Практическое занятие №1.
Тема: «Расчёт уровня шума в зоне влияния автомобильных дорог».
Цель: овладение методикой оценки уровня шума автотранспортного потока.
1 Общие положения
Автомобильный двигатель (поршневой ДВС) является сложным источником шума. Его звуковое поле формируется совокупностью акустического излучения ряда независимых источников.
Акустическое излучение ДВС имеет две составляющих – это шумы аэродинамического и структурного происхождения (рисунок 1).
Рисунок 1 – Классификация источников шума двигателя внутреннего сгорания [1]
Аэродинамический шум возникает в результате газообмена двигателя с окружающей средой при впуске и выпуске, а также при взаимодействии лопастей вентилятора с воздухом.
Структурный шум излучается наружными поверхностями деталей двигателя при механических колебаниях его структуры.
Основными источниками шума аэродинамического происхождения являются системы газообмена и охлаждения.
Аэродинамический шум в системе газообмена (рисунок 2) возникает в результате колебания давления и скорости в газовых потоках и объемах. Поэтому система газообмена помимо наполнения ДВС свежим зарядом, подвода газа к турбине турбокомпрессора (ТКР), выпуска отработавших газов (ОГ) и уменьшения их токсичности, должна обеспечивать также снижение шума процессов впуска и выпуска.
1 – воздушный фильтр; 2 – турбокомпрессор; 3 – каталитический нейтрализатор; 4 – сажевый фильтр; 5 – глушитель; 6 – датчик расхода воздуха; 7 – λ-зонд; 8 – датчик температуры отработавших газов; 9 – датчик перепада давления; 10 – охладитель надувочного воздуха; 11 – перепускной клапан; 12 – датчик давления; 13 – датчик давления наддувочного воздуха; 14 – датчик температуры надувочного воздуха; 15 – радиатор; 16 – клапан рециркуляции отработавших газов
Рисунок 2 – Система газообмена дизеля легкового автомобиля [1]
Устройствами, эффективно подавляющими средне- и высокочастотные (выше 600 Гц) составляющие шума, являются воздухоочистители и глушители выпуска (рисунок 3).
Для снижения шума в низкочастотной области спектра увеличивают объем и длину трактов газообмена или применяют во впускной системе специальные глушители. Включение в систему газообмена нейтрализатора ОГ также благоприятно влияет на уменьшение шума выпуска.
Аэродинамический шум в системе охлаждения формируется таким её конструктивным элементом, как вентилятор. Вентиляторы системы охлаждения, особенно на грузовых автомобилях, могут быть источником весьма интенсивного шума, уровень которого близок к уровню шума двигателя [1].
Общий уровень шума вентилятора обусловлен дискретными частотами, кратными частоте вращения вала вентилятора и числу его лопастей [1].
Рисунок 3 – Уровни шума впуска и выпуска двигателя [1]
В двигателях с воздушным охлаждением кроме вентилятора существует дополнительный источник аэродинамического шума – рёбра охлаждения при прохождении через них воздуха.
Структурный шум может возникать [1]:
при колебаниях двигателя как единого целого на упругой подвеске;
в результате колебаний отдельных элементов наружных поверхностей ДВС.
Структурный шум ДВС по сравнению с аэродинамическим является наиболее громким и трудноустранимым. Он определяет шум двигателя в физиологически наиболее неблагоприятных средне- и высокочастотной областях спектра.
Источниками колебаний ДВС на подвеске являются [1]:
неуравновешенные силы инерции;
опрокидывающий момент;
крутильные колебания коленчатого вала;
колебания АТС, на которое установлен ДВС.
Шум, вызываемый колебаниями ДВС на подвеске, наиболее интенсивно проявляется на низких частотах. Уровни этого вида структурного шума определяются типом, расположением и физическими характеристиками упругих элементов подвески. Для современных автомобильных двигателей интенсивность указанного источника не является определяющей и соизмерима с соответствующими гармониками заглушенного впуска. Однако при форсировании двигателей по частоте вращения следует ожидать увеличения шума от колебаний двигателя на подвеске.
Источниками, воздействующими на корпусные детали и вызывающими колебания структуры ДВС с последующим излучением ее наружными поверхностями структурного шума, являются [1]:
импульсы газовых сил при осуществлении рабочего процесса в цилиндрах двигателя (шум от рабочего процесса);
удары в подвижных сочленениях механизмов и систем двигателя (шум от соударений).
Колебания отдельных наружных поверхностей двигателя определяют средне- и высокочастотный структурный шум ДВС.
Источниками шума от соударений в подвижных сочленениях являются [1]:
изменение направления действия сил и импульсное изменение линейной скорости движущихся деталей, что приводит к ударам;
нарушение нормальной работы в сочленениях.
Скорость соударения, и, соответственно, импульс удара, а также отклик конструкции на удар, в основном зависят от [1]:
зазоров между подвижными деталями;
массы движущихся деталей;
ускорения движущихся деталей;
характера изменения давления в цилиндре.
Вибрационные импульсы, возникающие при ударах, вызывают высокочастотные колебания наружных поверхностей двигателя, генерирующие излучение акустической энергии. Краткая характеристика различных конструктивных элементов ДВС с позиции генерирования ими вибрационных импульсов, формирующих структурный шум, приведена в виде таблицы 1
Таблица 1 – Анализ причин и факторов, определяющих структурный шум при функционировании различных конструктивных элементов ДВС
Наименование конструктивного элемента ДВС |
Источники, причины вибрационных импульсов, формирующих структурный шум |
Факторы, определяющие характеристики генерируемого структурного шума |
1 |
2 |
3 |
1 Кривошипно-шатунный механизм |
|
1) направление и величина боковой силы, вызывающей перекладу поршня; 2) величина зазора между поршнем и гильзой цилиндра; 3) износ и дефекты деталей |
2 Механизм газораспределения |
1) неравномерность движения элементов привода распре-делительного вала; 2) удары при работе клапанного узла: - удар клапана при посадке на седло, вызывающий широкополосный шум с частотами до 10 кГц; - удар кулачка о толкатель в момент начала подъема клапана, вызванный выборкой зазора между ними, особенно в конструкциях без его гидравлической компенсации (широкополосный шум с частотами до 5 кГц); - действие сил на опоры распределительного вала, вызванное движением клапана с переменным ускорением, которое определяется профилем кулачка |
1) Тип конструкции привода: а) привод распределительного вала зубчатыми шестернями (характеризуется максимальной шумностью); б) привод распределительного вала роликовой цепью (является менее шумным, чем шестеренчатый); в) привод распределительного вала зубчатым ремнем (является самым малошумным); 2) частота вращения коленчатого и распределительных валов; 3) профиль кулачка распределительного вала и связанное с ним ускорение клапана |
3 Топливоподающая аппаратура (наиболее интенсивные составляющие в спектре шума находятся в диапазоне частот 600...4000 Гц) |
Топливоподающие насосы, насос-форсунки, форсунки: 1) при завершении впрыскивания: а) удар запирающего клапана при посадке на седло под действием силы возвратной пружины (вносит один из основных вкладов в образование шума топливной аппаратуры дизеля); б) удар иглы форсунки о наконечник распылителя; в) осевая вибрация толкателя плунжера; 2) при резком изменении силы в опорах вала топливного насоса |
1) уровень структурного шума из-за вибрации толкателя плунжера определяется: - резким окончанием впрыскивания и понижением давления в надплунжерном пространстве; - быстрым ускорением плунжера под действием толкателя; - вибрацией плунжера, передающейся через толкатель на опоры вала топливного насоса высокого давления; 2) давление впрыскивания |
4 Агрегаты наддува с газотурбинным и механическим приводом |
1) силы инерции, вызванные статическим и динамическим дисбалансом ротора турбокомпрессора, передаются через систему крепления на корпус двигателя (частотный диапазон 1000..3000 Гц); 2) силы давления газа и инерции кривошипно-шатунного механизма, а также перекладки поршня (для поршневых компрессоров); 3) удары зубьев шестерен из-за бокового зазора и неравномерности вращения привода (для шестерёнчатых компрессоров) |
1) высокая частота вращения ротора турбокомпрессора (60…180 тыс. мин–1); 2) податливость выпускной системы двигателя, где закреплён турбокомпрессор, из-за чего частота вращения ротора может совпасть с одной из собственных частот колебаний системы «турбокомпрессор – трубопроводы», что вызовет повышенный шум турбокомпрессора; из-за бокового зазора и неравномерности вращения привода компрессора; 3) величина бокового зазора в зубчатом зацеплении |
5 Тонкостенные корпусы и трубопроводы |
Пульсации давления газа во впускной и выпускной системах двигателя (имеет сплошной спектр в диапазоне 80…500 Гц) |
1) протяженность и жёсткость наружных поверхностей компонентов системы газообмена; 2) наличие демпферов |
6 Вспомогательные агрегаты двигателя: 1) механические агрегаты (масляный и жидкостной насосы, сервоприводы); 2) навесное оборудование |
1) удары в зубчатых зацеплениях, элементах привода и прочих узлах механических агрегатов; 2) вклад навесного оборудования в акустический баланс незначителен |
1) шум проявляется преимущественно на частотах, кратных частотам вращения приводов агрегатов; 2) жесткость опор; 3) качество изготовления элементов зацеплений |
Для выявления доли звучания отдельных источников в общем шумообразовании ДВС обычно применяют метод последовательного исключения источников шума при одновременном измерении частотных спектров. Благодаря этому удаётся оценивать как количественные, так и качественные акустические характеристики источников шума. Результаты исследования этим методом бензинового двигателя ЗИЛ-130 и дизеля ЯМЗ-236 приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Частотное распределение акустического излучения конструктивных элементов двигателей ЯМЗ-236 и ЗИЛ-130 [2]
Источники шума |
ЯМЗ-236 |
ЗИЛ-130 |
||
Уровень шума, дБ |
Область частот, Гц |
Уровень шума, дБ |
Область частот, Гц |
|
Общий уровень шума двигателя |
110…112 |
20…8000 |
103…105 |
20…8000 |
Система впуска: |
|
|
|
|
с воздухоочистителем |
108…110 |
200…500 |
102…104 |
250…800 |
без воздухоочистителя |
112…122 |
200…1000 |
114…116 |
250…1000 |
Выпуск (с глушителем) |
88…90 |
100…1000 |
88…90 |
150…1000 |
Процесс сгорания |
120 |
- |
110 |
- |
Клапанный механизм |
90 |
400…5000 |
90 |
400…5000 |
Вентилятор охлаждения |
100…104 |
250…600 |
100…104 |
300…800 |
Топливный насос |
104…108 |
500…3000 |
- |
- |
Шум от вибрации наружных поверхностей двигателя |
105 |
1000…5000 |
100…102 |
1000…5000 |
Вклад в акустический баланс ДВС и характеристики шума от каждого из перечисленных источников неодинаковы, что определяется следующими факторами [1, 2]:
типом воспламенения топлива: от сжатия или от искры;
способом организации смесеобразования (внешнее или внутреннее) и сгорания;
типом системы охлаждения: жидкостной или воздушной;
мощностными показателями, степенью форсирования;
особенностями конструкции и технологии изготовления как двигателя в целом, так его отдельных узлов и деталей.
ДВС в автомобиле является достаточно мощным, но не единственным источником шума. Акустическое излучение от АТС формируется в результате взаимодействия шин с дорогой, работы двигателя, трансмиссии, ходовой части, аэродинамических особенностей кузова. При эксплуатации автомобиля все указанные источники образуют внешний (оказывающий воздействие на окружающих) и внутренний (оказывающий воздействие непосредственно на водителя и пассажиров) шум.