LỐP CHỐNG ỒN VÀ VÒM BÁNH SỢI NỈ TIÊU ÂM

Trong cấu trúc dao động và tiếng ồn của xe hơi (NVH - Noise, Vibration, Harshness), tiếng ồn tiếp xúc mặt đường (Road Noise) luôn là một trong những thử thách kỹ thuật phức tạp nhất đối với các kỹ sư cơ khí âm học. Khác với tiếng ồn khí động học vốn tăng theo cấp số nhân ở dải tốc độ cao và truyền chủ yếu qua không khí, tiếng ồn tiếp xúc xuất hiện ngay từ dải tốc độ thấp đến trung bình, truyền đồng thời qua hai con đường: sóng âm trong không khí (airborne noise) và sóng dao động cơ học truyền qua kết cấu khung gầm (structure-borne noise). Nguồn gốc của tạp âm này bắt đầu từ sự va đập giữa gai lốp với bề mặt đường nhựa, hiện tượng sỏi đá văng, nước bắn vào hốc bánh xe, và đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng không khí bên trong khoang rỗng của lốp. Để giải quyết triệt để vấn đề này, ngành công nghiệp xe hơi cao cấp đã ứng dụng một chuỗi giải pháp kỹ thuật đồng bộ gồm ba thành phần then chốt: Lớp bọt Polyurethane dán lòng lốp, Hệ thống vè hốc bánh bằng vật liệu sợi nỉ PET không dệt, và Bộ giảm chấn khối lượng điều hướng tích hợp tại cụm moay-ơ.

Về bản chất cơ học, một chiếc bánh xe khi được bơm căng khí hoạt động tương tự như một buồng cộng hưởng âm học hình xuyến (tương tự như cấu trúc đàn guitar hoặc khoang loa sub). Khi lốp lăn trên mặt đường gồ ghề, gai lốp liên tục bị nén và nhả, kích thích khối không khí kín bên trong lốp dao động theo tần số riêng. Hiện tượng này tạo ra sóng đứng (standing wave) và cộng hưởng khoang rỗng (Tire Cavity Resonance), thường tập trung chính xác ở dải tần số thấp từ $200\text{ Hz}$ đến $250\text{ Hz}$. Đây là dải âm trầm đặc trưng có độ xuyên thấu cực mạnh, tạo ra tiếng ù rền (“booming noise”) liên tục truyền qua vành xe, cụm moay-ơ, hệ thống treo và dội thẳng vào sàn khoang lái, gây ra cảm giác căng thẳng, say xe và mệt mỏi kéo dài cho hành khách.

Giải pháp lớp bọt tiêu âm Polyurethane (PU Foam) dán mặt trong lòng lốp ra đời nhằm can thiệp trực tiếp vào môi trường truyền sóng âm này. Lớp bọt này được chế tạo với cấu trúc bọt hở xốp đặc biệt (open-cell acoustic foam) và được liên kết chặt chẽ vào mặt trong của gai lốp bằng một lớp keo dẻo chịu nhiệt cao cấp, không bị biến dạng hay xê dịch dưới tác động của lực ly tâm cực lớn khi bánh xe quay ở tốc độ cao. Khi khối khí bên trong lòng lốp dao động và va đập vào bề mặt bọt PU, các lỗ xốp siêu vi sẽ phân tán động năng của sóng âm thành nhiệt năng thông qua ma sát nội phân tử và trở kháng âm học. Cơ chế này dập tắt hiệu quả sự tích tụ của sóng đứng cộng hưởng, làm giảm cường độ âm thanh ở dải tần $200 - 250\text{ Hz}$ tới $5 - 9\text{ dB}$, loại bỏ gần như hoàn toàn tiếng ù rền đáy sàn mà không làm thay đổi cảm giác lái, chỉ số tải trọng, lực cản lăn hay độ an toàn cơ bản của lốp xe.

Nếu lớp bọt lòng lốp xử lý tiếng ồn sinh ra từ bên trong bánh xe, thì vè che hốc bánh xe (Wheel Arch Liner) lại đóng vai trò ngăn chặn toàn bộ các nguồn âm thanh dữ dội sinh ra từ bề mặt bên ngoài. Trong thiết kế ô tô truyền thống, vè lòng vè thường được đúc bằng nhựa nhiệt dẻo cứng (nhựa PP hoặc PE). Khi xe vận hành qua các đoạn đường xấu, rải đá dăm, sỏi vụn hay mặt đường ngập nước, các hạt vật chất này bị lực ly tâm của lốp văng thẳng vào tấm nhựa cứng với vận tốc rất lớn, tạo nên những chuỗi âm thanh lách tách, lộp độp đanh tai. Hơn nữa, bề mặt trơn nhẵn của nhựa cứng hoạt động như một tấm gương phản xạ âm thanh, hắt ngược sóng âm do lốp ma sát với mặt đường rỗ vào lại thân vỏ xe.

Để khắc phục nhược điểm này, công nghệ vè hốc bánh xe bằng sợi nỉ Polyethylene Terephthalate (PET) ép nhiệt không dệt đã được triển khai thay thế cho nhựa cứng. Cấu trúc vật liệu này bao gồm hàng triệu sợi sợi tổng hợp siêu mịn đan xen ngẫu nhiên tạo thành một mạng lưới mê cung dày đặc với vô số vi khoang khí. Khi sỏi đá và các tia nước bắn vào vè nỉ, bề mặt sợi mềm dẻo sẽ đóng vai trò như một lớp đệm giảm chấn hấp thu xung lực va chạm, triệt tiêu hoàn toàn tiếng lách tách kim loại hay tiếng va đập thô bạo. Đồng thời, đối với sóng âm truyền trong không khí từ tiếng lốp miết trên mặt đường bê tông hoặc nhựa rỗ (thường rơi vào dải tần số trung và cao từ $800\text{ Hz}$ đến trên $3.000\text{ Hz}$), mạng lưới sợi nỉ PET tạo ra hiện tượng tán xạ âm học đa hướng và hấp thụ âm thanh đa tầng. Sóng âm bị bẫy lại trong các kẽ sợi và tiêu hao năng lượng, ngăn chặn không cho tiếng rít lốp dội ngược vào khoang động cơ, vách ngăn cabin hay hệ thống cửa xe.

Một trong những thách thức tinh vi nhất của bài toán triệt tiêu tiếng ồn tiếp xúc là tiếng ồn truyền qua kết cấu (structure-borne noise). Ngay cả khi sóng âm trong không khí đã được cách ly bởi lốp và vè nỉ, xung lực cơ học từ mặt đường vẫn liên tục truyền qua bề mặt lốp, mâm xe (lazang) và tập trung tại cụm moay-ơ (wheel hub assembly). Cụm moay-ơ và các tay đòn treo bằng kim loại cứng sở hữu các tần số dao động tự nhiên (natural frequencies) đặc trưng. Khi tần số kích thích từ mặt đường trùng khớp với tần số dao động tự nhiên này, hiện tượng cộng hưởng cơ học xuất hiện, khuếch đại biên độ rung lắc và biến toàn bộ hệ thống treo thành một "máy phát thanh" truyền rung chấn qua các gối đỡ cao su vào khung xe nguyên khối (monocoque chassis).

Để dập tắt hiện tượng cộng hưởng cơ học này ngay từ điểm nút truyền lực, bộ giảm chấn khối lượng điều hướng (Tuned Mass Damper - TMD) được gắn trực tiếp hoặc tích hợp đồng trục tại cụm moay-ơ và khớp nối hệ thống treo. Cấu tạo cơ bản của thiết bị này gồm một khối lượng quán tính chuẩn xác (inertia mass) được liên kết thông qua một phần tử đàn hồi nhớt (thường là cao su silicone kỹ thuật cao hoặc lò xo giảm chấn tinh chỉnh). Nguyên lý hoạt động của TMD dựa trên sự lệch pha dao động: khi cụm moay-ơ bắt đầu dao động ở tần số cộng hưởng riêng, khối lượng quán tính của TMD sẽ dao động ngược pha $180^\circ$ so với chuyển động của moay-ơ. Lực phản hồi sinh ra từ khối lượng điều hướng sẽ triệt tiêu trực tiếp động năng dao động của cụm bánh xe trước khi nó kịp truyền vào thanh giằng và khung gầm. Nhờ can thiệp dập tắt cộng hưởng ngay tại "gốc rễ", hệ thống TMD loại bỏ tận gốc các vi rung động truyền qua sàn và vô-lăng, đem lại cảm giác êm ái, đầm chắc tuyệt đối và cách ly người ngồi trên xe khỏi mọi rung cảm thô ráp của mặt đường.

Ba công nghệ: Lớp bọt Polyurethane dán lòng lốp, Vè hốc bánh bằng sợi nỉ PET, và Giảm chấn khối lượng điều hướng TMD tạo thành một chiến lược kiểm soát tiếng ồn tiếp xúc đa chiều khép kín. Từ việc triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sóng âm trong khoang lốp, hấp thụ và tán xạ tạp âm va đập cơ học bên ngoài hốc bánh, cho đến dập tắt triệt để dao động cộng hưởng cơ học tại trục bánh xe, giải pháp đồng bộ này mang lại sự tĩnh lặng vượt trội và độ mượt mà cao cấp cho trải nghiệm vận hành của những dòng xe hiện đại hàng đầu.