Experimental and numerical analysis of the in-plane dynamics of a rolling tyre for the investigation of vehicle interior noise

In recent years, the attention of the automotive market to vehicle comfort is significantly increasing. As a result, the R&D effort of the car industry towards the improvement of the vehicle NVH performances is continuously growing. Tyre/road interaction is one of the main contributors to the overall noise transmitted into the vehicle cabin. In particular, road roughness and irregularities, which act as excitation source, induce a vibration response in the tyre. As a result, noise and vibrations are transmitted through the suspension system and the vehicle frame to the cabin, thus affecting the perceived comfort. The tyre structural dynamics plays a fundamental role in the noise transmission, so that accurate predictive models are required to further investigate it and to support the development of more efficient tyre products. The present thesis work has been carried out within the frame of the joint research project “Structure-borne Tyre Noise” between Pirelli Tyre S.p.A. and Politecnico di Milano, with the objective of investigating the dynamic behaviour of the rolling tyre in the frequency range 0-500 Hz. Throughout the thesis, different tools, including a theoretical tyre model, experimental campaigns and data processing algorithms, have been developed and adopted to support the investigation of the tyre structural dynamics. At first, the structural behaviour of the tyre has been characterized in static conditions by means of an Experimental Modal Analysis (EMA) campaign carried out in the PoliMi laboratories. Then, the dynamic behaviour of the rolling tyre has been investigated by performing cleat tests in the Pirelli laboratories. A dedicated data processing algorithm has been developed and implemented aiming at identifying the most relevant wave contributions propagating along the tyre circumference during its free response to the impulsive excitation provided by the cleat. The developed tools constitute an important basis to support product development and mitigate structure-borne noise.

Negli ultimi anni, l'attenzione del mercato automobilistico al comfort dei veicoli stradali è aumentata in modo significativo. Di conseguenza, si osserva un crescente impegno dei dipartimenti di ricerca e sviluppo delle industrie automobilistiche riguardo al miglioramento delle prestazioni NVH dei veicoli. L'interazione pneumatico/strada è uno dei principali fattori che contribuiscono al rumore trasmesso all’interno dell’abitacolo del veicolo. In particolare, la rugosità e le irregolarità della strada, che agiscono come fonte di eccitazione, inducono una risposta vibratoria nello pneumatico. Di conseguenza, il rumore e le vibrazioni vengono trasmessi attraverso le sospensioni e lo chassis all’abitacolo, influenzando così il comfort percepito. La dinamica strutturale dello pneumatico gioca un ruolo fondamentale nella trasmissione del rumore, per cui sono necessari modelli predittivi accurati per indagarla ulteriormente e per supportare lo sviluppo di pneumatici più efficienti. Il presente lavoro di tesi è stato svolto nell'ambito del progetto di ricerca congiunto "Structure-borne Tyre Noise" tra Pirelli Tyre S.p.A. e il Politecnico di Milano, con l'obiettivo di indagare il comportamento dinamico dello pneumatico in rotolamento nell’intervallo di frequenze 0-500 Hz. Durante la tesi sono stati sviluppati e adottati diversi strumenti, tra cui un modello teorico dello pneumatico, campagne sperimentali e algoritmi di elaborazione dati, per supportare l'analisi della dinamica strutturale dello pneumatico. Inizialmente, il comportamento strutturale dello pneumatico è stato caratterizzato in condizioni statiche mediante una campagna di analisi modale sperimentale condotta nei laboratori PoliMi. Quindi, il comportamento dinamico dello pneumatico in rotolamento è stato studiato eseguendo test di superamento ostacolo nei laboratori Pirelli. È stato sviluppato e implementato un algoritmo di elaborazione dati che mira a identificare i contributi delle onde più rilevanti che si propagano lungo la circonferenza dello pneumatico durante la sua risposta libera all'eccitazione impulsiva fornita dall’ostacolo. Gli strumenti sviluppati costituiscono una base importante per supportare lo sviluppo prodotto e mitigare il rumore trasmesso per via strutturale.