КРЫШКА ГОЛОВКИ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B77/13 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к крышке головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания и ее конструктивным исполнениям.

Известно техническое решение, направленное на снижение уровня шума, излучаемого крышкой головки цилиндра (заявка Японии N 63-147927 (53) МКИ⁴ F 02 F 7/00, публ. 20.06.88), которое достигается установкой звукоизолирующего чехла из резинового листа на поверхность крышки, обращенной к головке цилиндра. Недостатком устройства является его слабая демпфирующая способность и, в особенности, недостаточная эффективность в высокочастотной области, являющейся превалирующей в спектрах излучения ДВС.

Известно техническое решение, направленное на снижение звукоизлучения крышки головки цилиндров ф. "Klockener- Humbolat-Deutz AG", Германия (см. доклад SAE N 925014 "The acoustic concept of a modern Dl diesel engine family", копия прилагается), в котором крышка головки цилиндров представлена в виде жесткой выпукло-вогнутой оболочки с развитыми внутренними продольно-диагональными ребрами жесткости, пространственно замкнутыми на внешнюю стенку, и зоны крепления крышки к головке цилиндров. Такую конструкцию отличает высокая изгибная жесткость стенок с низким излучением низкочастотного звука. Однако, наряду с высокой материалоемкостью, конструкция крышки отличается повышенной возбудимостью и излучением звука в высокочастотной области спектра. При этом структура повышенной изгибной жесткости демпфируется более слабо классическими вибродемпфирующими покрытиями (ламинатом) и излучает высокочастотный звук на поршневых акустических модах достаточно сильно. Эти указанные выше конструктивные особенности и являются существенными недостатками противопоставленного технического решения.

Известен по А.С. СССР N 1288322, кл. F 02 B 77/13 звукоизолирующий кожух крышки головки цилиндров, установленный сверху на крышку и предназначенный для снижения ее шума, в котором, в качестве элемента крепления кожуха к крышке головки цилиндров, используется крышка маслозаливной горловины, а между внешней оболочкой кожуха и поверхностью стенки крышки головки цилиндров размещен слой звукопоглощающего материала. Недостатком такой конструкции шумопонижающего устройства является существенное увеличение стоимости, сложность компоновки кожуха в стесненном пространстве моторного отсека. Аналогичное техническое решение применено фирмой "lsuzy motors Ltd.", Япония, для дизельного двигателя с непосредственным впрыском рабочим объемом 3,25 л (см. SAE Tech.Pap.Set. N 820032, копия прилагается).

Заявка Японии N 62-189355 (51), МКИ⁴ F 02 F 7/00, дата подачи заявки 19.08.87 г., предусматривает такую конструкцию крышки головки блока, структура стенок которой представляет собой расположенные рядами отдельные плоские поверхности, которые вибрируют и излучают звук в противофазе к остальной части крышки, что и приводит к снижению шума и вибраций двигателя. Недостатком данной конструкции является отсутствие действенного механизма необратимого преобразования механической энергии колебаний крышки в тепловую, в широком частотном диапазоне, т.е. демпфирование колебаний и звука в данной конструкции осуществляется только на дискретных частотах. Это означает, что эффективность снижения уровней вибраций такой конструкции может быть заметной только на отдельных частотах, на которых происходит противофазная интерференционная взаимная компенсация полей давлений, в то время как реальный спектр звукоизлучения крышки головки блока является широкополосным.

В качестве прототипа может быть выбрано техническое решение по патенту Франции N 2201717, кл. F 02 B 77/00, публ. 1974, из которого известна крышка головки цилиндров ДВС со смонтированным на ней шумовибродемпфирующим узлом, состоящим из вязкоупругой демпфирующей прокладки и ограниченной армирующей пластины, причем материал прокладки адгезионно связывает вибрирующую стенку крышки и ограниченную пластину.

Такое конструктивное решение направлено преимущественно на поглощение звуковой энергии, генерируемой непосредственно клапанным механизмом ДВС (от соударений в процессе работы кулачков, толкателей, коромысел, рычагов и т.д. ). При этом стенка крышки головки цилиндров, вибрационно возбуждаемая периферической монтажной зоной с головкой цилиндров, будет являться интенсивным излучателем структурного звука как опертая на вибрирующую поверхность звукоизлучательная диафрагма (оболочка). Демпфирующий стенку крышки эффект от закрепленного звукопоглощающего материала является при этом незначительным, так как отсутствует контактная (адгезионная) взаимосвязь изгибно колеблющихся стенок крышки и звукопоглощающего материала (причем не вибродемпфирующего).

Решение технической задачи согласно предлагаемому изобретению подразумевает повысить эффективность демпфирования колебаний и ослабление звукоизлучения крышки головки блока цилиндров ДВС, преимущественно в средне- и высокочастотной области (выше 400 Гц), являющейся характерной для излучателей звука типа крышек ДВС за счет реализации механизма эффективного преобразования указанной средне- и высокочастотной колебательной энергии в тепловую.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной крышке головки цилиндров ДВС со смонтированным на ней шумовибродемпфирующим узлом, состоящим из вязкоупругой демпфирующей прокладки и ограниченной армирующей пластины, причем материал прокладки адгезионно связывает стенку крышки и ограниченную армирующую пластину, соотношение модуля упругости - E -, плотности - ρ - и толщины - h - материала вязкоупругой демпфирующей прокладки определяется выражением:

Вязкоупругая демпфирующая прокладка может быть размещена в зоне между армирующей ограниченной пластиной и поверхностью крышки в виде нескольких дискретных прокладок. Шумовибродемпфирующий узел может быть размещен на поверхности крышки в виде нескольких автономных элементов. Сечение ограниченной армирующей пластины может быть выполнено в виде гофра. В ограниченной армирующей пластине могут быть выполнены отверстия перфорации. Дискретные прокладки шумовибродемпфирующего узла могут быть выполнены из различных материалов с отличающимися параметрами "E" и "ρ".
Сущность изобретения поясняется на чертежах:
- на фиг.1 показана конструкция крышки головки блока цилиндров с устройством шумовибродемпфирования;
- на фиг. 2 показан характерный спектр шума, излучаемого штатной крышкой головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания;
- на фиг. 3 показано сечение стенки крышки головки блока цилиндров в зоне установки шумовибродемпфирующего устройства;
- на фиг. 4 показана частотная зависимость коэффициента потерь устройства шумовибродемпфирования крышки головки цилиндров ДВС;
- на фиг. 5, 6 и 7 показаны варианты конструктивного исполнения заявляемого устройства, которые охарактеризованы соответственно п.3, п.4 и п.5 формулы изобретения.

Крышка головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания, фиг. 1, закреплена с помощью резьбовых соединений на головке цилиндров 1 ДВС и содержит собственно крышку 2, ограниченную вязкоупругую демпфирующую прокладку 3 и ограниченную армирующую пластину 4. На фиг. 2 показан характерный спектр шума, излучаемый крышкой головки цилиндров. Из фиг. 2 видно, что основная доля звуковой энергии сосредоточена в средне- и высокочастотной области звукового спектра (выше 400 Гц). В то же время в спектре излучения присутствует и интенсивная низкочастотная гармоника на частоте 200 Гц.

Суть предлагаемого технического решения состоит в реализации широкополостной шумопонижающей конструкции, обеспечивающей подавление амплитуды колебаний в низкочастотной области преимущественно за счет введения армирующего ужесточающего элемента и демпфирование колебаний и шума в средне- и высокочастотной области (выше 400) за счет создания эффективного механизма необратимого преобразования механической колебательной энергии в тепловую.

По основным составным элементам предлагаемая шумопонижающая конструкция (фиг. 3) не отличается от классической конструкции, содержащей вибродемпфирующий материал с армирующим слоем, и включает панель (стенку крышки 2), колебания которой должны быть задемпфированы, ограниченную, вязкоупругую демпфирующую прокладку 3 и армирующую ограниченную панель 4. Основным отличием данной конструкции является использование вязкоупругого демпфирующего материала прокладки 3, имеющего модуль упругости, плотность и толщину, преднамеренно заданные для конкретной конструкции и адгезионно-связывающего, вибрирующую стенку крышки и ограниченную жесткую пластину (ребро).

Механизм реализации эффективного демпфирования средне- и высокочастотных колебаний и шума в данной конструкции следующий. Если в механической структуре, показанной на фиг. 3, содержащей металлический лист, вязкоупругий демпфирующий слой и ужесточающий армирующий элемент в низкочастотной области реализуется преимущественно механизм демпфирования изгибно-колеблющейся трехслойной конструкции типа сэндвич: пластина - вязкоупругий материал - жесткий усилитель, причем необратимое преобразование энергии колебаний в тепловую энергию происходит за счет сдвиговых деформаций вязкоупругого слоя в процессе изгибных колебаний трехслойной структуры, то предлагаемая конструкция шумовибродемпфирования реализует другой механизм демпфирования, основанный на реализации преимущественно средне- и высокочастотных деформаций "растяжение-сжатие" вязкоупругого демпфирующего слоя. Изгибно-колеблющаяся пластина возбуждает при этом колебания и соответствующие упругие деформации "растяжение-сжатие" демпфирующего слоя материала, по структуре которого в направлении его толщины распространяются соответствующие упругие волны. За счет внутренних (молекулярных) потерь в структуре вязкоупругого демпфирующего материала, после многократных отражений волн от жестких структур стенки крышки и армирующего элемента, происходит необратимое преобразование колебательной энергии элементов такого механического узла в тепловую энергию, рассеиваемую в структуре вязкоупругого демпфирующего слоя. Величина таких необратимых потерь зависит от скорости (с_р) распространения поперечной волны в материале, которая определяется по формуле

где E - модуль упругости демпфирующего материала, ρ - плотность материала. Частотная зависимость коэффициента потерь (η) для конструкции, использующей данный принцип демпфирования колебаний. представлена на фиг. 4. Резонансная частота f_r, на которой коэффициент потерь имеет максимальное значение, определяется при условии равенства толщины материала (h) 1/4 длины распространяемой в ней поперечной волны λ:

и, следовательно,

Для эффективного демпфирования колебаний и подавления звукоизлучения панелей, типа стенок крышек ДВС, в частотной области выше 600 Гц (см. фиг.2), в такой конструкции узла предлагается выдерживать такое соотношение значений модуля упругости, плотности и толщины материла (параметров E, ρ и h) таким образом, чтобы резонансная частота, определяемая по формуле (2), лежала в пределах 600 - 800 Гц. Далее, преобразовывая формулу (2) с учетом f_r = 600.. .800 сек^-1, имеем:

с учетом

имеем

или

В случае выполнения соотношения (3) реальные значения добротностей резонансов такой механической колебательной системы перекроют без заметных провалов требуемый частотный диапазон начиная с 400 Гц и обеспечат наиболее эффективное демпфирование средне- и высокочастотного звукового излучения крышки головки цилиндров, решая, таким образом, актуальную проблему улучшения виброакустических качеств автотранспортных средств и уменьшения акустического загрязнения окружающей среды. С другой стороны, в сравнении с нерезонансным демпфированием, максимальное рассеивание механической колебательной энергии на частотах, соответствующих максимальным амплитудам деформаций вязкоупругого слоя, обусловлено реализацией большей механической работы, преобразуемой необратимо в теплоту. В то же время преднамеренное демпфирование колебаний конструкции (крышки головки блока цилиндров) именно в высокочастотной области позволяет увеличить потери в такой механической колебательной системе (по сравнению с низкочастотной областью спектра) также и за счет большей работы, совершаемой в такой высокочастотной системе (благодаря большому числу колебаний за единицу времени).

В случае, если для необходимой демпфирующей эффективности достаточно введение демпфирующей конструкции только на части поверхности крышки головки цилиндров (наиболее шумоактивной), то такое ограниченное введение оправдано и с точки зрения экономии материала.

Для сохранения заданной шумовибродемпфирующей эффективности из компоновочных, технологических и экономических соображений, шумовибропоглощающая конструкция может быть выполнена не в виде одной ограниченной накладки, а нескольких отдельных соответственно распределенных по поверхности единичного ужесточающего ребра и стенки крышки головки блока цилиндров, как это, например, показано на фиг. 5.

Для более гибкого управления демпфирующими характеристиками устройства, оно может содержать несколько вязкоупругих вибродемпфирующих прокладок из различных материалов, с отличающимися параметрами E и ρ. В качестве материалов вязкоупругой демпфирующей прокладки могут быть: пластифицированный поливинилхлорид, нитрильный каучук, бутил каучук, низкомолекулярная эпоксидная смола с полиэфирным пластификатором и прочее.

Для увеличения ужесточающего эффекта и, соответственно, повышения шумоподавляющей эффективности конструкции в низкочастотной области, конструкция ребра может быть выполнена в виде гофра, причем эффект демпфирования в средне- и высокочастотной области будет достигаться за счет толщины h вязкоупругой прокладки в центральной части ребра (в том числе и различной), как это показано на фиг. 6.

В зависимости от конкретной конструкции ужесточающей ограничивающей пластины (ее размеров, толщины стенок, геометрии), для исключения возможного усиленного звукоизлучения ужесточающим ребром, в нем могут быть выполнены перфорированные отверстия 5, как это показано на фиг. 7, выполняющие полезную роль разгрузочных отверстий, создающих эффект короткого акустического замыкания, выравнивающего (компенсирующего) поля давлений по обеим сторонам стенки колеблющегося ребра.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к корпусным деталям. Решение технической задачи позволяет обеспечить слабое излучение шума вибрирующими стенками крышки головки цилиндров, в особенности применительно к тонкостенной штампованной из листовой стали конструкции крышки. В крышке головки цилиндров ДВС со смонтированным на ней шумофибродемпфирующим узлом, состоящим из вязкоупругой демпфирующей прокладки и ограниченной армирующей пластины, материал прокладки адгезионно связывает стенку крышки и ограниченную армирующую пластину. Новым является то, что определенным образом подбирается материал вязкоупругой демпфирующей прокладки, а также его параметры - толщина, плотность и модуль упругости, что позволяет обеспечить эффективное подавление структурного звука крышки в заданном частотном диапазоне. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Крышка головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания со смонтированным на ней шумовибродемпфирующим узлом, состоящим из вязкоупругой демпфирующей прокладки и ограниченной армирующей пластины, причем материал прокладки адгезионно связывает стенку крышки и ограниченную армирующую пластину, отличающаяся тем, что соотношение модуля упругости E, плотности ρ и толщины h материала вязкоупругой демпфирующей прокладки определяется выражением

2. Крышка по п.1, отличающаяся тем, что вязкоупругая демпфирующая прокладка размещена в зоне между армирующей ограниченной пластиной и поверхностью крышки в виде нескольких дискретных прокладок. 3. Крышка по п. 1, отличающаяся тем, что шумовибродемпфирующий узел размещен на поверхности крышки в виде нескольких автономных элементов. 4. Крышка по п.1, отличающаяся тем, что сечение ограниченной армирующей пластины выполнено в виде гофра. 5. Крышка по п. 4, отличающаяся тем, что в ограниченной армирующей пластине выполнены отверстия перфорации. 6. Крышка по п.2, отличающаяся тем, что дискретные прокладки шумовибродемпфирующего узла выполнены из различных материалов с отличающимися параметрами E и ρ.