuộc vào các thông số khác nhau bao gồm kết cấu và đặc tính bề mặt đường cũng như hình dạng và đặc điểm của vùng tiếp xúc lốp.
Trong thực tế, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực xác định các cơ chế cụ thể đóng góp nhiều nhất vào tổng tiếng ồn được tạo ra. Xem xét các tài liệu, có một số nghiên cứu tương quan một cơ chế tạo ra tiếng ồn cụ thể với tổng tiếng ồn của lốp. Tuy nhiên, trong nhiều ví dụ, các nghiên cứu như vậy được thiết kế và chế tạo để bỏ qua các cơ chế hiện có khác.
Để tránh những phán đoán vội vàng, nên thực hiện những phương pháp thử nghiệm khác nhau. Tương tự như các vấn đề và ứng dụng âm học khác, tiếng ồn do lốp tạo ra có thể được phân loại thành hai nhóm chính:
- Tiếng ồn do khí động học: Áp suất âm thanh dao động được tạo ra bởi các nguồn ồn khí động học như hiệu ứng khí động lực học.
- Tiếng ồn do rung động: Biến động áp suất âm thanh được tạo ra bởi rung động của cấu trúc và sự kết hợp chặt chẽ của nó với không khí xung quanh.
Tất nhiên, trong mỗi nhóm đều có nhiều cơ chế cần được nghiên cứu và đánh giá để hiểu chính xác cơ chế tạo ra tiếng ồn của lốp xe. Vấn đề được để cập trong cuốn sách ” Tiếng ồn và Rung động của Lốp xe Ô tô ” được biên soạn bới Xu Wang vào năm 2020.
Note: Nội dung bài viết dưới đây được trích từ cuốn sách “Automotive Tire Noise and Vibrations” kết hợp với kinh nghiệm của đội ngũ kỹ sư âm học và độ rung của Lidinco.
Tiếng ồn và Rung động của Lốp xe Ô tô
Các yếu tố khác nhau như mặt đường, tốc độ lốp, tải trọng, hình dạng và cấu trúc có thể quyết định nhóm nào đóng vai trò quan trọng hơn trong việc tạo ra tiếng ồn. Ví dụ, khi lốp xe lăn trên mặt đường nhựa (thô ráp), các cơ chế rung động âm học tần số thấp trở nên chi phối hơn. Tuy nhiên, trên mặt đường bê tông nhẵn hơn, các cơ chế khí động học lại trở nên quan trọng.
Cần lưu ý rằng tiếng ồn và rung động của lốp xe truyền qua nhiều môi trường và đường dẫn/bộ phận khác nhau cho đến khi chúng đến khoang hành khách của phương tiện, hoặc trong trường hợp tiếng ồn bên ngoài, chúng sẽ lan tỏa ra môi trường. Các đường dẫn truyền này lọc ra các rung động lốp và tiếng ồn kết cấu được tạo ra. Ví dụ, các rung động kết cấu được tạo ra sẽ lan truyền và được lọc bởi thành lốp, bánh xe, trục chính và các thành phần hệ thống treo khác. Tiếng ồn lốp được tạo ra truyền qua không khí ra môi trường xung quanh dưới dạng tiếng ồn bên ngoài hoặc qua các khe hở hoặc lỗ hổng trên thân xe và cửa sổ vào khoang lái. Các môi trường và đường dẫn truyền này cũng có thể khuếch đại tiếng ồn truyền đi ở một số tần số nhất định.
Do đó, hiểu rõ cơ chế truyền tải cũng quan trọng như hiểu cơ chế tạo ra tiếng ồn. Kiến thức này thường có thể giúp các kỹ sư giảm thiểu và kiểm soát tiếng ồn và rung động trong cabin và tiếng ồn bên ngoài bằng cách điều chỉnh các thông số thiết kế của đường dẫn truyền. Điều này trở nên rất quan trọng vì việc điều chỉnh các thông số thiết kế của đường dẫn truyền thường khả thi hơn so với việc thay đổi nguồn tiếng ồn và rung động
Tiếng ồn và rung động do lốp xe gây ra có thể cảm nhận được trong cabin dưới dạng tiếng ồn kết cấu (structural borne noise) hoặc được cảm nhận như tiếng ồn do không khí (airborne noise).
Tiếng ồn kết cấu lốp và tiếng ồn do không khí
Tiếng ồn đường bộ, bao gồm tiếng ồn và rung động của lốp xe, có thể được phân thành hai loại:
- Tiếng ồn và rung động kết cấu (SBN – Structural Borne Noise)
- Tiếng ồn do không khí (ABN – Airborne Noise)
Tùy thuộc vào dải tần số đang nghiên cứu, một loại có thể chi phối loại còn lại. Tiếng ồn kết cấu do lốp xe chi phối tổng tiếng ồn được tạo ra ở các tần số thấp hơn, trong khi tiếng ồn do không khí đóng vai trò quan trọng hơn ở các tần số cao hơn. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng có một vùng chuyển tiếp xung quanh 500 Hz, nơi các cơ chế do không khí bắt đầu trở nên chi phối hơn so với các cơ chế tiếng ồn kết cấu.
Tiếng ồn kết cấu do lốp xe
Tiếng ồn kết cấu là do rung động gây ra. Khi lốp xe lăn trên mặt đường, tại mặt tiếp xúc lốp-mặt đường, lốp xe bị kích thích bởi những chỗ không bằng phẳng trên mặt đường. Trong một số trường hợp, lốp xe cũng có thể bị kích thích bởi một số cơ chế bên trong như độ không đồng đều của lốp. Những kích thích bên ngoài và bên trong này, cùng với biến dạng cục bộ của gai lốp, có thể gây ra các ứng suất cục bộ lan truyền trong thân lốp. Đầu vào và kích thích từ mặt đường bên ngoài thường được coi là dải rộng lên đến 200-500 Hz đối với mặt đường tiêu chuẩn.
Khi phân tích tiếng ồn kết cấu do lốp xe, việc coi lốp như một hệ thống động học lọc và sửa đổi đầu vào dải rộng từ mặt đường thường có lợi. Đầu vào được lọc từ mặt đường và rung động của lốp lan truyền trong lốp và truyền qua vùng ta lông và mặt tiếp xúc lốp-vành bánh xe đến mâm xe. Rung động lan truyền tiếp tục có thể được truyền qua trục bánh, hệ thống treo xe, cơ cấu lái và khung gầm đến khoang lái của phương tiện. Rung động truyền đến có thể cảm nhận được trong cabin ở vô lăng, chỗ để chân và ghế ngồi. Rung động cũng có thể kích thích các thành phần rung động để bức xạ tiếng ồn có thể nghe thấy trong cabin.
Để cải thiện tiếng ồn kết cấu do lốp xe tạo ra, các kỹ sư lốp xe “điều chỉnh” hệ thống động lực này bằng cách thiết kế cấu trúc lốp để lọc ra các đầu vào dải rộng của mặt đường ở một số tần số nhất định. Giống như các hệ thống động lực khác, cần sử dụng các vật liệu, cấu trúc và thiết kế khác nhau để đạt được khả năng truyền tải mong muốn của hệ thống động lực. Quá trình điều chỉnh này thường đạt được bằng cách xem xét hành vi động lực của các thành phần khác nhau dọc theo đường truyền.
Tiếng ồn do không khí của lốp xe
Tiếng ồn do không khí có thể do rung động gây ra hoặc có thể được tạo ra bởi các nguồn ồn khí động học. Tiếng ồn do không khí chi phối tiếng ồn lốp tổng thể ở các tần số cao hơn như được minh họa trong. Rung động kết cấu của lốp xe có thể kích thích không khí xung quanh lốp xe để tạo ra các biến động áp suất do sự ghép nối giữa không khí và cấu trúc.
Được biết rằng một số chế độ rung động và sóng nhất định, ví dụ như sóng uốn siêu thanh, rất hiệu quả trong việc bức xạ tiếng ồn do không khí. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng rung động của lốp gần vị trí vá lốp tiếp xúc đặc biệt hiệu quả trong việc kích thích không khí xung quanh và bức xạ tiếng ồn.
Các nguồn ồn khí động học cũng có thể tạo ra tiếng ồn do không khí. Trong trường hợp này, các nguồn khí động học, chẳng hạn như biến dạng rãnh gai lốp và sự tiếp hợp không khí, gây ra một số biến động áp suất và sóng âm có thể lan truyền trong không gian, lan truyền trong không khí và đến những người bên ngoài xe. Tiếng ồn do không khí do lốp xe bức xạ này là một phần của tiếng ồn ngang qua xe do chính phủ quy định ở một số khu vực, yêu cầu tiếng ồn ngang qua xe tổng thể phải dưới một mức nhất định. Tương tự, tiếng ồn do không khí có thể truyền qua các khe hở và lỗ hổng không kín trên cấu trúc thân xe vào cabin, ảnh hưởng trực tiếp đến sự thoải mái của cabin và cảm nhận về chất lượng chuyến đi của hành khách.
Tiếng ồn do không khí do rung động của lốp có thể được kiểm soát bằng cách giảm rung động kết cấu của lốp. Như đã chỉ ra trước đó, một số chế độ rung động có hiệu quả hơn trong việc bức xạ tiếng ồn. Cấu trúc lốp có thể được điều chỉnh để tác động đến các chế độ này với hiệu suất bức xạ cao hơn. Bức xạ tiếng ồn khí động học của lốp thường có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi các đặc điểm hình học của lốp như hình dạng lốp, gai lốp, số bước răng và hoa văn.
Tiếng ồn và rung động do va chạm gai lốp
Một trong những cơ chế tạo ra tiếng ồn do không khí là va chạm gai lốp. Khi các khối gai lốp đi vào và ra khỏi vùng tiếp xúc, các biến dạng cục bộ của lốp do tương tác giữa lốp và mặt đường kích thích lốp. Kích thích này lan truyền trong thân lốp dẫn đến một số phản ứng rung động cưỡng bức và tự nhiên của lốp. Các phương pháp thí nghiệm khác nhau, chẳng hạn như máy đo rung Doppler laser và phương pháp dựa trên tương quan hình ảnh kỹ thuật số, đã được sử dụng để quan sát cách sóng uốn này lan truyền trong thân lốp. Các nghiên cứu này cho thấy độ rung ở gai lốp trước và sau vá tiếp xúc chủ yếu do sóng uốn tạo nên. Do đặc tính đàn hồi nhớt và giảm chấn cao của cao su, độ rung không thể lan truyền hết qua lốp và độ rung chỉ được quan sát thấy gần vá tiếp xúc nơi chúng bắt nguồn.
Sóng uốn này ở rãnh lốp rất hiệu quả trong việc bức xạ tiếng ồn. Người ta tin rằng việc kiểm soát những sóng này, bằng cách thay đổi vật liệu gai lốp ảnh hưởng đến tốc độ pha sóng và kiểm soát đầu vào gây ra những sóng này ngay từ đầu, có thể giúp cải thiện bức xạ tiếng ồn của lốp.
Ngoài các rung động ngoài mặt phẳng, các rung động tiếp tuyến và cũng được báo cáo. Nói chung, các chế độ này không thể hoạt động như bộ bức xạ tiếng ồn hiệu quả và thường bị bỏ qua. Hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy ở thành lốp. Khi các sóng uốn này có tần số cao hoặc siêu âm, chúng có thể bức xạ tiếng ồn hiệu quả. Có một số nghiên cứu cho thấy rung động thành lốp và tiếng ồn bức xạ ảnh hưởng đến tiếng ồn ngang qua.
Thật khó để kết hợp bất kỳ cơ chế nào trong số này, ví dụ như rung động thành lốp, với tổng tiếng ồn bức xạ. Luôn luôn được khuyến khích rằng cả độ rung của thành lốp và rãnh lốp cùng với tác động của chúng đến bức xạ tiếng ồn của lốp cần được xem xét khi thiết kế lốp. Cơ chế tạo ra này hoạt động hiệu quả trong dải tần số từ 500 đến 3000 Hz tùy thuộc vào tốc độ lốp, thiết kế lốp và cấu trúc như số bước răng của lốp.
Tác động của các rung động cưỡng bức, ví dụ như chủ yếu do đầu vào kích thích vào lốp, có thể được cảm nhận bằng lực trục cũng như áp suất âm trường gần được đo ở mép trước, mép sau và thậm chí cả hai bên của vá tiếp xúc. Đối với lốp một bước răng, tần số của rung động cưỡng bức được tạo ra có thể được tính đơn giản bằng công thức f = Nω, trong đó f là tần số tính bằng Hz, N là số bước răng và ω là tốc độ quay của lốp tính bằng rad/s. Đối với lốp đơn bước răng, nơi tất cả các yếu tố gai lốp có cùng kích thước chu vi, tiếng ồn âm sắc có thể được tạo ra. Để khắc phục tiếng ồn âm sắc, thường áp dụng phương pháp sắp xếp ngẫu nhiên các họa tiết của các yếu tố gai lốp xung quanh lốp. Đối với lốp xe du lịch có 70 bước răng, tần số này có thể vào khoảng 1000 Hz ở tốc độ đường cao tốc. Sau trong chương này, tiếng ồn được tạo ra ở tần số này sẽ được hiển thị để được khuếch đại bởi một số cơ chế khác.
Một trong những cơ chế tiếng ồn của lốp đã được nghiên cứu chi tiết là bơm hơi lốp. Đối với lốp có gai, có nhiều thể tích/khoang khí và túi khí được tạo bởi các rãnh và khe gai lốp. Khi lốp lăn trên mặt đường, các thể tích này bị nén hoặc giãn nở, buộc không khí ra vào các túi khí ở mép trước, mép sau và hai bên của vết lốp/vá tiếp xúc. Hiện tượng này được gọi là bơm hơi lốp, dẫn đến các biến động áp suất cục bộ lan truyền trong không khí.
Giống như các nguồn tiếng ồn khí động học khác, tiếng ồn bơm hơi được báo cáo là hiệu quả ở tần số cao từ 2000 đến 10.000 Hz. Tầm quan trọng của cơ chế bơm hơi đã bị một số nhà nghiên cứu nghi ngờ vì dải tần số hiệu quả của nó trùng lặp với một số cơ chế đã biết khác. Qua các phép đo thực nghiệm về áp suất âm trường gần, người ta thấy mức độ áp suất âm của tiếng ồn bơm hơi ở mép trước của vết lốp/vá tiếp xúc cao hơn ở mép sau. Dựa vào dữ liệu này, một số nhà nghiên cứu đã kết luận rằng tiếng ồn bơm hơi chiếm ưu thế ở mép trước nhiều hơn so với mép sau. Mặc dù vậy, rất khó để kết luận rằng mức áp suất âm tăng cao ở mép trước chỉ do tiếng ồn bơm hơi mà bỏ qua tiếng ồn do các cơ chế tạo ra tiếng ồn khác.
Ngoài ra còn có một số mô hình tính toán và phân tích để mô phỏng cơ chế tạo tiếng ồn bơm hơi lốp. Một trong những ưu điểm của việc sử dụng các mô hình này để mô phỏng tiếng ồn bơm hơi lốp là khả năng phân tách tiếng ồn lốp do các cơ chế khác tạo ra. Nghiên cứu cho thấy tiếng ồn bơm hơi lốp có thể được mô hình hóa hợp lý bởi một điểm đơn cực đối với những thay đổi thể tích rất nhỏ, nghĩa là tải trọng nhỏ. Trong các mô hình số phức hợp hơn, lốp được mô hình hóa như một cấu trúc cứng để phân tách tiếng ồn và rung động do va chạm gây ra và tiếng ồn bơm hơi lốp được mô hình hóa như hiện tượng khí động học thuần túy. Hầu hết các mô hình và nghiên cứu mô phỏng này đều xác nhận dải tần số đã đề cập của tiếng ồn lốp do các nguồn tiếng ồn khí âm tạo ra. Một số nhà nghiên cứu cũng cho rằng toàn bộ nguồn tiếng ồn khí động học của lốp có thể được coi là một cơ chế tạo tiếng ồn lốp khác. Nhưng không có bằng chứng nào cho thấy cơ chế tạo tiếng ồn lốp này đóng góp mạnh vào tổng tiếng ồn trên không so với các cơ chế tiếng ồn lốp khác.
Tiếng ồn và rung động do ma sát
Ma sát giữa lốp và mặt đường gây ra các rung động có thể tạo ra tiếng ồn. Rung động do ma sát được tạo ra bởi cơ chế dính trượt hoặc độ bám dính của gai lốp. Khi lốp xe lăn trên mặt đường và các khối gai lốp đi vào vết lốp, các khối gai bị nén, biến dạng và dính vào mặt đường do tải trọng của xe. Khi các khối gai ra khỏi vết lốp, chúng bắt đầu phục hồi từ biến dạng. Do lốp quay và lực ma sát giữa lốp và mặt đường vượt quá ngưỡng, các khối gai bắt đầu trượt trên mặt đường.
Tùy thuộc vào nhiệt độ (gián thiệt), biến dạng lốp tối đa cũng như độ cứng của gai lốp, các khối gai sẽ bắt đầu rung động. Điều này có thể dẫn đến bức xạ tiếng ồn trên không của lốp tùy thuộc vào độ linh hoạt của rung động gai lốp. Rung động của gai lốp cũng có thể kích thích rãnh lốp và lan truyền trong lốp để bức xạ tiếng ồn tương tự như tiếng ồn do cơ chế.
Để giảm rung động do ma sát, cần có các gai lốp cứng hơn với độ giảm chấn đàn hồi nhớt cao hơn. Đây là một ví dụ về các yêu cầu mâu thuẫn khi thiết kế lốp, vì lốp gai cứng thường làm giảm độ thoải mái khi lái xe. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tiếng ồn lốp do cơ chế dính trượt và độ bám dính thường có tần số đo được từ 800 đến 3500 Hz. Tiếng ồn lốp do cơ chế dính trượt và độ bám dính thường chiếm ưu thế gần mép sau của lốp đang quay như mong đợi từ tính vật lý của cơ chế. Kết cấu mặt đường đóng vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và mức độ quan trọng của cơ chế này. Điều này có thể dễ dàng quan sát thấy bằng cách chà xát ngón tay trên các bề mặt khác nhau và lắng nghe tiếng ồn do ma sát tạo ra. Trong thực tế, tiếng ồn tạo ra bởi các cơ chế dựa trên ma sát này đôi khi được gọi là tiếng ồn xèo xèo và rít (tùy thuộc vào điều kiện mặt đường).
Điều thú vị là cả cơ chế tiếng ồn lốp trong bài viết này đều có dải tần số hoạt động tương tự nhau. Việc các cơ chế tiếng ồn bà độ rung chồng chéo nhau đã gây ra sự nhầm lẫn và nghi ngờ về sự tồn tại của một số cơ chế nhất định như cơ chế tạo tiếng ồn bơm hơi lốp. Tiếng ồn trên không khí có thể được tạo ra bởi tất cả các cơ chế này, và thậm chí có thể là một vài cơ chế khác mà chúng tôi đã không đề cập đến trong phần này! Tùy thuộc vào các yếu tố khác nhau như cấu trúc lốp, vật liệu, kết cấu mặt đường, thiết kế gai lốp, hoa văn và số lượng bước răng, một trong các cơ chế này có thể chi phối các cơ chế khác. Do đó, không thể kết luận cơ chế nào hiệu quả hơn trong việc tạo tiếng ồn lốp.
Mua thiết bị đo và phân tích âm và độ rung ở đâu?
Là một đơn vị được biết đến với nhiều năm kinh nghiệm trong việc cung cấp thiết bị, máy đo, ứng dụng và cả giải pháp hoàn chỉnh cho việc đo lường tiếng ồn và độ rung. Không chỉ đo và phân tích tiếng ồn của lốp xe mà Lidinco còn cung cấp các những thiết bị đo độ hấp thụ của âm.
Lidinco còn cung cấp các giải pháp và phần mềm trong việc phân tích âm học theo nhu cầu của khách hàng. Một số giải pháp và phần mềm đo âm thanh mà Lidinco cung cấp như:
– Phân tích tiếng ồn sân bay
– Trạm quan trắc tiếng ồn môi trường
– Xây dựng âm học công trình, tòa nhà
– Phân tích đặc tính cách âm vật liệu
– Phần mềm mô phỏng tác động của âm thanh từ nguồn âm có sẵn
– Thiết bị đo độ hấp thụ của âm SONOCAT
Ngoài cung cấp thiết bị, Lidinco còn cung cấp một số giải pháp đo độ rung giúp chuẩn đoán sớm các lỗi có thể xảy ra cho sản phẩm hoặc dây truyền sản xuất như
– Tạo biểu đồ nhiệt kiểm tra độ rung cho dây chuyền
– Kiểm tra độ rung các thiết bị gia dụng như máy lạnh, máy giặt, máy quạt
– Kiểm tra rung lắc của động cơ, vòng bi
– Đo rung lắc của bạc đạn, tua bin, máy nén khí, băng tải…
– Theo dõi độ rung dài hạn.
Lidinco hân hạnh mang đến cho bạn những sản phẩm chính hãng phù hợp với yêu cầu sử dụng, được tư vấn chính xác bởi đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm của chúng tôi.
Công ty Lidinco là một trong những nhà đại diện phân phối hàng đầu các sản phẩm máy đo độ rung, phân tích âm thanh và độ rung với giá tốt, chất lượng cao và chính hãng được nhầu khẩu từ nhiều thương hiệu hàng đầu trên toàn thế giới
Liên hệ ngay với Lidinco để được đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm tư vấn và hỗ trợ thêm về ứng dụng của bạn
CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
– Trụ sở chính: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
– Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
– VP Bắc Ninh: 184 Đường Bình Than, Phường Võ Cường, TP. Bắc Ninh
– Điện thoại: 0222 7300 180
– Email: sales@lidinco.com
