A flexible ring model for investigating the influence of tyre dynamics on car interior noise

The increasing demand for vibro-acoustic comfort and the impelling regulations on noise and vibration levels have made the NVH performances of a vehicle to become one of the fundamental design criteria. As a consequence, many automotive companies together with tyre manufacturers are investing in the development of predictive models that can help in analysing noise and vibration transmission mechanisms and in providing new solutions towards an improved interior comfort. With the increasing introduction of hybrid and electric power units, the noise generated by the tyre-road interaction is becoming more and more important, so even more attention should be paid to this dominant source. The noise coming from the tyre that reaches the cockpit propagates both through the airborne and the structure-borne transmission paths. Regarding the latter, the vibrations coming from the road propagate from the tyre to the hub and then inside the cockpit generating interior noise. This thesis focuses on the structure-borne noise generated by the tyre-road interaction. The present work, carried out in the frame of a research cooperation between Pirelli Tyre and Politecnico di Milano, has the purpose of investigating the dynamic behaviour of the tyre in the 0-500 Hz frequency range. To this aim, an analytical model based on a flexible ring on an elastic foundation has been used for analysing the dynamics of the tyre-wheel system, with particular attention to its free response both in the static and rotating configuration. A preliminary calibration of the parameters of the tyre has been done based on FEA simulations and later a fine tuning of the model has been performed based on data coming from Experimental Modal Analysis. Particular attention has been paid in reproducing a cleat test, which is a common experimental way for studying the vibrational properties of the tyre. Both the contact patch and the obstacle have been modelled on the basis of experimental and FEA results, and time domain simulation of the displacements of the tyre elements and the hub forces has been carried out. In the end, a comparison between cleat test experimental data and the results obtained is performed, providing interesting information about the potentials of the model and indications for a future refinement.

La crescente richiesta di miglioramento vibro-acustico all'interno dell'abitacolo e le impellenti normative sui livelli di rumorosità e vibrazioni hanno reso le prestazioni NVH di un veicolo uno dei criteri fondamentali di progettazione. Di conseguenza, molte aziende automobilistiche insieme a produttori di pneumatici stanno concentrando i loro sforzi nello sviluppo di modelli predittivi per analizzare i principali meccanismi di trasmissione delle vibrazioni e fornire nuove soluzioni per un migliore comfort acustico. Con l'introduzione di veicoli ibridi ed elettrici sulle strade, il rumore generato dal rotolamento della ruota sull'asfalto sta diventando sempre più predominante sulle altre fonti di rumore presenti all'interno dell'autovettura; di conseguenza, maggiore attenzione deve essere rivolta in questa direzione. Il rumore proveniente dallo pneumatico che raggiunge la cabina di guida si propaga sia per via aerea sia per via strutturale. Per quanto riguarda quest'ultima, le vibrazioni provenienti dalla strada si propagano dallo pneumatico al mozzo e quindi all'interno dell'abitacolo generando rumore interno. In questa tesi verrà indagato il rumore generato dall'interazione pneumatico-strada trasmesso per via strutturale all'interno dell'abitacolo. Il presente lavoro si inserisce nel contesto di una cooperazione di ricerca tra Pirelli Tyre e Politecnico di Milano, il cui fine è analizzare gli effetti della rotazione sul comportamento dinamico dello pneumatico nel range di frequenze 0-500 Hz. A tale scopo, un modello analitico basato su un anello fessibile su un letto elastico è stato utilizzato per modellare il sistema ruota-pneumatico. Particolare attenzione è stata posta sulla riposta libera del sistema, con lo studio delle frequenze proprie e delle forme modali in presenza di velocità angolare. In primo luogo, il sistema è stato calibrato basandosi su dati provenienti da simulazioni FEA e successivamente è stato eseguito un tuning del modello basato su dati provenienti da un'analisi modale sperimentale. Tramite il modello è stata riprodotta una prova di superamento ostacolo, confi gurazione sperimentale utilizzata comunemente per lo studio delle proprietà vibrazionali dello pneumatico. Sia l'area di contatto con l'asfalto che l'interazione con l'ostacolo sono stati riprodotti nel modello basandosi su prove sperimentali e dati FEA. Grazie a questo le storie temporali degli spostamenti dei vari punti dello pneumatico e le forze al mozzo sono state ottenute. In fine, è stato eseguito un confronto tra i dati sperimentali e i risultati ottenuti analiticamente, fornendo informazioni interessanti sulle potenzialità del modello e indicazioni per un futuro perfezionamento.