Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. К вопросу об исследовании возникновения вибраций и шуіма в легковых автомобилях. цель и постановка задач исследований 10
1.1. Обзор работ по исследованию влияния вибраций автомобиля на шум. Акустическая характеристика автомобиля 10
1.2. Источники вибраций и шума автомобиля. Общая характеристика источников шума 16
1.3. Двигатель как источник структурного и воздушного шума 20
1.4. Источники структурного шума автомобиля 23
1.5. Источники воздушного шума автомобиля 26
1.6. Анализ достигнутых путей снижения уровня шума в салоне легкового автомобиля * 29
1.7. Анализ применения вибропоглощающих и звукоизолирующих покрытий для снижения внутреннего шума легкового автомобиля 32
1.8. Краткие выводы 35
1.9. Цель и постановка задач исследований 36
Глава 2. Аналитическое исследование вибронагруженности трансмиссии автомобиля 38
2.1. Расчетная схема силовой передачи автомобиля и математическая модель системы "силовой агрегат-карданная пареда-ча-задний мост-ведущие колеса" 38
2.2. Построение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) колебаний системы "силовой агрегат-карданная передача-задний мост-ведущие колеса" 48
2.3. Анализ результатов решения задач на ЭВМ 53
2.4. Краткие выводы 61
Глава 3. Экспериментальные исследования акустических характеристик и вибронагруженности агрегатов 68
3.1. Акустическая характеристика автомобиля 68
3.2. Цель и задачи исследований 70
3.3. Методика экспериментальных исследований, проводимых в дорожных и лабораторных условиях 72
3.3.1. Объем испытаний и методика работ 72
3.3.2. Объекты испытаний 82
3.3.3. Комплект аппаратуры, применяемой при проведении экспериментальных работ 85
3.4. Экспериментальные исследования рекомендаций по улучшению акустических характеристик автомобилей "Москвич-2140У
"Москвич-2141", "ВАЗ-2І06" 85
3.4.1. Виброакустические характеристики автомобилей,находив шихся на испытаниях 85
3.4.1.1. Виброакустические характеристики автомобиля М-2І4І.85
3.4.1.2. Виброакустические испытания силового агрегата автомобиля М-2І4І 96
3.4.1.3. Оценка звукопоглощающей облицовки капота автомобиля М-2І4І и звукоотражающего экрана под двигателем 101
3.4.1.4. Снижение уровней вибронагруженности деталей и узлов силового агрегата автомобилей "Москвич","ВАЗ".105
3.4.1.5. Конструктивные мероприятия,позволяющие снизить шум силового агрегата 107
3.5. Шум систем впуска и выпуска 113
3.5.1. Акустическая оценка систем впуска 113
3.5.2. Исследование внутреннего шума с опытным воздушным фильтром 132
3.5.3. Акустическая оценка эффективности различных систем выпуска 135
3.6. Шум и вибронагруженность трансмиссии 159
3.6.1. Влияние карданной передачи на вибронагруженность трансмиссии и шум автомобиля. Заполнение полости вала карданной передачи полиуретаном и его влияние на вибронагруженность 159
3.6.2. Оценка влияния передаточного числа главной передачи и материала ведамой шестерни редуктора заднего моста на вибронагруженность трансмиссии 166
3.6.3. Вибрации агрегатов трансмиссии и их влияние на внутренний шум автомобиля. (Методом корреляционного анализа) 189
3.6.4. Краткие выводы 195
Глава 4 Предпосылки к определению социально-экономической эффективности снижения шума автомобилей 197
Общие выводы и рекомендации 202
Литература 205
Приложения 218
- Источники вибраций и шума автомобиля. Общая характеристика источников шума
- Построение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) колебаний системы "силовой агрегат-карданная передача-задний мост-ведущие колеса"
- Методика экспериментальных исследований, проводимых в дорожных и лабораторных условиях
- Предпосылки к определению социально-экономической эффективности снижения шума автомобилей
Источники вибраций и шума автомобиля. Общая характеристика источников шума
Шум в конкретном источнике порождается определенными физическими явлениями, среди которых в автомобиле наиболее характерными являются: ударное взаимодействие 47, 56J; трение поверхностей [46, 56J ; вынужденные колебания твердых тел; вибрация деталей и узлов [ 543 » пульсация давления в пневматических и гидравлических системах [27] , (рис. I.2.I.).
Многолетними исследованиями установлено, что к основным источникам шумообразования в автомобиле следует отнести ДВС, элементы трансмиссии, шины, аэродинамический шум. Вторичным источником шума являются панели кузова. К второстепенным источникам относятся шумы навесных агрегатов двигателя, некоторых элементов трансмиссии, электродвигателей, отопителей, обдува стекол, хлопания дверей и т.п.
Перечисленные источники генерируют механические и акустические колебания разные по частоте и интенсивности. Характер спектра частот возмущений в автомобиле весьма сложен для анализа, ввиду наложения и взаимосвязанности по частотам рабочих процессов и возмущений от элементов трансмиссии, ходовой части, аэродинамических процессов и т.д., а также в виду того, что многие источники являются одновременно возбудителями механических и акустических колебаний. В спектрах вибрации основных агрегатов трансмиссии и шума в кузове автомобиля проявляются, главным образом, гармонические составляющие от основных источников возбуждения (двигателя и трансмиссии), представленные рядами: впуска и выпуска; вентилятора; шин; скрипа тормозов; хлопания дверей; аэродинамический; груза. Даются рекомендации по снижению каждого источника шума.
Следует обратить внимание на еще один мощный источник колебаний, обнаруженный в результате специальных исследований, проводимых в последние годы [82, Юб} - инфразвуковые колебания в легковых автомобилях. Максимальный уровень инфразвукового шума до 120 дБ наблюдается в диапазоне 2 16 Гц [42, 43, бб, 67, 81"}
В конце 60-х годов начали более глубоко заниматься вопросами исследования изгибных колебаний трансмиссии автомобилей. Так, например, при увеличении частоты вращения двигателя автомобиля "Москвич" появились разрушения картеров коробки передач. Исследования [бб} показали, что при этом начали появляться резонансные явления, вызванные дисбалансом вращающихся деталей с собственной частотой изгибных колебаний трансмиссии, определяемой жесткостью картеров силового агрегата [бі, 62, 9IJ.
Во многих работах отмечается необходимость борьбы с резонансными изгибными колебаниями в трансмиссии .[92, III, 118J
В работах [75, 79} предусматривается применение трехшарнирной карданной передачи с промежуточной опорой. Этим исключается удлинитель коробки передач, повышается изгибная жесткость силового агрегата и изменяется резонансная частота. В [75} делается вывод о необходимости подбора жесткости упругого элемента опоры для понижения резонансной частоты в зону малых амплитуд и редко эксплуатируемых частот вращения трансмиссии. Переход к трехшарнирной передаче с промежуточной опорой для легкового автомобиля резко снижает динамическую нагруженность деталей силового агрегата и трансмиссии в целом, позволяет уменьшить массу деталей и их вибронагруженность.
Исследования виброакустических процессов, происходящих в ДВС, проведены Луканиным В.А. JJ54] . В его работах приведены параметры шума и вибраций в современных автотракторных двигателях в зависимости от характеристик рабочего процесса, режимов работы, конструктивных технологических параметров двигателя, его агрегатов и деталей.
Вопросам исследования и снижения шума двигателей внутреннего сгорания посвящены работы [22, 54, 55,68, 76, 105, 124, 128] .
Шум выпуска является доминирующим в общем шуме ДВС, поэтому вопросам его исследования и снижения посвящено значительное количество работ. В работах [21, I3IJ показан характер акустических процессов в выпускных системах и разработаны теоретические основы глушения шума выпуска. Расчетам акустических характеристик глушителей шума посвящены работы [22, 72, 76, 87]. В работе [54] ДВС представлен как сложный источник звукового излучения.
Не останавливаясь подробно на описании всех источников, проанализируем лишь их взаимосвязи на примере рис. I.3.I. (двигатель типа "Москвич"). Разделим поток звуковой энергии на два: структурный шум и воздушный шум. Основанием к такому разделению может служить гипотеза о том, что поверхность блока излучает сложный спектр звуковой вибрации, представляющий собой сумму вибраций всех возможных источников с соответствующей их трансформацией в процессе прохождения по конструкции. Излучение звуковой энергии происходит со всех поверхностей, в том числе внутренних, поэтому иногда оно становится вторичным источником вибрации какого-либо элемента.
Построение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) колебаний системы "силовой агрегат-карданная передача-задний мост-ведущие колеса"
Вышеприведенные системы дифференциальных уравнений, состоящие как из обыкновенных дифференциальных уравнений так и уравнений в частных производных, будут решаться по методике, предложенной в работе Г93 1 ПРИ использовании которой нет надобности увеличивать порядок системы линейных алгебраических уравнений по мере увеличения частоты возмущающего воздействия. На рис. 2.2.1. представлен алгоритм решения вышеприведенных систем дифференциальных уравнений. В процессе решения можно выделить следующие этапы: - решение уравнения в частных производных обобщенным методом Бубнова-Галеркина; - подстановка решений в общем виде, включая и решение дифференциальных уравнений (решение уравнения в частных производных подставляется в условия сопряжения); - проведение преобразований, в результате которых мы приходим к системе линейных алгебраических уравнений; - решение системы линейных алгебраических уравнений; - построение амплитудно-частотных характеристик; Два последних этапа производятся на ЭВМ. При решении вышеприведенных систем дифференциальных уравнений решается дифференциальное уравнение в частных производных следующего вида: Решение этого уравнения приведено в работе 93 I.
Для решения системы линейных алгебраических уравнений и построения АЧХ составлены программы расчета на ЭВМ. Программы, написанные на алгоритмическом языке "Фортран ІУ", приведены в приложениях. Расчеты производились на ЭВМ ES - 1030. Упрощенная блок-схема программы для построения АЧХ системы "силовой агрегат-карданная передача-задний мост-ведущие колеса" представлена на рис. 2.2.2. Эта программа пригодна как для решения задачи в случае действия на двигатель неуравновешенных сил инерции четного порядка, так и в случае воздействия микропрофиля дороги. Для этого в программу вводится параметр КЬ » который выполняет роль "ключа" ориентирующего ее на решение конкретной задачи. Если Kb = I, то решается задача построения АЧХ при действии на двигатель неуравновешенных сил инерции четного порядка, еслиКЬ = 2, то решается аналогичная задача при воздействии на ведущие колеса микропрофиля дороги. Этот параметр встречается в логических условных операторах. Главными операторами цикла в программе являются два оператора Д02. Первый из них является циклом изменения частоты возмущающего воздействия, а второй является циклом изменения коэффициентов демпфирования карданной передачи; таким образом можно одновременно сравнивать два варианта силового привода, различающихся вибродемпфированием в карданной передаче. Для решения системы линейных алгебраических уравнений используется стандартная подпрограмма SltAQ- B.bl S} » где А - массив коэффициентов размер -ности ( М f\ ); В - массив правых частей; Расчет проводился для двух вариантов силового привода: с серийной карданной передачей и с карданной передачей, заполненной жестким полиуретаном.
Коэффициенты демпфирования для двух вариантов карданной передачи определялись экспериментально, а для изгибных и крутильных колебаний заднего моста брались по рекомендациям из литературных источников. Известно, что демпфирование в резиновых материалах, выполненных на основе бутилового каучука и получивших наиболее широкое применение в автомобилестроении, при частоте нагружения свыше 50 Гц резко уменьшается и приближается к конструкционному. Мы рассматриваем колебания в частотном диапазоне от 30 Гц до 4000 Гц, поэтому считаем, что рассеяние энергии в материале опор подвески двигателя пренебрежимо мало в области интересующих нас частот. Инерционные и жесткостные параметры элементов расчетных схем в основном определялись экспериментальным путем и частично расчетным. 15, 34, 83, 134. На рис. 2.3.1. - 2.3.6. представлены амплитудно-частотные характеристики элементов системы "силовой агрегат-карданная передача-задний мост-ведущие колеса" при воздействии на силовой агрегат неуравновешенных сил инерции четного порядка. На рис. 2.3.7. -2.3.II. представлены аналогичные графики, но при воздействии на ведущие колеса микропрофиля дороги. На графиках сравниваются три различные математические модели системы "силовой агрегат-карданная передача-задний мост-ведущие колеса", причем, для каждой модели рассмотрены два варианта карданной передачи: серийная карданная передача и карданная передача с карданным валом, заполненным жестким полиуретаном.
Методика экспериментальных исследований, проводимых в дорожных и лабораторных условиях
Проводимые работы охватывали исследования внешнего и внутреннего шума автомобиля, при влиянии на них шума различных источников. Исследования были начаты с оценок наиболее мощного источника звукового излучения - двигателя, а далее распространились на менее мощные - впуск и выпуск, трансмиссию. В настоящее время существуют рекомендации по ограничению внутреннего шума автомобиля при движении на Ш и ІУ передачах,предлагаемые международным европейским акустическим центром "Уникел-лер" и выработанные на основании большого практического опыта работы и статистики по большому количеству моделей легковых автомобилей класса до 1,5л и свыше 1,5 л. Эти рекомендации являются единственным известным документом, лимитирующим внутренний шум автомобиля на Ш и ІУ передачах. В понятие акустической комфортабельности автомобиля,регламентированной фирмой "Уникеллер" I 95 J входят: - Разгонные акустические характеристики, т.е. зависимость уровней звука в дБ А и дБ В от частоты вращения коленчатого вала двигателя при плавном разгоне автомобиля на Ш передаче в диапазоне 2000 -6000 мин"1. - Разгонная акустическая характеристика ( дБ (А)) при плавном разгоне автомобиля на ІУ передаче в диапазоне скоростей движения 70 - 140 км/ч. - Разгонная акустическая характеристика по уровню моторных гармоник (основной и второй) при плавном разгоне автомобиля на Ш передаче в диапазоне 2000 - 6000 мин" двигателя. - Предельные І/З октавные спектры внутреннего шума для любой точки кузова при плавном разгоне автомобиля на Ш передаче и мгновенной частоте вращения двигателя 3000, 4000 и 5000 мин и на ІУ передаче при "l/a= 120 км/ч. - Индексы артикуляции в зависимости от скорости движения автомобиля (70-130 км/ч) на ІУ передаче или от частоты вращения двигателя (2500-5500 мин ) на Ш передаче. - Индекс артикуляции выражается в процентах; он подсчитывает-ся как сумма индексов артикуляции в І/З октавных полосах в диапазоне частот 200-6300 Гц по результатам пересчета уровней звукового давления (по специальной таблице). Результаты испытаний автомобиля по определению параметров акустической комфортабельности приведены на рис. 3.3.1. -3.3.6. Видно, что практически по всем параметрам, за исключением индекса артикуляции при П 3500 мин" при движении на Ш передаче и \Г а= 70-80 км/ч при движении на ІУ передаче параметры шума автомобиля удовлетворяют требованиям рекомендации фирмы "Уникеллер". С учетом данных рекомендаций и согласно принятым в СССР требованиям по замерам шума транспорта оценка внешнего шума автомобиля проводилась по методике Г0СТ-І9358-74 . Оценка внутреннего шума автомобиля проводилась по методике ГОСТ 19358-74 . Скоростными режимами для проведения данных работ индексом артикуляции называется параметр, предложенный Л.Беране-ком и характеризующий способность восприятия собеседником отчетливости разговора нормальным голосом на расстоянии I м; он характеризует в определенной мере степень маскировки полезного сигнала шумовым фоном. Для определения влияния опытных выпускных систем на формирование ближнего звукового поля были сняты круговые диаграммы направленности стоящего на месте автомобиля (M-2I40) при скорости вращения двигателя П дв = 4350 мин .
Дополнительные замеры при измерении параметров шума вокруг автомобиля при работе двигателя на холостом ходу при П иг = 0,75 Ним С целью исследования влияния экспериментальной выпускной системы на внутренний шум автомобиля M-2I40 на скростной дороге автополигона НАМИ были проведены ходовые испытания автомо биля M-2I40, ,, оснащенного экспериментальной выпускной системой и в серийном варианте. При снятии акустической характеристики исследуемого автомобиля уровни звукового давления записывались одновременно в трех точках: - в точке I (на месте водителя, на расстоянии 100 мм от правого уха водителя на уровне головы); - в точке 2 ( на месте правого заднего пассажира на расстоянии 100 мм от правого уха пассажира на уровне головы); - в точке 3 (в подкапотном пространстве в ближнем поле у среза воздушного фильтра). Запись уровней звукового давления производилась для шести скоростных режимов движения автомобиля, при установившейся скорости: 40, 60, 80, 100, 120, 140 км/ч на прямолинейном ровном участке дороги. С целью выявления эффективности глушения внутреннего шума опытной выпускной системы при различной ее комплектации был проведен ряд экспериментов по определению внутреннего шума в точке 2, при разгоне автомобиля на беговых барабанах с изменением скорости вращения двигателя от 1500 до 5000 мин""1.
Предпосылки к определению социально-экономической эффективности снижения шума автомобилей
Вопрос оздоровления условий труда приобретает значение экономической категории как средство формирования, сохранения и совершенствования одного из элементов повышения производительности труда. Снижение внешнего шума является также одним из основных мероприятий по охране окружающей среды [іЗі] Получение экономического эффекта является не целью оздоровительных мероприятий, а лишь одним из аспектов их оценки. Трудность подсчета экономического эффекта заключается в том, что воздействие улучшенных условий труда на трудовые и физиологические показатели не всегда проявляются непосредственно и немедленно, а лишь через более или менее продолжительные периоды времени. Влияние мероприятий по снижению вибраций и шума автомобилей на физиологические и экономические показатели и их взаимосвязь отражены в таблице 4.1. [94]. Стоимости),как таковой, трудно оценить то или иное проявление социального эффекта, которым в первую очередь определяется снижение шума.
Социальные блага в отличие от материальных не имеют стоимости, они бесценны, хотя для их достижения и затрачивается труд. В общем виде экономический эффект от предотвращения отрицательных социальных результатов (одним из которых является внешний и внутренний шум автомобиля [107, 119, I30] ) выражается в следующем виде: Эд - экономия расходов на здравоохранение вследствие сокращения заболеваемости и травматизма; Эе - экономия средств на подготовку кадров вследствие сокращения выбытия водителей по инвалидности и необходимость их преждевременной замены. Эффект от роста производительности труда Оа) реализуется непосредственно автотранспортными предприятиями, принимающими автомобили с улучшенными шумовыми показателями, и выявляется в прямом экономическом эффекте путем сопоставления приведенных затрат по новой технике, имеющей улучшенные показатели шума, с приведенными затратами по заменяемой технике, не имеющей; таких показателей. Такое "растворение" данной группы эффекта от снижения шума автомобиля в общем прямом экономическом эффекте от новой техники, способствующие снижению шума, вообще никакого эффекта не дают. Такое "растворение" эффекта от снижения шума в общем эффекте от новой техники затрудняет рост самого экономического эффекта от снижения шума. Подсчитать экономический эффект от предотвращения потерь на автотранспортных предприятиях в результате профзаболеваний, а также экономический эффект в сфере социального страхования и здравоохранения, пока не представляется возможным из-за отсутствия статистических данных по профзаболеваниям водителей, вызванным повышенным шумом автомобилей. Что касается внешнего шума автомобиля, то он непосредственно влияет на окружающую среду. Уровень внешнего шума автомобилей определяет шумовой фон городов и населенных пунктов. Население, работающее или живущее в районах с повышенным уровнем шума, более подвержено различным заболеваниям, что в свою очередь сказывается на его трудоспособности и на производительности труда.
Экономические результаты от сокращения заболеваемости населения вследствие предотвращения или уменьшения уровня шума окружающей среды определяется как сумма[94] . а) Эффекта от предотвращения потерь чистой продукции за время болезни трудящихся, занятых в сфере материального производства: где: П - средняя величина чистой продукции, приходящейся на один отработанный человекодень; Б - количество трудящихся, перенесших заболевание, дибо отвлеченных от производства по уходу по причинам, вызванным высоким шумовым фоном окружающей среды, в течение года; Рр и Рх - среднегодовое количество человекодней работы одного трудящегося до и после мероприятий, снижающих внешний шум автомобиля, й) Эффекта от сокращения суммы выплат населению из фонда социального страхования за период временной нетрудоспособности: где: Б„ - количество населения, получающего пособие вследствие н заболеваний; Вм - средний размер пособий; в) Экономический эффект от сокрщения затрат в сфере здравоохранения: сРеДние затраты в здравоохранении на один день болезни соответственно в амбулаторных и в стационарных условиях; Б„ и Бл - количество больных, лечившихся от заболеваний: а. С Д и Д - среднее количество дней болезни одного больного. Так как статистический материал по заболеваниям населения, вызванным шумом окружающей среды отсутствует, подсчитать экономи ческий эффект от мероприятий, направленных на снижение внешнего шума автомобилей, пока не представляется возможным. 1. Установлено, что применение новых композиционных материалов и материалов типа MP дает возможность значительного снижения уровней вибраций и шума. 2. Составленная математическая модель "силовой агрегат-карданная передача-задний мост-ведущие колеса" с учетом упругой связи между картером сцепления и корпусом коробки передач позволяет оп -ределить наличие резонансных зон в высокочастотной области, наличие которой подтверждается экспериментальными исследованиями. 3. Увеличение демпфирующей способности карданной передачи за счет заполнения полости трубы полиуретаном позволяет снизить амплитуды высокочастотных изгибных колебаний, соответствующих 2-й, 3-й, 4-й, 5-й собственным частотам изгибных колебаний карданной передачи. 4. Проведен комплекс мероприятий по снижению шума впуска и выпуска ДВС, за счет применения стеклопластиковых материалов (на впуске) и материала MP (на выпуске). Вышеперечисленные мероприятия позволяют снизить уровни внешнего и внутреннего шума автомобилей на 1,5 - 2 дБ(А). 5. С целью снижения структурного шума двигателя за счет применения композиционных материалов (клапанная крышка, крышка меха -низма газораспределения, поддон двигателя), развитый брызговик моторного отсека (частичное капсулирование), удалось снизить уровни виброускорений в 1,3-2,6 раза, а уровни внешнего шума на 1,5-2,0 дБ(А). 6. Применение нового материала для шестерен главной передачи (высокопрочный чугун) снижает уровни вибронагруженности корпуса ведущего моста на 5-Ю о , что является важным мероприятием для повышения долговечности работы зубчатых колес и снижения уровней внутреннего шума.
