Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1 Влияние автотранспортных средств на акустическое загрязнение окружающей среды 12
1.2 Классификация источников шума автотранспортных средств по значимости 14
1.3 Современные нормативно-правовые акты, регламентирующие акустическое излучение автотранспортных средств 16
1.4 Современные методы снижения уровня шума автотранспортных средств 18
1.5 Тенденции развития систем обработки отработавших газов автотранспортных средств 22
Выводы по главе, цели и задачи 29
Глава 2. Совершенствование методов исследования элементов систем обработки отработавших газов по виброакустическим параметрам, необходимым для проектирования системы в целом 31
2.1 Усовершенствованный метод исследования элементов систем обработки отработавших газов 31
2.2 Экспериментальное исследование акустических характеристик элементов систем обработки отработавших газов. Идентификация расчетной математической модели 34
2.3 Расчетно-экспериментальное определение акустических параметров каталитических блоков систем обработки отработавших газов 48
2.4 Определение параметров акустической нагрузки стенда 52
2.5 Экспериментальная идентификация методики. Определение акустических параметров каталитического блока по результатам стендовых испытаний 59
Выводы по главе 71
Глава 3. Совершенствование методов проектирования систем обработки отработавших газов на основе результатов расчетно-экспериментальных исследований 72
3.1 Требования по шуму к системам выпуска. Оценка акустической эффективности работы систем обработки отработавших газов 72
3.2 Разработка конечно-элементных моделей и компьютерное моделирование конструкций систем обработки отработавших газов 75
3.3 Граничные условия при анализе конструкций систем обработки отработавших газов, анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований 77
3.4 Экспериментальные исследования по внешнему шуму разработанной конструкции системы обработки отработавших газов 83
Выводы по главе 87
Глава 4. Разработка метода поиска конструктивных решений по снижению структурного шума при проектировании систем обработки отработавших газов на основе расчетно-экспериментального исследования собственных и вынужденных частот и форм колебаний отдельных наружных поверхностей на примере глушителя нейтрализатора 88
4.1 Определение собственных и вынужденных частот и форм колебаний отдельных поверхностей глушителя-нейтрализатора 88
4.2 Экспериментальное определение граничных условий глушителя-нейтрализатора 90
4.3 Определение собственных частот и форм колебаний наружных поверхностей глушителя-нейтрализатора 95
4.4 Конструктивные решения по снижению звукового излучения от наружных поверхностей глушителя-нейтрализатора 99
Выводы по главе 107
Основные результаты и выводы 108
Список литературы 110
Приложение 1. Расчетная программа обработки экспериментальных данных 120
Приложение 2. Расчетная программа нахождения коэффициентов матрицы передачи 125
Приложение 3. Расчетная программа нахождения акустических параметров 128
Приложение 4. Лицензии на программные продукты и договор сотрудничества с лицензияобладателем 130
Приложение 5. Результаты расчетов 3-х конструкций глушителя нейтрализатора 138
Приложение 6. Формы собственных колебаний наружных поверхностей глушителя-нейтрализатора с 4-мя камерами 154
- Тенденции развития систем обработки отработавших газов автотранспортных средств
- Экспериментальная идентификация методики. Определение акустических параметров каталитического блока по результатам стендовых испытаний
- Граничные условия при анализе конструкций систем обработки отработавших газов, анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований
- Конструктивные решения по снижению звукового излучения от наружных поверхностей глушителя-нейтрализатора
Введение к работе
Актуальность исследований. В большинстве крупных городов, таких как Нью-Йорк, Токио, Берлин, Париж, Москва и Санкт-Петербург с каждым годом наблюдается увеличение парка автомобилей, что приводит к увеличению уровня шума, в результате чего происходит акустическое загрязнение среды обитания человека, и как следствие ухудшение здоровья и снижение производительности труда. Например, в крупных городах России уровень шума городского транспорта составляет около 86 дБА, при санитарной норме 75 дБА.
Автотранспортные средства (АТС) вследствие излучения ими при работе шума нарушают экологическое равновесие окружающей среды. Данное обстоятельство заставило мировое сообщество принять законодательные нормы на ограничение уровней шума автотранспортных средств - правила ЕЭК ООН №51 (серия 02). В России в настоящее время действует ГОСТ Р 41.51-2004 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения автотранспортных средств, имеющих не менее четырёх колёс, в связи с производимым ими шумом» и ГОСТ Р 53838-2010 «Двигатели автомобильные. Допустимые уровни шума и методы измерения». Законодательное нормирование шума современных автотранспортных средств заставляет совершенствовать и разрабатывать более эффективные методы снижения шума и проектирования малошумных конструкций двигателя внутреннего сгорания (ДВС), агрегатов автомобиля и систем обработки отработавших газов (СООГ).
Степень разработанности темы исследования. В России исследованию шума автотранспортных средств и ДВС посвящены работы И.В. Алексеева, Л.А. Борисова, Н.Ф. Бочарова, А.В. Васильева, В.В. Галевко, Ю.В. Галевко, В.А. Гергерта, М.Н. Дробаха, П.В. Енина, А.Г. Зубакина, Н.И. Иванова, А.И. Комкина, Г.В. Латышева, В.Н. Луканина, Н.А. Никифорова, Н.И. Назарова, Б.И. Осипова, Р.Н. Старобинского, В.А. Стерементарева, В.Е. Тольского, М.И. Фесины, М.Г. Шатрова. Большой объем исследований был выполнен за рубежом (Anderton D., Dixon J., Chan C.M., Andrews S., Davies P.O., Harrison M.F., Desmons L., Kergomard J., Griffiths W.J., Grover E., Hempel W., Priede T., Thien G., Song B.H., Steidle R. Muehleisen R.T., Peat K.S. и др.). Анализ результатов научных исследований показал, что при проектировании и исследовании системы обработки отработавших газов целесообразно использовать активные методы снижения шума, позволяющие расчетно-экспериментальным способом получить конструктивные решения, направленные на снижение структурного шума и от среза концевой трубы, при обеспечении требований по токсичности и противодавлению.
Целью диссертационной работы является разработка расчетно-
экспериментальных методов исследования и определения виброакустических характеристик отдельных элементов СООГ, необходимых для проектирования системы в целом, а также разработка метода поиска конструктивных решений по снижению акустического излучения от наружных поверхностей СООГ на примере глушителя-нейтрализатора.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
основные задачи исследования:
разработать методику моделирования СООГ на основе полученных расчетно-экспериментальным способом акустических характеристик элементов системы выпуска автотранспортного средства;
разработать методики и стенды для проведения расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик элементов СООГ: каталитические блоки, резонаторные и объемные камеры;
разработать вариант конструкции глушителя-нейтрализатора на основе разработанной методики и оценить в составе автотранспортного средства разработанную конструкцию СООГ в сравнении с серийным глушителем в соответствии с ГОСТ 41.51-2004;
- определить граничные условия и выполнить расчеты вынужденных частот и
форм колебаний глушителя-нейтрализатора с целью разработки конструктивных ре
шений по снижению звукового излучения от наружных поверхностей.
Научная новизна:
разработана и реализована методика моделирования СООГ автотранспортных средств на основании акустических характеристик элементов СООГ, полученных рас-четно-экспериментальными способами;
разработаны расчетно-экспериментальные методики и стенды для определения акустических характеристик элементов СООГ АТС, необходимых для моделирования системы в целом;
расчетно-экспериментальным способом разработана, изготовлена и испытана конструкция глушителя-нейтрализатора, позволяющая снизить акустическое излучение АТС;
эффективность разработанной методики проектирования СООГ подтверждена по результатам сравнительных испытаний в соответствии с ГОСТ 41.51-2004;
- с целью уменьшения шума от наружной поверхности глушителя-нейтрализатора
АТС рассчитаны с учетом граничных условий частоты и формы колебаний отдельных
наружных поверхностей при введении различных конструктивных изменений и вы
браны наиболее эффективные решения по критерию - уменьшение среднего значения
квадрата виброскорости по отдельной поверхности конструкции.
Практическая ценность:
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научно-исследовательских, научно-образовательных учреждениях и производственных предприятиях, специализирующихся на разработке и производстве систем обработки отработавших газов для автотранспортных средств (АТС), с целью достижения перспективных экологических норм по шуму. Методика исследования частот и форм колебаний отдельных поверхностей при введении различных конструктивных изменений с целью снижения шума может быть использована при разработке мероприятий по сни-
жению шума, например, от ненагруженных деталей ДВС (клапанные крышки, поддон, крышка ГРМ, картер сцепления и др.), от отдельных кузовных поверхностей, от наружных поверхностей коробок передач, редукторов и других агрегатов транспортных средств.
Объекты исследования:
Системы обработки отработавших газов грузового автомобиля. Элементы СООГ. Опытные образцы СООГ.
Предметом исследования являлись - усовершенствованный метод проектирования СООГ на основе полученных расчетно-экспериментальным способом акустических характеристик элементов системы, методики и экспериментальное оборудование для определения и исследования акустических характеристик элементов СООГ, методика определения конструктивных решений по снижению шума от наружных поверхностей СООГ и ее реализация для глушителя-нейтрализатора.
На защиту выносятся:
результаты анализа исследований основных источников шума современных автомобилей, анализ нормативно-правовых актов, регламентирующих акустическое излучение АТС;
методика конечно-элементного моделирования СООГ АТС на основе полученных расчетно-экспериментальным способом акустических характеристик элементов СООГ;
разработанный стенд и методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований акустических характеристик элементов СООГ: каталитические блоки, резонаторные и объемные камеры;
результаты расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик элементов СООГ: каталитические блоки, резонаторные и объемные камеры;
разработанный вариант конструкции глушителя-нейтрализатора для грузового автомобиля, удовлетворяющий современным требованиям с учетом габаритно-компоновочных ограничений, на основании результатов расчетно-экспериментальных исследований элементов СООГ, полученных в диссертационной работе;
результаты экспериментальных исследований акустических характеристик разработанной конструкции глушителя-нейтрализатора;
методика и результаты определения частот и форм колебаний элементов и СООГ в целом, с учетом граничных условий, для разработки конструктивных решений по снижению звукового излучения от наружной поверхности глушителя-нейтрализатора;
конструктивные решения по снижению звукового излучения от поверхности глушителя-нейтрализатора силовой установки АТС.
Достоверность результатов исследований основывается на использовании современной измерительной аппаратуры, имеющей международный сертификат соответствия. Достоверность результатов, полученных по разработанной методике оцени-
валась путем сравнения результатов расчетных исследований с результатами экспериментальных исследований.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно проведены библиографические, расчетные и расчетно-экспериментальные исследования элементов СООГ и системы в целом, экспериментальные исследования по внешнему шуму и определению граничных условий для расчетно-экспериментального определения конструктивных решений по снижению звукового излучения от наружных поверхностей. Разработаны специальные установки для определения акустических характеристик элементов СООГ и расчетные программы: для обработки экспериментальных данных, нахождения коэффициентов матрицы передач и нахождения акустических параметров.
Апробация работы. Основные положения диссертации представлены, обсуждены и одобрены на пятом международном экологическом конгрессе (седьмая международная научно-техническая конференция) "ELPIT-2015”, Международной Инновационно-ориентированной Конференции Молодых Учёных и Студентов "МИКМУС-2014", 72-75 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, II международной научно-технической конференции «Динамика и виброакустика машин 2014» СГАУ (г. Самара, 15-17 сентября 2014г.), на II Международной заочной научно-практической конференции "Современные проблемы теории машин", СибГИУ (3-4 июня 2014 г.). Материалы диссертации включены в научный отчет о научно-исследовательской работе «Расчетно-экспериментальные исследования элементов систем обработки отработавших газов (СООГ), удовлетворяющих современным требованиям по шумоглушению и противодавлению», выполненной в рамках программы стратегического развития МАДИ в 2014 году.
Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 8 статей, 5 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи в сборниках международных научных конференций.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений; содержит 120 страницы без приложений, 97 рисунков, 5 таблиц и библиографического списка из 92 наименований.
Тенденции развития систем обработки отработавших газов автотранспортных средств
В связи с ужесточением экологических стандартов в США, Японии, Европе и в России разрабатываются новые системы обработки отработавших газов. Начиная с 1992 года для перехода в более высокий экологический класс (до евро-3 включительно) достаточно было незначительных изменений в настройках ДВС. Для перехода в более высокий экологический класс потребовались конструктивные решения, позволяющие дополнительно производить обработку отработавших газов в СООГ. В таблице 1.4 приведены различные экологические стандарты.
Как мы уже знаем, около 60% вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу приходиться на автомобильный транспорт. Изначально для перехода на другой экологический класс достаточно было усовершенствовать систему управления двигателем, топливную систему и т.д., для удовлетворения этих норм. Но с внедрением Евро-3 стало очевидным, что снижение содержания NOx и других токсичных веществ в отработавших газах без применения дополнительных устройств невозможно. Поэтому, начиная с 2000 годов на автомобилях, начали широко применять систему рециркуляции отработавших газов (EGR). Система рециркуляции выполняет функцию снижения оксидов азота NO и NO2 в режиме частичных нагрузок.
Часть отработавших газов (ОГ) из выпускного коллектора попадает во впускной посредством клапана EGR. Это снижает максимальную температуру горения и уменьшает выброс наиболее токсичных веществ - оксидов азота, которые образуются при высоких температурах. При работе системы рециркуляции отработавших газов происходит снижения мощности ДВС. На рисунке 1.5 показана система рециркуляции отработавших газов с электронным управлением.
Система состоит из коллекторов системы впуска и выпуска АТС и соединяющего клапана EGR, который управляется сигналом, генерируемым электронным блоком управления (ЭБУ) двигателя с учетом разряжения во впускном коллекторе и содержания кислорода в выпускном тракте. Нужно подчеркнуть, что в системах с EGR возникают дополнительные шумы (как структурные, так и воздушные), вследствие частичного соединения с впускным коллектором.
Начало 2005 года ознаменовалось внедрением Евро-4 и системы обработки отработавших газов претерпели множество конструктивных изменений, в том числе был внедрен каталитический нейтрализатор, датчики кислорода и др.
При создании систем обработки отработавших газов стало необходимым, кроме выполнения жестких норм по токсичности, обеспечить требования по шумоглушению. Конструкция каталитического блока представлена на рисунке 1.6.
С 2008 года – Евро 5 заставило разработчиков дизельных систем питания задуматься о реконструкции системы обработки отработавших газов. В результате в ней появился дополнительный сажевый фильтр. Конструкция сажевого фильтра представлена на рисунке 1.7. Сажевые фильтры при засорении меняются через каждые 100 тысяч километров, либо чистятся путем сжигания в них сажи. «Сжигание» сажи происходит после активации специального режима ЭБУ ДВС после получения от датчиков давления в системе обработки отработавших газов информации о заполнении фильтра. В режиме «сжигания» сажи, в цилиндры подается большее количество топлива, а подача свежего воздуха снижается. Горение происходит в СООГ, что увеличивает температуру в системе, чем и обеспечивается выгорание сажи.
Керамический или металлокерамический рабочий элемент фильтра чаще всего имеет особую конструкцию, которая обеспечивает равномерное накапливание сажи на всех поверхностях, сохраняя пропускную способность фильтра почти неизменной.
Со следующего года будет введен экологический стандарт Евро-6. В связи с этим большинство западных автопроизводителей внедряют технологию Selective Catalytic Reduction (SCR) + сажевый фильтр, потому что данная технология позволяет в два раза уменьшить количество твердых частиц и почти втрое снизит содержание NOx относительно предыдущего экологического класса. Система обработки отработавших газов с SCR, была создана специалистами DaimlerChrysler и основана на применении реагента AdBlue. (принципиальная схема показана на рисунке 1.8).
Принцип действия системы обработки отработавших газов с SCR заключается в химической реакции аммиака с окисью азота, в результате образуются безвредный азот и вода [55]. Компания Total разработала аммиак на водной основе, который соответствует стандартом DIN 70070, он не токсичен, без запаха и цвета. Для автомобильной промышленности создали аммиак под названием AdBlue.
Предварительный расход данной жидкости составляет 6% от потребляемого дизельного топлива. Например, для внедорожника он составляет около 1 л на 100 км. В Европе создали множество сетей автозаправочных станций, на которых можно будет заправляться топливом AdBlue [51, 60].
Таким образом, СООГ за последние годы претерпела множество конструктивных, технологических и функциональных изменений и стала одним из основных элементов АТС. Усложнение конструкции системы обработки отработавших газов связано с удовлетворением норм по шуму и токсичности и требует разработки новых методов их проектирования и исследования.
Экспериментальная идентификация методики. Определение акустических параметров каталитического блока по результатам стендовых испытаний
С целью проверки полученных расчетных параметров по методике определения акустических характеристик каталитических блоков, были проведены стендовые акустические испытания.
Для проведения эксперимента был выбран каталитический блок, который будет использоваться для СООГ грузового АТС. Изготовленный в стендовом варианте исполнения каталитический блок был испытан на акустическом стенде по разработанной методике. Установка блока на стенде приведена на рисунке 2.23.
По измерениям в 4 положениях измерительных микрофонов (2 - на входе, 2 -на выходе блока) для каждого частотного диапазона при двух акустических нагрузках определялись параметры потери передачи TL и коэффициенты матрицы передачи.
На рисунке 2.34 приведены рассчитанные по результатам измерений потери передачи TL для каталитического блока. На графике наложены результаты измерений при 3 комбинациях положения измерительных микрофонов:
- 30 мм, на графиках представлены синим цветом;
- 70 мм, на графиках представлены красным цветом;
- 100 мм, на графиках представлены желтым цветом.
Далее для всех приведенных результатов испытаний принято аналогичное обозначение: синий цвет - высокочастотный диапазон, красный цвет -среднечастотный и желтый цвет - низкочастотный диапазон.
На всех графиках видны всплески (отклонения от тренда) при положении микрофонов в 70 и 100 мм, что обусловлено разностью фаз близкой к нулю на соответствующей частоте, определяющей половину длины волны, равной этому расстоянию:
- для 100 мм длина волны 200 мм, частота (скорость звука 345 м/сек деленная на длину волны) равна 1725 Гц;
- для 70 мм длина волны 140 мм, частота равна 2465 Гц;
- для 30 мм указанная частота составляет 5750 Гц и находится за диапазоном измерений.
По измеренным параметрам потери передачи TL определяются частотные диапазоны из каждого измерения при 3 положениях микрофонов, обеспечивающие минимальную ошибку во всем диапазоне частот. По этим диапазонам из трех
Этот частотный диапазон, применяется для компоновки графиков частотных характеристик коэффициентов матриц передач Т11, Т12, Т21 и Т22 также по результатам замеров по трем позициям микрофонов, из которых формируются частотные спектры действительной и мнимой части коэффициентов матрицы передачи.
Результаты расчетов коэффициентов Т11 по трем замерам с соответствующим представлением результатов на одном графике, а также скомпонованные результаты во всем частотном диапазоне для каталитического блока приведены на рисунках 2.36 и 2.37.
На приведенных спектрах коэффициентов матриц передач в комплексном виде (Рисунок 2.37) представлена действительная часть, обозначенная синим цветом, и мнимая часть, обозначенная розовым цветом.
Результаты расчетов коэффициентов матриц передач Т12, Т21 и Т22 по результатам обработки экспериментальных данных по 3-м частотным диапазонам обработанные с приведением к общему частотному диапазону, приведены на рисунках 2.38-2.40.
Для расчета матрицы передач каталитического блока, в соответствие с разработанной методикой, необходимо определить коэффициенты матриц передачи входного и выходного конусов для упакованного образца блока, изготовленных для проведения испытаний (Рисунок 2.41).
Расчет коэффициентов для конусов проводился методом конечно-элементного моделирования. Расчетным путем моделировался эксперимент, аналогичный проведенным при акустических испытаниях самих упакованных блоков, но выходной патрубок входного конуса и входной патрубок выходного конуса принимался равным диаметру каталитического блока (Рисунок 2.42). На входе задавалось поршневое возбуждение (Рисунок 2.43), а на выходе задавались две различные акустические нагрузки для двух различных расчетов для каждого конуса (Рисунок 2.44). По результатам расчетов по аналогичной вышеприведенной методике находились коэффициенты матриц передач. Отличие состоит в том, что результаты расчетов не требуют дальнейшей сложной обработки, как в случае с экспериментальными сигналами [54, 84].
Таким образом, из эксперимента определены матрицы передачи [ ТТ ] упакованных блоков, конечно-элементными расчетами определены матрицы передачи [ Tin ] и [ Tout ], и из решения матричного уравнения [ ТТ ] = [ Tin ] [ T ] [ Tout ] можно определить матрицы передачи [ T ] самих каталитических блоков. Рассчитанные коэффициенты матриц передач каталитических блоков приведены в на рисунке 2.45.
Граничные условия при анализе конструкций систем обработки отработавших газов, анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований
Для расчета в программном комплексе Sysnoise задаем граничные условия: на входе – поршневое возбуждение, на выходе – согласованная нагрузка. На приведенном рисунке 3а отмечены красным и зеленым цветам, а на рисунках 3.3б и 3.3в отмечены соответственно красным и синим цветом.
Отметим, что параметры плотности и скорости распространения звука в каталитическом блоке были определены расчетно-экспериментальным способом по разработанной методике (глава 2) и использованы для проектирования и расчета 3-х конструкции СООГ (Рисунок 3.4а, 3.4б).
Распределение звукового давления по объему глушителя-нейтрализатора первой конструкции на частоте 250 Гц приведено на рисунке 3.5, второй конструкции на частоте 1500 Гц - на рисунке 3.6 и третей конструкции на частоте 2500 Гц - на рисунке 3.7. Распределение звукового давления по объему глушителя-нейтрализатора для трех конструкций на других частотах приведено в приложении 5.
На рисунке 3.5 представлены распределения звукового давления по объему СООГ первой конструкции на частоте 250 Гц. Как видно, стоячие волны образуются по всей длине СООГ, а длина этих волны равняется:
Переменное избыточное давление, возникающее во входной трубе, продолжается до 2/3 ее длины. Изменения значение звукового давления от входного патрубка до входного конуса также ощутимы и продолжают уменьшаться до половины длины конуса, что свидетельствует об уменьшении пучностей и увеличения интенсивности распространения волны по длине конуса, которое продолжается до 1/3 длины каталитического блока.
Так как каталитический блок состоит из большого количества сот-ячеек то, распространяющиеся звуковые волны частично поглощаются на средних и высоких частотах, тем самым каталитический блок выступает как диссипативный элемент с низким коэффициентом поглощения. Далее происходит увеличение звукового давления до 2/3 длины каталитического блока. Возрастание звукового давления продолжается и по длине соединительной трубы, между выпускным конусом и 2-ой объемной камерой. От второй половины трубы до второй объемной камеры (включая первую объемную камеру) наблюдается резкое уменьшение звукового давления. По конструкции СООГ второй объем соединен с выпускной трубой.
Следует подчеркнуть, для выбора наименьшего значения звукового давления на выходе из СООГ, необходимо конструировать выпускную трубу в зоне наименьшего значения звукового давления во 2-ой объемной камере.
На рисунке 3.6 представлены распределения звукового давления по объему СООГ второй конструкции на частоте 1500 Гц. Как видно, стоячие волны образуются по всей длине входного патрубка конструкции СООГ, а длина этих волны равняется:
Переменное избыточное давление возникающее во входной трубе продолжается до ее соединения с входным конусом. Уменьшение значения звукового давления начинается с начала длины входного конуса до выпускной трубы, что свидетельствует об уменьшении пучностей и увеличении интенсивности распространения волны по длине выпускной трубы. Следует подчеркнуть, что для выбора наименьшего значения звукового давления на выходе из СООГ, необходимо конструировать выпускную трубу в зоне наименьшего значения звукового давления в 3-ей объемной камеры.
Изменения значение звукового давления от входного конуса до выходного конуса также ощутимы и продолжают уменьшаться (Рисунок 3.7) что свидетельствует об уменьшении пучностей и увеличения интенсивности распространения волны.
Следует также подчеркнуть, что для выбора наименьшего значения звукового давления на выходе из СООГ, необходимо конструировать выпускную трубу в зоне наименьшего значения звукового давления в 3 или 4-ой объемных камер.
Из всех приведенных картин распределения звукового давления в объемах конструкций СООГ видно, что на каждой частоте образуется характерное распределение максимумов и минимумов, образованное стоячей волной, как во входном трубопроводе, так и в самом объеме каждой конструкции СООГ.
На рисунке 3.8 представлен спектр потери передачи TL (дБ) в зависимости от частоты. Три конструкции СООГ представлены на графике в следующим порядке: Ver_1– первая конструкция (Рисунок 3.1а); Ver_2– вторая конструкция (Рисунок 3.1б); Ver_3– третья конструкция (Рисунок 3.1в)
Как можно видеть из приведенных результатов, в средне- и высокочастотном диапазоне все конструкции имеют примерно одинаковую среднюю эффективность 20 – 40 дБ, которая достаточна для эффективной работы СООГ. Можно отметить, что при необходимости эффективность в этих диапазонах можно повысить простым известным решением – добавлением диссипативных элементов в виде звукопоглощающих материалов из базальтового или стекловолокна. В низкочастотном диапазоне эти материалы работают неэффективно и повысить акустическую эффективность в этом диапазоне можно за счет изменении конструкции.
Эффективность снижения звукового давления на частотах до 150 Гц обеспечивает третья конструкция глушителя-нейтрализатора за счет работы 4-ой объемной камеры (Рисунок 3.1в).
Разработанная расчетно-экспериментальная методика проектирования и исследования конструкций СООГ грузового автомобиля на основе конечно-элементного моделирования позволяет спроектировать конструкцию СООГ с необходимыми виброакустическими параметрами [49].
Конструктивные решения по снижению звукового излучения от наружных поверхностей глушителя-нейтрализатора
На рисунке 4.17 приведена конструкция глушителя-нейтрализатора, на котором выделены три отдельные наружные поверхности, ограниченные резким изменением геометрической формы и жесткости.
На рисунке 4.18 показана трехмерная и конечно-элементная модель глушителя-нейтрализатора.
Производился расчет 40 форм колебаний глушителя-нейтрализатора, 2 из которых для исходной конструкции показаны на рисунке 4.19 (а и б).
После расчета исходной конструкции на выделенных поверхностях вводились сферические выпуклости различного радиуса и расположения на поверхности и производился расчет частот и форм колебаний. Далее вводились ребра жесткости, примыкающие к сферическим выпуклостям. Расчет производился для всех вариантов измененных конструкций и выбирались конструкции с наименьшими значениями виброскорости по выделенным поверхностям.
На рисунке 4.20а показана конструкция с введенными изменениями на поверхности 1 в виде сферической выпуклости, затем введены ребра жесткости, примыкающие к сферической выпуклости (Рисунок 4.20б).
В качестве примера приведены расчеты 2-х форм колебаний поверхности 1 на частотах 2741,3 Гц (Рисунок 4.21а) и 3522,9 Гц (Рисунок 4.21б).
С целью оценки эффективности рассматриваемых конструктивных изменений на поверхности 1, рассчитывались спектры среднеквадратичных значений виброскорости для различных конструктивных изменений. Результат расчетов приведены на рисунок 4.22.
По результатам расчета, наименьшие значения виброскорости на поверхности 1 имеет конструкция со сферической выпуклостью.
На поверхности 2 были введены изменения в конструкцию в виде сферических выпуклостей (Рисунок 4.23а) и ребер жесткости, примыкающих к сферическим выпуклостям (Рисунок 4.23б).
В качестве примера приведены расчеты 2-х форм колебаний поверхности 2 на частотах 3956,1 Гц (Рисунок 4.24а) и 4431,8 Гц (Рисунок 4.24б).
С целью оценки эффективности рассматриваемых конструктивных изменений на поверхности 2, рассчитывались спектры среднеквадратичных значений виброскорости для различных конструктивных изменений. Результат расчетов приведены на рисунке 4.25.
С увеличением частоты формы колебаний становятся более сложными. На поверхности 2 при введении сферических выпуклостей уменьшается число пучностей по сравнению с исходным вариантом и как показывают результаты расчета снижается среднее значение виброскорости на поверхности.
Далее на поверхности 3 введены изменения в конструкцию в виде сферических выпуклостей (Рисунок 4.26а) и ребер жесткости, примыкающих к сферическим выпуклостям (Рисунок 4.26б).
В качестве примера приведены расчеты 2-х форм колебаний поверхности 3 на частотах 2181,7 Гц (Рисунок 4.27а) и 3649,7 Гц (Рисунок 4.27б).
С целью оценки эффективности рассматриваемых конструктивных изменений на поверхности 3, рассчитывались спектры среднеквадратичных значений виброскорости для различных конструктивных изменений. Результат расчетов приведены на рисунке 4.28.
Из анализа результатов приведенных на рисунке 4.28 следует, что максимальное снижение среднего значения виброскорости на поверхности 3, а следовательно и снижение шума, достигается при конструктивных решениях приведенных на рисунке 4.26а.
Таким образом, анализ результатов расчета частот и форм колебаний и распределения среднеквадратичных значений виброскорости по трем отдельным поверхностям глушителя-нейтрализатора показывает, что с целью снижения шума от поверхностей можно рекомендовать введение в ее конструкцию сферических выпуклостей.