Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор методов сниіения шума ДВС на автомоеш
1.1. Возникновение акустического излучения двигателя внутреннего сгорания 13
1.2. Анализ существующих методов снижения шума ДВС 16
1.3. Возникновение шума системы впуска двигателя 24
1.4. Методы уменьшения шума системы впуска двигателя 26
1.5. Снижение шума ДВС путём улучшения конструкции моторного отсека автомобиля 32
1.6. Цель и задачи работы 36
Глава 2. Акустические характеристики двигателей легковых автомошлей
2.1. Основные источники шума двигателя легкового автомобиля. Особенности акустических характеристик различных моделей двигателей ВАЗ 39
2.2. Шум системы впуска двигателей ВАЗ. Анализ путей совершенствования акустических характеристик конструкций воздухоочистителей систем впуска 51
2.3. Акустические характеристики моторных отсеков автомобилей ВАЗ. Анализ путей уменьшения передачи шума из моторного отсека в окружающую среду 63
Глава 3. Теоретические предіосшіки для снижения шума ДВС на автомобиле
3.1. Аппроксимация источников механического шума ДВС и пути уменьшения их излучения 74
3.I.I. Качественные особенности излучения звука отдельными вибрирующими поверхностями ДВС и аппроксимация их элементарными излучателями 74
3.1.2. Расчётные соотношения, определяющие излучение звука аппроксимированными излучателями и анализ путей его уменьшения 88
3.2. Аппроксимация аэрогазодинамического шумового излучения от системы впуска ДВС в моторном отсеке автомобиля и исследование путей его уменьшения 102
3.2.1. Качественные особенности передачи звука через моторный отсек. Аппроксимация моторного отсека частично разомкнутым объёмом и участком волно-B0*a 102
3.2.2. Расчётные соотношения, определяющие передачу звука от системы впуска через моторный отсек, аппроксимированный участками волноводов ИЗ
3.2.3. Анализ характеристик моторного отсека как элемента передачи шума впуска в окружающее пространство. Пути уменьшения передачи звукового излучения от системы впуска из моторного отсека в окружающую среду 123
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований по снижению шума двигателя на автомошле
4.1. Методики экспериментальных исследований и применя емая аппаратура 157
4.1.1. Методики исследования акустических качеств двигателя 157
4.1.2. Методики исследования шума излучаемого системой впуска ДВС через моторный отсек автомобиля
в окружающую среду 161
4.2. Разработка способов снижения шума ДВС на автомобиле 164
4.2.1. Способы снижения шума от поверхностных излучателей двигателя 164
4.2.2. Способы уменьшения шума шкива коленчатого вала двигателя 201
4.2.3. Способы уменьшения передачи в окружающую среду шума от системы впуска, основанные на оптимизации характеристик акустической системы "система впуска ДВС-моторный отсек автомобиля" 224
Выводы. рекомендации 238
литература
- Возникновение акустического излучения двигателя внутреннего сгорания
- Основные источники шума двигателя легкового автомобиля. Особенности акустических характеристик различных моделей двигателей ВАЗ
- Аппроксимация источников механического шума ДВС и пути уменьшения их излучения
- Методики экспериментальных исследований и применя емая аппаратура
Введение к работе
Проблема уменьшения шума автомобилей должна рассматриваться с точки зрения успешного решения комплексных народно-хозяйственных задач, которые могут быть сгруппированы по двум основным направлениям. С одной стороны - это задачи уменьшения акустического загрязнения окружающей среды, а с другой - повышение потребительских качеств и конкурентоспособности на мировом рынке конструкций автомобилей по такому важному нормируемому показателю, как уровень их шума. Оба направления отмеченных задач установлены директивными решениями ХХУТ съезда КПСС, статьёй 18 Конституции СССР и другими Правительственными постановлениями, как имеющие большое народно-хозяйственное значение.
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указывается на необходимость дальнейшей разработки методов и средств борьбы с шумом и вибрацией машин.
Высокие темпы автомобилезации вызывают увеличение отрицательного воздействия автомобилей на окружающую среду, связанного с ростом уровней шума в ней. Повышенный шумовой фон в городах и населённых пунктах вызывает ощущение дискомфорта, затрудняет выполнение производственных операций, приводит к ускоренному утомлению, нарушает режим нормального отдыха.
Таким образом, уменьшение уровней транспортного шума в селитебной зоне является актуальной задачей социального плана. Для её успешного решения наряду с такими градостроительными мероприятиями, как рациональная с точки зрения акустики планировка жилых массивов и магистралей, создание шумозащитного озеленения улиц, установка шумозащитных экранирующих сооружений на дорогах, совершенствование средств организации движения, повышение звуко- изолирующих качеств зданий, - одним из способов борьбы с шумом является снижение шума, создаваемого самим транспортным средством. Этот способ предусматривает совершенствование конструкции и технического состояния транспортного средства. Учитывая, что доля шума от автомобильного транспорта в общем шумовом фоне современных городов является преобладающей, а вклад, вносимый легковыми автомобилями, как самым массовым видом транспорта, становится определяющим в общей звуковой мощности излучаемой транспортными потоками, задача разработки средств и способов снижения шума, создаваемого легковыми автомобилями, становится первоочередной.
Анализ спектров звуковой энергии, излучаемой автомобилями в окружающую среду ( см. приложение I ), показывает, что автомобиль является преимущественно источником низкочастотного шума, обладающего высокой проникающей способностью и градостроительные шумозащит-ные мероприятия, в связи с этим, являются малоэффективными. Таким образом, создание низкошумных конструкций автомобилей ( в особенности в низкочастотном звуковом диапазоне ) следует считать одним из наиболее эффективных и экономически целесообразных способов уменьшения шумового фона в селитебной зоне.
Тенденция ужесточения предельно-допустимых значений уровней внешнего шума автомобилей как в нашей стране, так и за рубежом, ( см. приложение I ), ставит задачи создания конструкций автомобилей, отвечающих современному уровню развития мировой автомобильной техники и их беспрепятственного экспорта в страны-импортёры, предъявляющие повышенные экологические требования.
Основным источником внешнего шума автомобилей и, легковых автомобилей в частности, является поршневой двигатель внутреннего сгорания. Звуковая энергия, обусловленная вибрацией поверхностей корпусных деталей и аэродинамическим возбуждением от
7 систем газообмена ДВС, как правило, практически полностью определяют уровень внешнего шума современных легковых автомобилей. Причем, если уровни внешнего шума в средне- и высокочастотном диапазонах определяются излучением от корпусных деталей, то уровни в низкочастотном диапазоне, как правило, формируются излучением аэродинамического характера от системы впуска ДВС. Значительное влияние на низкочастотную энергию, излучаемую в окружающую среду системой впуска ДВС, оказывает конструкция моторного отсека автомобиля, что вызывает необходимость исследования совместной излучательной системы " система впуска ДВС - моторный отсек автомобиля". Таким образом, успешное решение проблемы уменьшения излучения шумовой энергии в окружающую среду от легковых автомобилей связано, в первую очередь, с созданием низкошумных конструкций корпусных деталей двигателя, системы впуска двигателя и моторного отсека автомобиля.
Это в полной мере относится к семейству двигателей и автомобилей, создаваемых в настоящее время на Волжском объединении по производству легковых автомобилей имени 50-летия СССР.
Из вышеизложенного следует, что борьба с шумом двигателей легковых автомобилей является в настоящее время актуальной проблемой снижения акустического загрязнения окружающей среди и повышения конкурентоспособности автомобилей на мировом рынке. Решению этих проблем и посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование путей уменьшения шума двигателя легкового автомобиля за счет воздействия на процессы излучения и передачи шума и снижение шума от автомобилей ВАЗа за счет уменьшения шума двигателя.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
I. Создание физико-математических моделей излучения шума вибрирующими поверхностями деталей ДВС ( поверхностных излучателей шума ДВС) и разработка на их основе методов снижения шума отдельных элементов двигателя - крышек ( головки блока цилиндров, привода газораспределительного механизма и воздухоочистителя ), кожухов ( привода газораспределительного механизма, вентилятора системы охлаждения ), щитков теплоизолирующих ( стартера, карбюратора ), шкивов привода вспомогательных агрегатов.
Создание физико-математической модели излучения звука в окружающую среду отдельными элементами двигателя через моторный отсек и разработка методики его расчётного и экспериментального исследования.
Разработка основных принципов проектирования моторных отсеков автомобилей с точки зрения предотвращения интенсивной передачи звука от двигателя в окружающую среду, а также рекомендаций по оптимизации месторасположения излучателей шума в пространстве моторного отсека и, в частности, элементов системы впуска, как основных источников низкочастотного шума.
Разработка и внедрение практических рекомендаций по снижению шума, излучаемого двигателями автомобилей ВАЗ, за счёт воздействия на звуковую отдачу поверхностных излучателей и путём ослабления передачи шума моторным отсеком.
В соответствии с поставленной целью и задачами работы в первой главе приведен анализ теоретических и экспериментальных исследований природы шумообразования в ДВС. Анализируются основные механизмы генерирования виброакустической энергии, пути её передачи и излучения в окружающую среду. Особое внимание уделено анализу эффективности влияния вводимых конструктивных мероприятий на акустические качества двигателей и автомобилей в целом.
Во второй главе приводятся результаты исследований влияния различных конструктивных факторов на образование шума двигателей семейства ВАЗ - средней скорости поршня, диаметра цилиндра, хода поршня, конструкции привода газораспределительного механизма, дополнительного повышения изгибной жёсткости стенок корпусных
9 деталей и их виброизоляции. Проанализированы способы уменьшения шума впуска, основанные на конструктивном усовершенствовании отдельных элементов впускной системы ДВС и реализованные в серийных и перспективных моделях двигателей ВАЗ. Приводятся результаты экспериментальных исследований, указывающих на существенную ответственность конструкции моторного отсека легкового автомобиля за интенсивность низкочастотного шумового излучения автомобиля в окружающую среду.
В третьей главе дан анализ физической картины излучения шума вибрирующими поверхностями деталей ДВС и передачи шума системы впуска двигателя через пространство моторного отсека в..окружающую среду. Разработаны физико-математические модели поверхностных источников шума ДВС и моторного отсека легкового автомобиля. В результате теоретического анализа звукоизлучающих свойств моделей, разработаны методы уменьшения шума поверхностных источников шума ДВС и методы проектирования моторных отсеков с уменьшенной передачей низкочастотного шума системы впуска в окружающую среду.
В четвёртой главе приведены результаты экспериментальной оценки эффективности применённых противошумовых мероприятий на серийных и перспективных двигателях ВАЗ.
В приложении приведены существующие и перспективные требования норм, регламентирующие внешний шум легковых автомобилей,и применяемые методики исследования акустических качеств автомобилей, моторных отсеков и акустических капсул силовых агрегатов. На. основе уравнения акустического баланса автомобиля выполнен теоретический анализ формирования звукового поля двигателей легкового автомобиля в различных частотных диапазонах. Приведены результаты экспериментальных исследований по разделению источников внешнего шума автомобилей ВАЗ. Приведены блок-схемы программ расчёта на ЭВМ усиления звука моторным отсеком автомобиля. Выполнен анализ экономической эффективности мероприятий по снижению шума двигате- лей и автомобилей.
Научная новизна. Созданы физико-математические модели поверхностных излучателей щума ДВС с односторонним и двухсторонним излучением в виде аппроксимированных излучателей монопольного и дипольного типов и излучателей плоских волн и на их основе: а) разработаны методы уменьшения шума поверхностных источников монопольного и дипольного типов, основанные на уменьшении их сопротивления излучению, на переводе их в источники более высокого порядка, использовании ориентированных экранирующих поверхностей, а для источников плоских волн - на уменьшении сопротивления излучению путем их рационального перфорирования; б) определена достаточная степень перфорации поверхностных излучателей, обеспечивающая существенноеснижение уровней шума без нарушения прямого функционального назначения деталей; в) определена необходимая степень приближения звукоотражаю- щей поверхности к дисковой части шкива привода вспомогательных агрегатов ДВС, обеспечивающая эффективное уменьшение шума колеб лющимся шкивом.
Создана физико-математическая модель моторного отсека в виде звукопередающей системы, содержащей набор волноводов, в которых располагаются источники монопольного и дипольного типов, взаимодействующие с собственным полем волноводов. Модель позволяет учитывать это взаимодействие и проектировать моторные отсеки с уменьшенной передачей шума от элементов ДВС через моторный отсек в окружающую среду. Разработана методика и алгоритм расчета излучения звуковой энергии от источников монопольного и дипольного типа из моторного отсека. Алгоритм реализован на ЭВМ. Разработана методика экспериментального исследования излучения низкочастотного шума системы впуска ДВС из пространства моторного отсека автомобиля, включающая измерение распределений звуковых давлений на собственных частотах с помощью зондов и использование усиленного источника шума впуска для оценки передачи звука через мотоотсек.
Практическая ценность и реализация в промышленности. Разработаны и внедрены практические рекомендации по снижению шума излучаемого двигателями автомобилей за счёт воздействия на звуковую отдачу поверхностных излучателей и путём ослабления передачи шума моторным отсеком.
Внедрены в серийных и перспективных моделях двигателей ВАЗ перфорированные конструкции: шкива коленчатого вала ( все серийные и перспективные модели двигателей ВАЗ ), крышки воздухоочистителя ( BA3-2I08 и BA3-2I068 ), кожуха привода газораспределительного механизма ( BA3-34I ). На серийной модели двигателя BA3-2I05 внедрена рациональная компоновка кожуха привода газораспределительного механизма относительно шкива коленчатого вала. На перспективной модели автомобиля BA3-IIII используется схема рациональной компоновки среза воздухозаборного патрубка в пространстве моторного отсека.
Перфорированные конструкции шкива коленчатого вала и крышки воздухоочистителя ДВС защищены авторскими свидетельствами СССР на изобретения В 8I946I, № 934096, В 1037700. Конструкция воздухоочистителя ДВС, оборудованного перфорированной крышкой, патентуется в Японии, Англии, ФРГ, Швеции, Франции, Италии, странах СЭВ - Чехословакии, ГДР, Болгарии.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на XXXIX и XII научно-исследовательских конференциях МАДИ, научно-технической конференции "Вибрация и шум легковых автомобилей" ( Тольятти, 1977 г. ), научно-технической конференции молодых специалистов Волжского автомобильного завода имени 50-летия СССР ( Тольятти, 1978, 1979, 1980, 1981 г.г. ), научно--технической конференции молодых специалистов автомобильного завода имени Ленинского комсомола ( Москва, 1979 г. ).
Разработанный автором с использованием результатов исследова- ний по теме диссертации "Комплекс конструктивных противошумных мероприятий двигателя ВАЗ-2І05" экспонировался в 1980 году на ВДНХ СССР и был удостоен золотой медали.
Работе "Комплекс конструктивных противошумных мероприятий для автомобиля ВАЗ-2І2І", выполненной автором с использованием результатов исследований по теме диссертации, в 1981 году была присуждена премия Куйбышевского обкома комсомола в области науки и техники, а автор удостоен звания лауреата.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 статей и получено 3 авторских свидетельства СССР.
Объём работы, диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и приложения, содержит 145 страниц основного машинописного текста, 105рисунков 5 таблиц. Библиография содержит 262 источника, в том числе 149 иностранных.
В процессе работы над диссертацией постоянную поддержку автору оказывало руководство отдела доводки двигателей Управления главного конструктора. Большая помощь в проведении ОКР была оказана сотрудниками отдела проектирования двигателей т.т. Лазаревым Ю.П., Лысенко Е.В., сотрудниками отдела доводки двигателей т.т. Муртаковым Г.Н., Фроловым А.В., Бестутиным СЮ., Коробкой К.А. При подготовке материалов диссертации большую помощь автору оказал инженер-патентовед Соколов А.В. Всем названным сотрудникам и коллективу бюро исследования шума и вибраций автомобилей Управления главного конструктора автор выражает глубокую благодарность.
Автор пользуется случаем выразить благодарность своему уважаемому учителю, доценту Тольяттинского политехнического института Р.Н. Старобинскому за постоянную помощь в работе над диссертацией.
Возникновение акустического излучения двигателя внутреннего сгорания
Возникновение рабочих процессов в цилиндрах, механизмах и системах ДВС, в результате которых происходит преобразование химической энергии топлива в механическую работу, сопровождается выделением звуковой энергии. Звуковая энергия передаётся в окружающую среду в виде шумового излучения, происходящего с поверхностей корпусных деталей двигателя, его навесных агрегатов, крыльчатки вентилятора системы охлаждения, впускной и выпускной горловины. В зависимости от природы образования и характера излучения шум ДВС может быть представлен в виде двух составляющих компонент:
а) шум, излучаемый внешней вибрирующей поверхностью дви гателя - поверхностный ( структурный ) шум;
б) шум, излучаемый впускными и выпускными горловинами сис тем газообмена и лопастями крыльчатки вентилятора системы охлаж дения - аэрогазодинамический шум.
Излучение звуковой энергии вызывается действием возмущающих периодических сил, возбуждающих звуковые колебания в конструкциях деталей и колебаниями давлений и скоростей газовых потоков в системах двигателя. В поршневых ДВС основными источниками шума являются:
а) процесс сгорания топлива, вызывающий газодинамические колебания в цилиндрах и силовое воздействие на их стенки;
б), рабочие динамические процессы, развивающиеся в кри-вошпно-шатунном, газораспределительном механизмах, навесных вспомогательных агрегатах, системах охлаждения, смазки, топливо-подачи, сопровождающиеся действием сил инерции, ударными нагрузками в сопряжениях ( при перекладке поршней и в подшипниках, при выборе тепловых зазоров и посадке клапанов, при пересопряжении зубьев распределительных шестерён );
в), аэрогазогидродинамические силы, возникающие в системах газообмена и в процессе взаимодействия лопастей вентилятора с воздушной средой.
Современный ДВС легкового автомобиля оборудуется, как правило, достаточно эффективными, с точки зрения шумозаглуше-ния, системами впуска и выпуска и низкошумным вентилятором системы охлаждения. Это, в свою очередь, предопределяет доминирующую роль поверхностных излучателей шума ДВС в общем звуковом поле двигателя и автомобиля в целом.
Колеблющийся на подвеске двигатель, как абсолютно твёрдое тело, в результате действия неуравновешенных сил и моментов, неравномерности крутящего момента, дисбаланса вращающихся масс, производит шумовое излучение на низких частотах /25,92,42/. Средне-и высокочастотное излучение звуковой энергии обусловлено колебаниями наружных поверхностей корпусных деталей, как системы с распределёнными параметрами. В этом случае, такая система излучателей возбуждается действием газовых сил при процессе сгорания и силами от соударений в подвижных сочленениях /2,42, 162,228/ . Передача вибрационной энергии от процесса сгорания к наружным поверхностям двигателя осуществляется через головку цилиндров и через кривошшгао-шатунный механизм ( поршень - шатун - коленвал - блок цилиндров ). Исследования, проведенные 129,211,251 /, указывают на то, что основным путём передачи вибрационной энергии, вызываемой процессом сгорания, к наружным поверхностям следует считать кривошипно-шатунный механизм.
Одним из основных факторов силового возбуждения конструкции двигателя и, как следствие, повышенного шума от его поверхностных излучателей, следует считать удары поршня при перекладке /8,37,125,174,207,218,259/. Нормальная сила, вызывающая перекладку поршня, является функцией утла поворота кривошипа, газовых и инерционных сил. Знакопеременные силы, действующие в криво-шипно-шатунном механизме, приводят к соударениям в сочленениях поршень-шатун, шатун-коленвал, коленвал-опора картера. Возшгкающие ударные импульсы легко передаются наружным поверхностям корпусных деталей, вызывая их колебания и излучение шума. При этом, скорость соударения и, соответственно, виброакустические характеристики узла в основном зависят от величины зазора в подшипнике и характера индикаторной диаграммы./ 125,129,148,211 /.
Важным источником шума ДВС является как сам газораспределительный механизм, так и его привод/42,125 ,145,255/ . Ударная посадка клапанов в седлах, удары, возникающие при выборе зазоров в отдельных сопряжениях механизма, вызывают появление вибрационных импульсов в корпусных деталях двигателя и, соответственно, - излучение шума наружными поверхностями. При этом, как следует из работы /42/ , энергия вибрационного импульса, развивающегося в двигателе при посадке клапана,тем больше, чем больше масса клапана и выше скорость удара.
Основные источники шума двигателя легкового автомобиля. Особенности акустических характеристик различных моделей двигателей ВАЗ
Двигатель - основной источник внешнего шума автомобилей ВАЗ, наиболее активно формирующий их высокочастотный диапазон звукового излучения 500 -« 4000 Гц (прилож.4) . Акустическое качество двигателя определяется его конструктивными особенностями, эксплуатационными режимами работы, техническим состоянием. Волжский автозавод производит семейство моделей двигателей,базирующееся на конструкции двигателя модели BA3-2I0I. Модели двигателей 2І0П, 2103, 2106, являясь модификацией основной модели 2І0І, развивают ряд его основных технико-экономических показателей ( эффективную мощность и крутящий момент, удельный расход топлива, токсические показатели ). Изменение перечисленных выше показателей обусловлено увеличением диаметра цилиндра ( Э ), хода поршня ( S ), степени сжатия ( Є ), формы камеры сгорания. Дополнительно в двигателе BA3-2I06 изменены обороты номинальной мощности ( они равняются 5400 мин , в то время, как на всех остальных моделях двигателей ВАЗ П = 5600 мин"1 ).
В свою очередь дальнейшее развитие конструкций двигателей ВАЗ получило на примере модели BA3-2I05 в которой, в частности, цепной привод механизма газораспределения заменён на зубчато-ремённый ( рис. 2.1. ). Перспективная модель двигателя BA3-2I08, серийный выпуск которой начинается уже в 1984 году, коренным образом отличается от семейства остальных моделей серийных двигателей ВАЗ конструкцией механизмов и систем, корпусных деталей, величинами зазоров в основных сочленениях ( в паре поршень-цилиндр, в коренных и шатунных подшипниках, в газораспределительном механизме и т.д. ). Перечисленное изменение различных конструктивных факторов может изменить в одну или другую сторону и акустические показатели конкретных моделей двигателей ВАЗ.
Б связи с тем, что базовый ряд серийных моделей двигателей 2101,21011,2103,2106 имеет практически идентичную конструкцию корпусных деталей, являющихся непосредственными излучателями акустической энергии в окружающую среду, представляет интерес сравнение их акустических качеств. В этом случае появляется возможность проследить влияние некоторого изменения эффективной мощности ( с 62 л.с. до 80 л .с. ), скорости поршня ( за счет изменения его хода ) на одном и том же скоростном режиме работы двигателя, например на номинальном ( с 12,32 м/сек до 14,93 м/сек ),скорости поршня за счёт изменения оборотов номинальной мощности. Исследование известных выражений, оценивающих уровни шума в дБА на расстоянии І м от поверхностей корпусных деталей ДВС /60,65,93,119/ , применительно к различным моделям двигателей ВАЗ показывает,что, например, увеличение эффективной мощности ) с 62 л .с . ( BA3-2IOI ) до 80 л.с. ( BA3-2I06 ) должно повлечь согласно /179/увеличение шума на 0,6 дБА. Уменьшение оборотов номинальной мощности П. с 5600 до 5400 мин влечёт, согласно выражений,приведенных в работах/119,179/, снижение уровня шума на 0,2 дБА и 0,6 дБА соответственно. Незначительные отличия в величинах хода поршня S и диаметра цилиндра Ъ рассматриваемых моделей двигателей ВАЗ согласно оценкам выражений, приведённых в работах /60,65, 93/ ,также не влекут ощутимого влияния на их акустические качества. И действительно, замеры уровней акустической мощности отдельных образцов двигателей ВАЗ моделей 2101,21011,2103,2X не позволили установить определённой зависимости от изменения рассматриваемых конструктивных параметров / 16 /. Попытка установить влияние скорости поршня за счёт изменения его хода на уровень шума двигателя производилась на базе сравнения статистических характеристик уровней внешнего шума большого числа автомобилей ВАЗ-2І0І и ВАЗ-2І03 при испытаниях их на стоянке на номинальных оборотах 5600 минТ Отмеченный режим испытаний характеризуется абсолютным превалированием шума двигателя над остальными источниками внешнего шума ( незначительный шум от систем газообмена вследствие прикрытия дроссельной заслонки при работе двигателя без нагрузки, исключение шума шин и трансмиссии вследствие неподвижности автомобиля ) Единственным отличием в такой сравнительной оценке явилось наличие шумогоглощающей прокладки капота, которой комплектуются только модели автомобилей BA3-2I03. Однако проведённые многочисленные эксперименты показали, что отмеченная прокладка капота создаёт шумопонижающий эффект равный в среднем I дБА, что соответственно может быть учтено при анализе полученных результатов. Испытаниям подверглись 50 образцов моделей автомобилей ВАЗ-2І03 и 20 образцов ВАЗ-2ЮІ серийного производства, прошедших обкатку 10 - 20 км после сборки.
Аппроксимация источников механического шума ДВС и пути уменьшения их излучения
Представление совокупного акустического излучения от ДВС в виде акустического баланса мощностей отдельных источников открывает возможности аналитического определения величины энергии акустического излучения каждым источником. Одной из разновидностей уравнений акустического баланса двигателя является уравнение акустического баланса по поверхности излучения л «ЗА = &,. + 8ш. + Л С з.і) где Egn и F //7. - звуковая энергия, излучаемая соответственно впускной и выпускной горловиной ДВС; Е-ь - звуковая энергия, излучаемая поверхностями двигателя.
В свою очередь акустическая мощность, обусловленная излучением поверхностей двигателя % W„-S cSReJV dS , ( 3,2 ) где $С - акустическое сопротивление среды; S - поверхность излучения; ле - действительная часть коэффициента излучения; V - виброскорость по нормали к излучающей звук поверхности. Профессором В.Н. Луканиным предлагается также использовать вариант уравнения акустического баланса, составленный на базе аппроксимации каждого источника излучения, одним из элементарных излучателей типа монополя ( W0 ), диполя ( Wj ) или излучателя более высокого порядка /41/ . В отношении поверхностных излучателей шума ДВС они также могут аппроксимироваться отдельными элементарными излучателями или их совокупностью. Тогда акустическая мощность, обусловленная отдельными поверхностными излучателями ДВС, аппроксимированными соответствующими элементарными излучателями, может быть выражена в виде Wn = IWo+lWi+ZWn , .(3.3) где ZWo » ZWr и ZWi - суммарная акустическая мощность излучателей монопольного, дипольного и квадрупольного типов.
Что касается наличия единой существующей классификации и аппроксимации излучателей структурного шума ДВС, то она в настоящий момент пока отсутствует. Так в работе/165//#/# АЙаппроксимирует двигатель, как излучатель звука, пульсирующей сферой ( монополем ). Ко/ і/па Л/ся/OYCt /202/предлагает двигатель аппроксимировать макропластиной, составленной из совокупности элементарных пластинок, каждая из которых является микроисточником звуковых волн. Т- Afie и M.SMffltex/ № f рассматривают ДВС как плоский источник. Такой подход к ДВС, как единому обобщённому излучателю однотипных звуковых волн, является упрощённым и не отражает реальной картины формирования звукового поля его отдельными составными излучателями. Наиболее глубоко рассмотрен вопрос аппроксимации отдельных излучателей шума ДВС В.Н. Луканиным в монографии/42/ . Вся совокупность излучателей сведена им к нескольким простейшим: колеблющемуся поршню в бесконечно протяжённом жёстком экране, одностороннему поршню без экрана, двухстороннему поршню без экрана ( диполю ) и изгибно-колеблющейся пластине. Рассмотрено также поведение этих излучателей в низко-и высокочастотном диапазоне излучения звуковой энергии. Предложено рассматривать колеблющийся на подвеске двигатель как двухсторонний поршень без экрана, впускную горловину ДВС - как односторонний поршень без экрана, вибрирующую локальную поверхность двигателя - как колеблющийся поршень в бесконечно протяжённом жёстком экране. В /45/ приведено дальнейшее развитие этих исследований по аппроксимации излучателей структурного шума ДВС на примере карбюраторного двигателя M-4I2. Так излучение звука крышкой головки цилиндров ДВС представлено как излучение монополя, блок картера, масляного поддона, передней крышки и двигателя в сборе - как излучение диполя. Такая аппроксимация реальных излучателей классическими ( элементарными ) облегчает задачу качественной и количественной оценки шумоизлучательной способности деталей двигателя, позволяет более глубоко вскрывать сам механизм генерирования и излучения звуковых волн и применить, таким образом, известный арсенал способов уменьшения излучения звука, изученный в классической акустике.
Тем не менее, вопросы исследования шумоизлучательных характеристик деталей ДВС, основанные на представлении конкретных деталей классическими излучателями звука, изучены недостаточно глубоко и продолжают оставаться актуальными и на сегодняшний день. Так, представление отдельной детали ДВС определённым классическим излучателем звука не всегда правомерно, например, без учёта конкретной эксплуатационной ситуации. Изменение режимов работы ДВС может повлечь и переход излучателя одного типа в другой. Так, например, срез хвостовой трубы глушителя системы выпуска отработавших газов на низких рабочих оборотах ДВС является, как правило, источником монопольного типа. На средних рабочих оборотах двигателя, в особенности при незначительных размерах трубопровода, срез является дипольным источником.
Методики экспериментальных исследований и применя емая аппаратура
Акустическое совершенствование конструкции двигателя, как уже отмечалось, приводит к возрастанию числа источников активно формирующих его звуковое излучение. Превращение ДВС из интенсивного излучателя, который в основном формировался 2-3 источниками, в низкошумный излучатель, формируемый 6-8 равнозначными источниками, вызывает необходимость применения соответствующей методики оценки эффективности каждого из мероприятий на конкретном источнике или группе источников. Если в первом случае ( ДВС - интенсивный излучатель, формируемый 2-3 источниками ) уменьшение уровня одного из составляющих источников заметно скажется на общем уровне акустической мощности и, в связи с этим, удобно и целесообразно использовать этот ( уровень акустической мощности ) наиболее активный параметр акустического качества ДВС, то в случае общего излучения от двигателя, которое формируется 6-8 источниками, эффект от подавления одного из источников по замеренным значениям общих уровней акустической мощности двигателя оценить весьма затруднительно. Это обусловлено как незначительным влиянием на общий уровень акустической мощности двигателя в целом каждого из источников в отдельности, так и невысокой точностью измерений ( в сравнении с величинами возникающих эффектов от подавления излучения от одного из источников ). Действительно, если, например, общий уровень шума двигателя обусловлен излучением 8 источников с уровнями 90 дБ каждый, то их суммарный уровень составит 99 дБ. Если же при этом один источник за счёт введения шумопонижающих мероприятий уменьшен на 3 дБ, а другие остались без изменения, то суммарный уровень соста вит 98,75 дБ. Эффект изменения общего уровня акустической мощности двигателя равный 0,25 дБ затруднительно зарегистрировать с помощью современных средств измерений акустической мощности источника в условиях моторного бокса ( да и в специальной акустической камере ). В связи с этим, в процессе доводочных работ при оценке того или другого мероприятия уменьшения излучения от конкретного источника может быть сделан необъективный вывод о его неэффективности. Аналогично может быть внесена ошибка об равноценности с акустической точки зрения и мероприятия ухудшающего акустические качества отдельного излучателя. Ещё в большей степени усложнится оценка эффективности уменьшения шума одного из источников излучения путём измерения абсолютных значений акустической мощности двигателя при сравнительных испытаниях различных конструктивных мероприятий, применяемых для снижения излучения от этого источника. В этом случае, несмотря на то, что в действительности излучение от данного источника будет изменяться в широких пределах, абсолютное значение общего уровня акустической мощности будет находиться в пределах точности измерений. Таким образом, в случае большого количества источников, формирующих общее звуковое поле ДВС, для оценки эффективности отдельных мероприятий целесообразно использовать более "чувствительный" способ.
В настоящее время разработано и применяется несколько спосо бов оценки излучения, обусловленного конкретной локальной поверх ностью ДВС /24,39,45,56,246/, заключающихся, в частности, в исполь зовании измерительных рупоров/ИЗ/ и звукоизолирующих панелей , замеров среднеквадратичных значений уровней виброскоростей на по верхностях корпусных деталей двигателей и пересчётах их в уровни звуковых давлений и уровни звуковых мощностей/24,56,246/ В 80х го дах, в практике акустической доводки ДВС на зарубежных фирмах нашёл широкое распостранение способ измерения акустической интенсив ности излучения от локальных зон корпусных поверхностей с помощью специальных акустических измерительных комплексов /118, 136, 245/
Однако перечисленные выше способы требуют или приобретения дорогостоящих измерительных комплексов ( не освоенных отечественной промышленностью ) за рубежом или трудоёмки и обладают невысокой точностью. В это же время измерения вблизи поверхностных излучателей ( на ВАЗе принято измерительный микрофон располагать в 0,1 м от излучающей поверхности ) позволяют осуществить оперативный отбор наиболее эффективных шумопонижающих мероприятий, что, в конечном итоге, определяет повышенное акустическое качество двигателя и автомобиля в целом. В этом случае за счёт приближения измерительного микрофона к конкретной поверхности излучения возрастает его относительный вклад и, таким образом, растёт динамический диапазон, в котором может производиться оценка эффективности. При этом появляется возможность проводить сравнительную оценку различных способов и устройств подавления излучения от этого излучателя. Для расширения возможностей такой оценки и повышения её объективности целесообразно остальные излучатели шума двигателя на период проведения измерений исключить или ослабить. Так, например, при исследованиях излучения от крышки головки блока цилиндров ДВС желательно демонтировать воздухоочиститель и шум системы впуска отвести за пределы измерительного бокса. При исследованиях излучения от крышки привода механизма газораспределения необходимо демонтировать крыльчатку вентилятора, установить низкошумный шкив коленвала, демонтировать генератор или лопасти на его приводном шкиве. Ещё в большей степени повысится достоверность оценки шумопонижающего мероприятия для конкретного излучателя если все, или хотя бы большинство излучателей, будут исключены или ослаблены ( например, с помощью многослойных звукоизолирующих покрытий ).
