книги из ГПНТБ / Шасси автомобиля ЗИЛ-130. Практика проектирования, испытаний и доводки

Глава XIV. ШУМ АВТОМОБИЛЯ

Шумовая характеристика автомобиля является важнейшим критерием его конструктивного совершенства, точности изготов­ ления отдельных деталей и качества сборки основных узлов и агрегатов. В автомобиле доминирует шум, возникающий в сис­ темах впуска и выпуска двигателя и так называемые структур­ ные шумы, образующиеся из-за вибраций двигателя, карданных валов, коробки передач, ведущих мостов, кабины, кузова, колес и шин.

Результаты исследовательских и экспериментальных работ показали, что в большинстве случаев уровни внешнего и внут­ реннего шума автомобиля зависят от: эффективности глушителя шума, примененного в системе выпуска двигателя; степени за­ глушения шума, возникающего в системе впуска двигателя; точности изготовления вращающихся деталей и степени сбалан­ сированности двигателя, карданных валов, колес и шин; пра­ вильности подбора упругих характеристик амортизаторов под­ вески силового агрегата и резиновых элементов промежуточной опоры карданных валов; степени вибро- и звукоизоляции каби­ ны автомобиля; качества изготовления зубчатых колес коробок передач и ведущих мостов автомобиля.

Автомобиль может иметь невысокий уровень шума лишь в том случае, если при обосновании выбора конструкции его от­ дельных узлов и агрегатов не пренебрегают требованиями, огра­ ничивающими их уровень шума.

УРОВНИ ВНЕШНЕГО И ВНУТРЕННЕГО ШУМА ПЕРВЫХ ОБРАЗЦОВ АВТОМОБИЛЯ ЗИЛ-130

Измерения внешнего и внутреннего шума автомобилей ЗИЛ-130 производились на всех этапах их испытаний. Замеря­ лись уровни и спектры шума при движении автомобиля на раз­ личных передачах с установившейся скоростью и на режимах разгона, с полной нагрузкой и без груза.

Для измерений шума и вибрации автомобилей и их агрегатов применялась следующая аппаратура: шумомеры типа 2203 и 1400D, измерители уровней и анализаторы типа 2112 и 2107,

351

октавные фильтры типа 1613, анализаторы с постоянной относи­ тельной полосой пропускания типа 1401D и 1401DX, виброметры типа 1433В и 1402С.

При измерениях уровней внешнего шума микрофон устанав­ ливали на расстоянии 7,5 м от осевой линии движения автомоби­ ля на высоте 1,2 м от земли. В кабине автомобиля измеритель­ ный микрофон размещали в середине, на уровне головы води­ теля.

Измерения показали, что при движении автомобиля ЗИЛ-130 по асфальтобетонному шоссе на прямой передаче со скоростями до 75 км/ч уровни внешнего шума могут достигать 85 дБ (А).

ЦЩА)

Рис. 139. Уровни внешнего п внут­ реннего шума LA автомобиля ЗИЛ-ІЗО при движении с устано­ вившейся скоростью ѵя (груз массой 5 т ):

/ — уровни внешнего шума, заме­ ренные на расстоянии 7.5 м от авто­ мобиля при движении с включенной прямой передачей; 2—7 — уровни

шума в кабине, замеренные при дви­ жении автомобиля соответственно на первой, второй, третьей, четвертой и пятой передачах и накатом с выклю­ ченным двигателем

При более высоких скоростях движения, а также при движении

Уровни шума в кабине автомобиля ЗИЛ-130 не превышают 85 дБ (А). При движении автомобиля на третьей, четвертой и пя­ той передачах увеличение скорости на каждые 10 км/ч вызывает повышение уровня шума примерно на 5 дБ (А).

Во время испытаний автомобилей ЗИЛ-130 были отмечены три группы источников шума. Источники первой группы (короб­ ка передач и двигатель) ослаблялись путем повышения точности изготовления отдельных деталей и качества сборки этих агрега­ тов. Для ослабления источников шума второй группы (напри­ мер, насоса гидроусилителя рулевого управления) необходимо было внести некоторые изменения в конструкцию соответствую­ щих агрегатов. Чтобы ослабить источники шума третьей группы (система впуска компрессора и карданные валы), необходимо было провести экспериментальные работы и внести некоторые изменения в конструкцию указанных узлов.

352

ШУМ ДВИГАТЕЛЯ

К основным источникам шума в двигателе следует отнести: колебательные процессы в системах впуска и выпуска; вибрации блока и головок блока цилиндров, картера, крышки распредели­ тельных шестерен, впускного и выпускного трубопроводов; коле­ бательные процессы в вентиляторе, водяном насосе системы ох­ лаждения и в компрессоре тормозной системы автомобиля.

Рис. 140. Спектры шума двигателя ЗИЛ-130:

а — при различной нагрузке и л « 2000 об/мин; б — при различной частоте вращения п и полной нагрузке; 1 — пол* пая нагрузка; 2 — нагрузка 20%; 3 — холостой ход; 4 — п в* 900 об/мин; 5 — а = 2000 об/мин; 6 — п ~ 2800 об/мин

Спектры шума и вибраций двигателя ЗИЛ-130 с высоким уровнем составляющих занимают область частот 25— 10 000 Гц. Уровень шума двигателя зависит в основном от нагрузки и час­ тоты вращения коленчатого вала. При увеличении нагрузки-от нуля до полной уровни составляющих спектров шума и вибрации возрастают на 5—10 дБ (рис. 140, а). Более интенсивно повыша­ ются уровни составляющих спектра в диапазоне частот 100— 2000 Гц. При увеличении частоты вращения коленчатого вала от 900 до 2800 об/мин уровни составляющих шума возрастают на 10—20 дБ (рис. 140, б).

Во время доводки двигателя ЗИЛ-130 исследовался шум, вы­ зываемый работой клапанного механизма. Чтобы оценить шум,

создаваемый только им, в двигателе ЗИЛ-130 был осуществлен автономный привод распределительного вала. Результаты опытов показали, что клапанный механизм двигателя ЗИЛ-130 создает высокочастотный шум с высоким уровнем, особенно при боль­ шой частоте вращения коленчатого вала.

Основной вибрационный импульс, порождающий шум, возни­ кает при посадке клапана в седло, что видно по осциллограмме одноцилиндрового двигателя (рис. 141). Открытие клапана со­ провождается менее сильным вибрационным импульсом.

Рис. 141. Осциллограмма одноцилиндрового двигателя:

/ — осциллограмма вибраций головки цилиндров; 2 — индикаторная диаг­ рамма; I — закрытие выпускного клапана; II — закрытие впускного клапана:

I II — отметка зажигания

Величина зазора в клапанном механизме влияет на уровень высокочастотной области спектра шума двигателя. Если увели­ чить зазор, например, только у одного впускного клапана с 0,45 до 1 мм, то уровень составляющих в спектрах колебательной скорости и шума увеличится в диапазоне частот 5000—12 500 Гц

99. Фазы газораспределения двигателя ЗИЛ-130 при опытных распределительных валах

(в градусах угла поворота коленчатого вала)

354

на 4—5 дБ. При работе впускных клапанов уровень шума на 2—3 дБ выше, чем при работе более легких выпускных клапанов.

Уровень шума двигателя весьма существенно зависит от фаз газораспределения. В двигателе ЗИЛ-130 были испытаны восемь распределительных валов, при которых фазы газораспределения соответствовали приведенным в табл. 99. Было установлено, что двигатель менее шумно работает при наиболее позднем начале

пределенпя необходимо учитывать не только характер изменения крутящего момента двигателя, его мощностные и экономические показатели, но и шумовую характеристику.

Зубчатые передачи привода газораспределительного меха­ низма являются источником шума, спектр которого занимает широкий диапазон частот (400—2500 Гд).

Стук шатунных подшипников обнаруживался по повышению уровня колебательной скорости двигателя в третьоктавной поло­ се со среднегеометрической частотой 315 Гц. Стук поршней вы­ зывает повышение уровня вибрации двигателя в полосах со среднегеометрическими частотами 125 п 250 Гц. Вентилятор сис­ темы охлаждения повышает уровень шума двигателя в зависи­ мости от частоты вращения на 2—4 дБ (А).

Важнейшим фактором в образовании шума автомобиля яв­ ляется остаточная несбалансированность двигателя. В шуме работающего двигателя ЗИЛ-130 несбалансированность прояв­ ляется в виде тональной составляющей с частотой 15—50 Гц в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. При боль­ шом дисбалансе двигателя эта составляющая имеет обычно наи-

больший уровень в спектре его вибраций. По имеющимся дан­ ным пробег хорошо сбалансированных двигателей до ремонта на 25% больше пробега двигателей, не прошедших дополнитель­ ную балансировку.

Как показали эксперименты, при различных дисбалансах двигателя в спектрах шума и вибраций изменяется практически

точность изготовления деталей кривошипно-шатунного механиз­ ма, а не введения в технологический процесс дополнительной балансировки двигателя в сборе.

Вопрос о допускаемом остаточном дисбалансе двигателя весьма сложен. Во всех случаях требуется установить экономи­

сподбором балансировочных средств (станки, стенды, измери­ тельная аппаратура). По рекомендации VDI, допускаемый дис­ баланс двигателя в сборе может быть установлен приближенно

спомощью графика, приведенного на рис. 143. В данном случае

кбалансируемым деталям относят: коленчатый вал, маховик, сцепление, шкив коленчатого вала, шатуны. Для балансируемых деталей с двумя компенсирующими плоскостями на каждую из них относят половину полученного расчетом дисбаланса. При указанных условиях дисбаланс двигателя ЗИЛ-130, у которого

356

масса балансируемых деталей составляет 90 кг, должен быть примерно 450 гс-см. Однако эта расчетная величина несколько завышена. Для двигателей рассматриваемого типа допускаемый дисбаланс должен составлять примерно 300 гс-см.

Решающим фактором при возникновении высокочастотного шума двигателя является материал блока и головок блока ци­ линдров. Детали из чугуна имеют явные преимущества перед алюминиевыми деталями, так как коэффициент затухания у чу­ гуна примерно в 2 раза больше, чем у алюминия. Опыт показал, что в случае перехода от алюминиевых головок блока цилиндров

Рис. 144. Влияние материала головок блока цилиндров на уровень шу­ ма двигателя ЗИЛ-130 (полная нагрузка, п = 3000 об/мин):

1 — алюминиевые головки; 2 — чугунные головки

к чугунным уровень высокочастотной области спектра шума дви­ гателя ЗИЛ-130 понижается примерно на 13 дБ (рис. 144).

К вспомогательному оборудованию, установленному на дви­ гателе и создающему шум, следует отнести компрессор тормоз­ ной системы автомобиля. Шум, возникающий в системе впуска компрессора, проявляется на общем шумовом фоне автомобиля, особенно при малой частоте вращения холостого хода двигателя (табл.100).У

100. Общий уровень шума двигателя ЗИЛ-130 при включенном и выключенном компрессоре тормозной системы

У первых опытных образцов автомобиля ЗИЛ-130 при рабо­ те насоса гидроусилителя рулевого управления наблюдался по­ вышенный шум с тональной составляющей в области частот

357

3000—5000 Гц. После внесения конструктивных изменении в пе­ репускную систему насоса уровень указанной высокочастотной составляющей был понижен с 87 до 71 дБ.

В последние годы для оценки качества изготовления и сбор­ ки машин и механизмов применяется акустический контроль. При этом за основной показатель, с помощью которого оцени­ вается испытуемый механизм, принимается либо уровень шума, либо уровень вибрации. В производственных условиях из-за шу­ мовых помех весьма трудно осуществить проверку агрегатов автомобиля по уровню шума. Практически такая проверка воз­ можна лишь в специальной камере, поэтому более рационален виброконтроль.

Виброконтроль позволяет классифицировать двигатели по уровню вибрации и устанавливать, не прибегая к их разборке, причины некоторых неисправностей. С малой вероятностью оши­ бок регистрируются следующие дефекты: стук поршней; повы­ шенный дисбаланс двигателя в сборе; повышенный шум, созда­ ваемый шестернями привода механизма газораспределения; по­ вышенный шум из-за увеличенного зазора в приводе клапанов; стук в шатунных подшипниках.

В экспериментальной работе, связанной с организацией впброконтроля двигателей ЗИЛ-130, применялся комплект прибо­ ров, в который входят частотный анализатор типа 2112, самопи­ сец уровней типа 2305, микрофон типа 4131, катодный повтори­ тель типа 2613, вибродатчпк типа 4334 и предварительный усилитель типа 1606. Для виброконтроля использовался предель­ ный индикатор уровней типа 2211. Результат контроля опреде­ ляют по сигнальным лампам светового табло, включающимся

вслучае превышения установленного уровня вибрации в одной или нескольких частотных полосах.

Было установлено, что виброконтроль двигателей ЗИЛ-130 целесообразно осуществлять с помощью двенадцати третьоктавных фильтров, среднегеометрическая частота которых приведена

втабл. 101. В ней указаны также допускаемые уровни вибраций и причины, вызывающие превышение установленного уровня.

Источниками образования шума во впускной системе двига­ теля являются:

—вынужденные и собственные колебания давления в потоке воздуха во впускном трубопроводе, возбуждающие низкочастот­ ный и среднечастотный шум;

—препятствия, находящиеся на пути потока воздуха (дрос­ сельная заслонка, жиклеры), при обтекании которых возникает высокочастотный аэродинамический шум;

—высокая скорость перетекания воздуха через клапанную щель, вызывающая так называемый щелевой шум.

Измерения, произведенные с помощью акустического зонда, показали, что уровень звукового давления во впускном трубо­ проводе двигателя ЗИЛ-130 достигает 150 дБ. Поэтому система

358

101. Допускаемые уровни колебательной скорости двигателей ЗИЛ-130

излучателей шума.

В спектре шума впуска наибольший уровень имеют состав­ ляющие, возникающие вследствие вынужденных колебаний. Час­ тоты их равны или кратны числу впусков в секунду.

Частоты собственных колебаний во впускном трубопроводе можно рассчитать по известной формуле для трубы, открытой с одного конца. Частоты составляющих щелевого шума зависят от скорости воздушного потока, размера щели и критерия Струхаля.

Экспериментальным путем установлено, что частота собст­ венных колебаний во впускном трубопроводе двигателя ЗИЛ-130 равна 375 Гц. На этой частоте и возбуждаются при определенных скоростных режимах двигателя резонансные колебания, повы­ шающие уровень одной из гармоник вынужденных колебаний.

Уровень шума, возникающего в системе впуска, как правило, выше уровня других шумов двигателя. С целью заглушения это­ го шума можно применить или реактивный глушитель шума (ка­ мерный или резонаторный), или диссипативный (со звукопогло­ щающей набивкой). Однако не во всех случаях требуется специ­ альный глушитель шума. Если воздухоочиститель имеет относительно большой объем, то достаточно установить на впуске воздуха трубу длиной около 0,3 м, чтобы получился весьма эф­ фективный глушитель шума камерного типа. У таких комбиниро­ ванных воздухоочистителей-глушителей шума входной патрубок целесообразно выполнять в виде насадки Вентури.

3 5 9

На двигателе ЗИЛ-130 были испытаны воздухоочистители двух типов: ВМ-16 и ВПМ-3. По спектрам шума, приведенным на рис. 145, видно, что при воздухоочистителе ВПМ-3 двигатель является менее шумным, чем в случае установки воздухоочисти­ теля ВМ-16. Следовательно, можно сделать вывод, что для сни­ жения уровня шума впуска двигателя целесообразно применять воздухоочистители большого объема или специальное устройст­ во с глушителями шума.

Вынужденные и собственные колебания в системе выпуска двигателя обусловливают наличие в спектре шума ряда тональ-

dS

Рис. 145. Спектры шума двигателя ЗИЛ-130:

/ — с воздухоочистителем ВМ-16; 2 — с воздухоочистителем ВПМ-3

ных составляющих, имеющих весьма высокий уровень особенно при возникновении резонансных колебаний.

Современные шумоизмерительные приборы позволяют с вы­ сокой точностью измерять спектр шума выпуска. Такие спектры и следует принимать в качестве исходных при разработке кон­ струкции системы выпуска с глушителями шума.

ШУМ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ

Шум коробки передач возникает вследствие вынужденных и собственных колебаний ее основных деталей—картера, крыш­ ки, зубчатых колес и валов.

Шум при работе коробки передач зависит от ряда факторов: жесткости картера и валов; точности изготовления отдельных деталей и особенно зубчатых колес: качества сборки коробки передач и качества подшипников. В спектрах шума обнаружи­ ваются, как правило, составляющие, частоты которых равны пли кратны числу сопряжений в секунду зубьев шестерен включен­ ной передачи.

Основные показатели по шуму и вибрациям коробки .передач ЗИЛ-130 были получены на лабораторной установке, состоящей из балансирной машины, вспомогательной коробки передач ЗИЛ-130, примененной в качестве редуктора, гидравлического

360