Разработка методики акустической доводки легкового автомобиля по внешнему и внутреннему шуму

Учитывая ежегодное увеличение парка автомобилей, продолжающееся увеличение мощности и быстроходности применяемых машин и механизмовпроблемы уменьшения их шума и токсичности отработавших газов (ОГ) можно отнести к наиболее важным при решении общей проблемы охраны окружающей среды, оздоровления условий труда и жизни людей. Снижение шума автомобиля является одной из важнейших проблем зашиты окружающей среды.

Рост энерговооруженности автотранспортных средств (АТС), увеличение рабочих скоростей приводят к заметному возрастанию шума, в результате которого ухудшается здоровье человека, снижается производительность труда, происходит акустическое загрязнение среды обитания.

Шум городского транспорта составляет величину до 95 дБА, при санитарной норме в 55 дБА. В крупных городах, таких как Москва, Санкт-Петербург территории, на которых превышен санитарный предел, составляют до 45% общей площади городской застройки.

Меры, принимаемые для борьбы с шумом и вибрациями, отражены в различных законодательных актах, этим вопросам посвящены Постановления ЕЭК ООН (Правило № 51 ЕЭК ООН, директива 1999/101 ЕЭС и др.), Государственных стандартов (ГОСТ Р 51 616−2000, Гост Р 41.51−99 и прочие), благодаря которым требования на уровень шума выпускаемых автотранспортных средств постоянно ужесточаются. Так допустимые уровни шумности автомобилей в России и странах Европы ужесточаются примерно на 3 дБ, А каждые 10 лет. Большинство выпускаемых в настоящее время в России автомобилей разрабатывались под выполнение старых норм шумности, поэтому, для обеспечения постоянно ужесточаемых нормативных требований необходимо введение в устаревшую конструкцию выпускаемых автомобилей новых и высокоэффективных средств борьбы с шумом.

При модернизации и разработке конструкций машин возникает необходимость точно рассчитать шумовые характеристики с тем, чтобы еще в стадии проектирования обеспечить выполнение акустических расчетов машины, технически обосновать и заложить конструктивные мероприятия по уменьшению шума. Такая же задача возникает при форсировании и создании семейства унифицированных двигателей на основе базовых моделей.

В результате многочисленных работ, направленных на снижение шума и вибраций, реализуются мероприятия шумоглушения, которые могут распространяться на формирование процесса сгорания топлива в цилиндрах, на различные способы благоприятных резонансных акустических настроек в системах впуска и выпуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Успешное решение проблемы улучшения акустических характеристик автомобилей требует разработки и введения в арсенал борьбы с шумом новых универсальных методов и методик по расчету и проектированию шумозаглу-шающих устройств еще на стадии проектирования «нового» продукта.

Моделирование процессов шумообразования ДВС, их математическое описание и расчет относятся к наиболее сложным задачам прикладной акустики в теории двигателей. ДВС, как излучатель звуков является весьма сложной колебательной системой, и большинстве случаев обходятся приближенным расчетом звукового давления на основе нескольких известных важнейших характеристик источников звука и звуковых полей.

Основные источники шума легкового автомобиля в настоящее время изучены широким кругом авторов, однако отсутствует четкая методика доводки легкового автомобиля до нужного уровня акустического излучения, которая может являться основой для расчетной методики, предназначенной для конструкционной проработки вариантов исполнения систем и методов заглушения.

В диссертационной работе исследуются наименее изученные проблемы, связанные с разработкой практических и расчетных методов исследования основных источников шума легкового автомобиля. Наибольшее внимание уделяется исследованию влияния мероприятий, направленных на снижение шума каждого отдельно взятого источника шума, раскрывается спектральный состав источников и указывается доля основных составляющих спектра шума.

Теоретические методы базируются на методах статистической акустики применительно к легковому автомобилю малого класса (Ml). Расчетные исследования проведены на основе принятых автором методик (алгоритма) доводки автомобилей и разработанных программ в среде Microsoft Excel.

Кратко основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: создание обобщенного метода доводки легкового автомобиля класса Ml до требуемых норм внешнего и внутреннего шума, и реализация его в виде программы персонального компьютера (ПК).

В период 1999;2004 г. г. автор диссертации принимал участие в доводке автомобилей, выпускаемых ОАО «ИжАвто» под действующие нормы шумно-сти и их сертификации на Центральном автополигоне (г. Дмитров, Научно Исследовательский Центр Испытаний Автомобильной и Мотоциклетной Техники — ГУЛ НИЦИАМТ). Разработанные в ходе доводки автомобилей методологические и теоретические положения внедрены в практику проектирования и применяются в настоящее время при разработке новых и модернизации выпускаемых моделей в ОАО «ИжАвто».

Методика акустического расчета внутреннего и внешнего шума легкового автомобиля должна обеспечивать решение важной прикладной задачипроектирование конкурентно-способной продукции и достаточно точно рассчитать, еще на стадии проектирования, акустические характеристики автомобиля, снизив тем самым объем доводочных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Экспериментально получены спектры (1/3 октавный, узкополосный) внешнего и внутреннего шума модифицированных автомобилей класса Ml и основных источников шума автомобилей для стандартных условий испытаний.

Установлены корреляционные зависимости между уровнем шума впуска, выпуска, корпусного шума двигателя и частотой вращения коленчатого вала двигателя испытанных автомобилей.

2. Экспериментально проведено разделение основных источников внешнего шума исследованных автомобилей, определен процентный вклад основных источников шума до и после доводки автомобилей с обеспечением требований Правил № 51−02 ЕЭК ООН (<74 дБ А).

3. Экспериментально исследована зависимость акустических свойств ряда шумо-вибропоглощающих материалов, применяемых для снижения внутреннего, внешнего шума автомобиля и вибрации, проведена их классификация.

4. На базе статистической теории акустики представлены аналитические зависимости для расчета внешнего и внутреннего шума автомобилей класса Ml, позволяющие оценивать доли звука отдельных источников в общем уровне шума, с использованием характеристик шумо-вибропоглощающих материалов, полученных в лабораторных условиях и спектров шумов основных источников, полученных в стендовых и дорожных условиях. Представленные аналитические зависимости, в отличие от общепринятых, включают оценку во внешнем шуме исследуемого автомобиля: шума впуска, шума коробки переменных передач и шума двигателя, распространяющегося через радиатор.

Практическая полезность заключается в следующем:

1. Получена достоверная информация об основных источниках внешнего и внутреннего шума модифицированных автомобилей класса Ml (АА, АВ, АС) и выработаны рекомендации по снижению их уровня до действующих норм.

2. Получены эмпирические выражения для уровней шума основных источников, что дает конструктору возможность проведения расчетов с целью выбора наилучшего сочетания технико-экономических качеств машины и позволяет значительно сократить затраты времени и ресурсов на доработку (разработку) автомобиля, заменив длительные испытания акустическим расчетом.

3. Предложена последовательность экспериментального выявления основных источников шума автомобиля и доводки их акустических качеств до требуемых норм. На основании проведенных исследований предложена обобщенная (экспериментально-расчетная) методика акустической доводки автомобиля класса Ml.

4. Разработана программа расчетного прогнозирования уровня внешнего шума для доводки автомобилей класса Ml под перспективные требования (Правил № 51 -03 ЕЭК ООН (<71 дБ А)).

Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по теме диссертации и ее основные положения опубликованы в 7 научно-технических статьях, докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Балттехмаш — 2000», г. Калининград, Россия, 2000гна Международной научно-практической конференции, г. Челябинск, Россия, 2002 г.- на IX Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» Владимирский государственный университет — 2003 г.- на Международном семинаре «Информационные технологии в инновационных проектах», г. Ижевск, Россия, 2003 г.

Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ИжГТУ «Тепловые двигатели и установки», а так же в отделе испытаний и доводки механики в Управлении главного конструктора ОАО «ИжАвто».

Разработанные «тотальные» глушители шума впуска и выпуска используются для исследований опытных комплектаций автомобилей, а экспериментальная установка для определения звукоизоляции шумо-виброизоляционных материалов применяется для определения свойств опытных материалов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников, приложений. Общий объем работы 220 страниц, в том числе 88 рисунков, 44 таблицы и 20 страниц приложений.

Список литературы

составляет 93 наименования, в том числе на английском языке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В работе исследованы основные источники возбуждения внешнего и внутреннего шума легковых автомобилей класса Ml на примере автомобилей ИЖ-2126, ИЖ-21 2601(4X4), ВАЗ-2106 и их модификаций. В основу проведенных теоретических и экспериментальных исследований положена экспериментальная методика по выделению шумов различных источников акустического излучения автомобиля и его систем на разгонных режимах в дорожных и стендовых условиях.

2. Разработана экспериментально-расчетная методика доводки легкового автомобиля класса Ml по внешнему и внутреннему шуму, которая основывается на проведенных исследованиях по выявлению основных источников шума автомобиля и их возможного заглушения. Разработаны алгоритмы акустической доводки легковых автомобилей категории Ml.

Принятая методика является обоснованным руководством по доводке легкового автомобиля и его систем по параметрам акустического излучения.

3. Разработана программа расчета внешнего и внутреннего шума легкового автомобиля, которая позволяет прогнозировать возможные мероприятия для обеспечения требуемых норм акустического излучения как внешнего, так и внутреннего шума. Анализ исследований, проведенных на разработанной программе, позволит значительно сократить объем опытно-конструкторских и экспериментальных работ, выбрать наиболее эффективные и дешевые способы снижения шума автомобиля, и тем самым повысить технико-экономические и экологические характеристики автомобиля при неизбежном, но контролируемом повышении цены.

4. Установлено, что двигатель по прежнему является основным источником шума легковых автомобилей категории Ml, однако при испытании по внешнему шуму, на первый план начинает выходить шум наката, достигающий 62% от общего уровня — при испытании на III передаче. В связи с этим, обоснована необходимость комплектации автомобилей шинами с уровнем шума наката не выше 70 дБА.

5. Определен комплекс первоочередных мер по снижению внешнего шума легковых автомобилей класса Ml до действующих и перспективных нормативов шумности, заключающийся в ослаблении шума, излучаемого из пространства моторного отсека: в ослаблении корпусного шума силового агрегата, разработке низкошумных конструкций систем газообмена двигателя — впуска и выпуска, введении дополнительных эффективных шумопоглощающих и шу-моизолирующих элементов непосредственно в мотоотсеке автомобиля.

В качестве обязательных мероприятий указано на необходимость использования низкошумных шин и кондиционных узлов трансмиссии, в частности КПП (не дефектной с точки зрения высокого шумоизлучения на зубцовых частотах зацепления шестерен, особенно на 3-ей передаче).

6. Проведена работа по классификации и выбору современных шумопоглощающих и вибродемпфирующих материалов для использования их с целью снижения внутреннего шума и частичного снижения внешнего шума. По результатам проведенных испытаний предложен эффективный пакет шумо-вибродемпфирования, обеспечивший выполнение законодательных норм по внутреннему шуму автомобилей ИЖ-2126 (Ода), ИЖ-21 261 (Фабула), ИЖ-212 601 (Ода, 4X4) и ИЖ-212 611 (Фабула, 4X4).

7. Предложены эмпирические зависимости для определения уровня шума основных источников — корпусного шума двигателя, шума впуска, шума выпуска в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя при разгоне, согласно методики Правил № 51−02 ЕЭК ООН (ГОСТ Р 41.51 — 99) и ГОСТР 51 616−2000.

8. Проведенные экспериментальные исследования позволили обозначить конструктивные мероприятия, обеспечивающие уровень шума производимого автомобилями ИЖ-2126 (Ода), ИЖ-21 261 (Фабула), ИЖ-212 601 (Ода, 4X4), ИЖ-212 611 (Фабула, 4X4), ВАЗ-2106 и ВАЗ-2104 (производства ОАО «ИжАв-то»), в соответствии с требованиями Европейских и общероссийских норм — Правила ЕЭК ООН № 51−02 (ГОСТ Р 41.51 — 99), ГОСТ Р 51 616−2000.