КОЖУХ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2001 года по МПК F02B77/13 F02F7/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности автомобилестроению, и представляет собой конструкцию шумодемпфирующего декоративного кожуха верхней части двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) транспортного средства (далее ТС).

Для повышения эстетических характеристик подкапотного пространства транспортного средства, т.е. улучшения внешнего вида за счет оригинального дизайна, а так же для целенаправленного изменения термоизоляции отдельных зон подкапотного пространства и обеспечения повышенного звукопоглощения в локальных зонах двигателя с целью обеспечения выполнения стандартов на внешний и внутренний шум транспортного средства и улучшения его потребительских качеств за счет повышения акустического комфорта в кабине (салоне) транспортного средства, широко используются конструкции специальных кожухов, охватывающих верхнюю часть двигателя, выполненных в виде внешней жесткой оболочки (панели) из полимерного материала (полиамид, полипропилен и т.п.) и футерованных изнутри соответствующим пористым (волокнистым, пенистым) звукопоглощающим материалом. Крепление такого кожуха осуществляется к поверхностям соответствующих деталей корпуса двигателя и навесных вспомогательных агрегатов и систем двигателя, которые, как известно, подвержены интенсивным вибрациям в процессе осуществления рабочих процессов, протекающих непосредственно в ДВС. Соответственно, будучи закрепленными к различным зонам корпуса двигателя и/или различным агрегатам двигателя (например, к клапанной крышке, ресиверу, головке цилиндров и пр.), совершающих интенсивные колебательные движения относительно друг друга, отличные по спектральному составу, амплитудному и фазовому соотношению, кожух (несущая оболочка) нагружается соответствующим силовым и кинематическим возбуждением, его стенки совершают интенсивные свободные и вынужденные колебания, изгибные деформации, превращая его (кожух) в колеблющуюся звукоизлучающую диафрагму (оболочку). Особенно опасными являются вибрации оболочки кожуха на резонансных частотах колебаний, когда частоты динамических возбуждений, подводимых к оболочке, совпадают с одной из частот (или кратны одной или нескольким частотам) собственных изгибных колебаний оболочки кожуха, т.к. это ведет к усиленному процессу излучения звука, а в отдельных случаях и к динамическому разрушению конструкции кожуха.

С целью ослабления такого неблагоприятного воздействия на возбуждение структуры кожуха через твердые пути передачи (связи), крепление кожуха к двигателю в большинстве случаев осуществляется с использованием промежуточных упругих виброизолирующих элементов (резинометаллических втулок), которые ослабляют передачу вибрационной энергии, передаваемой с корпуса двигателя (вспомогательных и навесных агрегатов двигателя) на структуру оболочки кожуха, см., например, патент США N 4027644, МПК F 02 B 77/00, 1977 г.

Однако такое конструктивное решение не всегда является достаточно эффективным и обладает рядом существенных недостатков.

Во-первых, применение упругого виброизолированного крепления кожуха ведет наряду с ослаблением передачи на средних и высоких частотах вибрационного возбуждения к непременному низкочастотному резонансу колебательной системы, как твердого тела с упругой связью (массы кожуха, установленной на пружине) с соответствующим усилением излучения низкочастотного звука (шума).

Во-вторых, применение резиновых виброизолирующих втулок кожуха в "горячих" зонах двигателя требует, с одной стороны,применения дорогостоящих термостойких резиновых смесей, а с другой - непременно связано с потерей упругих вибродемпфирующих характеристик резиновых элементов вследствие продолжительного воздействия на них высоких температур в процессе длительной эксплуатации.

Так же имеются аналогичные технические проблемы в условиях эксплуатации транспортного средства при очень низкой температуре окружающей среды. В этом случае упругие и демпфирующие характеристики резиновых элементов так же в существенной мере ухудшаются. Еще в большей степени на долговечность резиновых виброизолирующих втулок оказывают влияние знакопеременные температурные нагрузки, связанные с их периодическим нагревом и охлаждением в процессе эксплуатации.

Прототип изобретения описан в сборнике докладов 31-го Международного симпозиума ISATA, 98 по технологии и автоматизации автомобилестроения, состоявшегося в Германии, Дюссельдорфе, 2...5 июня 1998 г., см. Dr.-Ph. Thome, Rieter Futomotive France SA "Top Engine Cover: A Part of a comprehensive Noise Reduction Sistem", 98 SAP 068, с. 287...297 (прилагается).

В прототипе описан декоративный кожух ДВС, выполняющий функцию глушителя шума верхней части корпуса двигателя, см. фиг. 6...9 и 11. Кожух содержит несущую декоративную панель из жесткого плотного полимерного материала, которая крепится к корпусным деталям ДВС (клапанной крышке и ресиверу) съемными резьбовыми деталями (метизами), и внутренний пористый звукопоглощающий слой из волокнистого или пенистого материала, соединенный с сопрягаемой поверхностью жесткой панели термоадгезивным или липким клеевым соединением (не исключаются и механические держатели пористого звукопоглощающего слоя).

В выбранном прототипе имеют место те же самые проблемы, которые уже были отмечены выше. В частности, звукопоглощающий слой кожуха, не обладая высоким коэффициентом потерь по вибрационному демпфированию структур, практически никак не препятствует возможности возникновения низкочастотных изгибных резонансов упруго смонтированной жесткой структуры оболочки кожуха, с соответствующим генерированием этой структурой низкочастотного звука.

Техническая задача в предлагаемом устройстве решается путем замены виброизолирующих упругих опорных связей кожуха на локально смонтированные на его внутренней поверхности вибродемпфирующие панели, геометрические параметры и физико-механические характеристики которых подобраны определенным образом.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном кожухе двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащем несущую декоративную панель из жесткого плотного полимерного материала, которая снабжена опорами под съемные резьбовые элементы крепления кожуха к корпусным деталям двигателя, и размещенный внутри панели пористый звукопоглощающий слой из волокнистого или пенистого материала, названный кожух снабжен по крайней мере одной прокладкой из плотного вязкоупругого вибродемпфирующего материала, адгезионно (с применением липкого клеящего вещества) смонтированной на внутренней поверхности несущей декоративной панели, внутри проекции на горизонтальную плоскость многоугольника, образованного пересечением вертикальных плоскостей, проходящих через оси смежных опор под съемные резьбовые элементы, при этом прокладка смонтирована в зоне максимальных амплитуд виброперемещений этой зоны панели, а площадь демпфирующей прокладки составляет не менее 10% от площади этой части панели. Соотношение толщин пористого звукопоглощающего слоя и прокладки ≥ 5 (т.е. она является достаточно тонкой и соответственно компактной), а коэффициент потерь материала прокладки μ ≥ 0,1, что указывает на достаточно высокое демпфирование материала прокладки. По крайней мере одна из консольных частей панели, отсекаемой вышеуказанными вертикальными плоскостями и примыкающей к соответствующей вертикальной плоскости, снабжена аналогичной прокладкой, по крайней мере частично перекрывающей центральную зону соответствующей консольной части панели.

Наружная поверхность пористого звукопоглощающего слоя, обращенная к корпусу двигателя, может быть облицована тонкой звукопрозрачной защитной пленкой (например, тонкой звукопрозрачной алюминизированной фольгой), предохраняющей звукопоглощающий элемент (имеющий невысокую механическую прочность) от попадания в его поры (волокна) пыли, масла, паров бензина, картерных газов и пр.

При таком конструктивном исполнении достигается эффективное воздействие на наиболее динамически податливые и поэтому наиболее легко возбудимые и переизлучающие структурный шум локальные зоны стенок декоративной панели. С другой стороны, применение демпфирующей прокладки внутри ограниченного пространства замкнутого многоугольника, ограниченного вертикальными плоскостями, проходящими через оси смежных опор под съемные резьбовые соединения, относится к воздействию на наиболее активную зону излучателя, как наиболее удаленную от свободных краев (периферии) кожуха, которые излучают звук при прочих равных условиях относительно более слабо. Через эти свободные периферические края происходит в процессе колебаний быстрое перетекание среды (воздуха) и поля звуковых давлений по обеим сторонам (лицевой и тыльной) вибрирующей оболочки формируются относительно слабо. Т.е. в этой периферической зоне имеется в наличии процесс короткого акустического замыкания, характеризующийся слабым излучением в окружающую среду. В это же время, чем дальше вибрирующая зона оболочки удалена от периферии к центру, тем слабее проявляется эффект короткого акустического замыкания, тем больше звуковой энергии она будет излучать (при прочих равных условиях - равных амплитуд колебаний, форм колебаний поршневого типа и т.п.). В связи с этим эта зона нуждается (дополнительно к уже описанному явлению максимальных амплитуд вибраций этой зоны) в демпфировании колебаний - как наиболее шумоактивная. В конечном счете удается получить недорогой, облегченный, надежный и долговечный кожух, обладающий высокой акустической эффективностью (высокой звукоизоляцией).

На фиг. 1 показан кожух, вид со стороны верхней части двигателя (пористый звукопоглощающий слой условно не показан).

На фиг. 2 показано сечение A-A по фиг. 1.

На фиг. 3 показано сечение E-E по фиг. 1.

На фиг. 4 показана характеристика общих уровней шума, замеренных над верхним кожухом двигателя, установленном в моторном испытательном стенде. Режим работы двигателя - полная нагрузка, n = 1000...6000 об/мин. Двигатель ВАЗ, 4- цилиндровый, 16-клапанный, с распределенным впрыском топлива.

На фиг. 5 показан 1/3 октавный спектр уровней звука, замеренных над верхним кожухом двигателя ВАЗ, рабочим объемом 1,5 л, 4-цилиндрового, 16-клапанного, с распределенным впрыском топлива. Режим работы двигателя - полная нагрузка, n = 3500 об/мин.

На фиг. 6 показан 1/3 октавный спектр уровней внешнего шума легкового автомобиля ВАЗ на режиме интенсивного разгона на 2-й передаче со скорости 50 км/ч по методике ГОСТ 27436-87, измерительный микрофон в 7,5 м слева от продольной оси автомобиля.

Кожух, показанный на фиг. 1, содержит несущую декоративную панель 1 из жесткого плотного полимерного материала, которая снабжена опорами 2 под съемные резьбовые элементы (шпильки, болты и пр. - не показаны) крепления кожуха к корпусным деталям двигателя (головке цилиндров, ресиверу и пр. - не показаны) и размещенный внутри панели 1 пористый звукопоглощающий элемент - слой 3 из волокнистого или пенистого материала. Кожух снабжен по крайней мере одной прокладкой 4 из плотного вязкоупругого шумовибродемпфирующего материала, адгезионно (например, с применением липкого клеящего вещества) смонтированной на внутренней поверхности несущей декоративной панели 1, внутри проекции на горизонтальную плоскость многоугольника АБСД, образованного пересечением вертикальных плоскостей X-X и Y-Y, V-V и W-W, проходящих через оси смежных опор 2 под съемные резьбовые элементы, при этом прокладка 4 смонтирована в зоне максимальных амплитуд виброперемещений этой зоны панели, а площадь прокладки 4 составляет не менее 10% от площади этой ограниченной части панели. Соотношение толщин h и h1 соответственно пористого звукопоглощающего слоя и прокладки ≥ 5, а коэффициент потерь материала демпфирующей прокладки μ ≥ 0,1. По крайней мере одна из консольных частей 5 или 6 панели 1, примыкающей к соответствующей вертикальной плоскости, соответственно X-X или Y-Y, может быть снабжена аналогичной демпфирующей прокладкой, соответственно 7 и 8, по крайней мере частично перекрывающей центральную зону соответствующей консольной части 5 или 6 панели 1.

Наружная поверхность пористого звукопоглощающего слоя может быть облицована тонкой звукопрозрачной защитной пленкой 9 (например, алюминизированной звукопрозрачной фольгой), предохраняющей звукопоглощающий элемент 3 (имеющий невысокую механическую прочность) от попадания в его поры (волокна) пыли, масла, паров бензина, картерных газов и пр.

Дополнительно на фиг. 1 позицией 10 показано технологическое отверстие в кожухе под маслозаливную горловину системы смазки ДВС.

Динамика процессов, происходящих в заявляемом устройстве, осуществляется следующим образом.

Как уже было отмечено выше, крепление декоративного кожуха осуществляется к поверхностям соответствующих деталей корпуса двигателя и навесных вспомогательных агрегатов и систем двигателя, которые, как известно, подвержены интенсивным вибрациям в процессе осуществления рабочих процессов, протекающих непосредственно в ДВС. Соответственно, будучи закрепленными к различным зонам корпуса двигателя и/или различным агрегатам двигателя (например, к клапанной крышке, ресиверу, головке цилиндров и пр.), совершающих интенсивные колебательные движения относительно друг друга, отличные по спектральному составу, амплитудному и фазовому соотношению, кожух (несущая оболочка) нагружается соответствующим силовым и кинематическим возбуждением, его стенки совершают интенсивные свободные и вынужденные колебания, изгибные деформации, превращая его (кожух) в колеблющуюся звукоизлучающую диафрагму (оболочку). Особенно опасными являются вибрации оболочки кожуха на резонансных частотах колебаний, когда частоты динамических возбуждений, подводимых к оболочке, совпадают с одной из частот (или кратны одной или нескольким частотам) собственных изгибных колебаний оболочки кожуха, т.к. это ведет к усиленному процессу излучения звука в окружающую среду, а в отдельных случаях и к динамическому разрушению конструкции кожуха. Зоны пучностей низших собственных мод колебаний на резонансных режимах, определяющих максимальные вклады в излучение звука локальными поверхностями гибкой диафрагмы (панели кожуха), располагаются внутри проекции на горизонтальную плоскость многоугольника АБСД, образованного пересечением вертикальных плоскостей X-X, Y-Y, Y-Y, W-W, проходящих через оси смежных опор 2 под съемные резьбовые элементы. Поэтому и предлагается одну из прокладок 4, выполненную из плотного вязкоупругого шумовибродемпфирующего материала, адгезионно смонтировать на внутренней поверхности панели 1, в зоне максимальных амплитуд виброперемещений этой зоны панели, причем площадь прокладки 4 должна составлять не менее 10% от площади этой части панели, ограниченной многоугольником АБСД.

Для демпфирования структурных вибраций консольных частей 5 или 6 панели 1 кожуха предлагается на внутренней поверхности этих консольных частей 5 или 6 панели адгезионно смонтировать аналогичные прокладки, 7 и 8, которые по крайней мере частично перекрывают центральную зону соответствующей консольной части 5 или 6 панели 1.

Таким образом, энергия вибраций оболочки (панели 1) кожуха в значительной степени расходуется на микродеформацию плотного вязкоупругого шумовибродемпфирующего материала прокладок 4, 7 и 8, адгезионно связанного со структурой оболочки кожуха, преобразуясь при этом в тепловую энергию.

Высокая эффективность применения названных прокладок 4, 7 и 8 подтверждается проведенными экспериментами.

Эффективность использования верхнего кожуха для снижения шума рядного 4-цилиндрового 16-клапанного двигателя ВАЗ рабочим объемом 1,5 л с электронным распределенным впрыском топлива иллюстрируется результатами измерений уровня шума двигателя в ближнем акустическом поле (в 0,1 м от поверхности кожуха), представленными на фиг. 4 и 5. Как видно из представленных графических материалов, применение кожуха с дополнительным оптимизированным вибродемпфированием его структуры позволяет уменьшить общие уровни шума двигателя на режимах полной нагрузки в зоне над кожухом до 2,5 дБ, начиная с оборотов 2500 об/мин и выше, фиг. 4.

Снижение общих уровней шума двигателя обусловлено подавлением звукового излучения в широком частотном диапазоне (как следует, например, из фиг. 5 при работе двигателя с полной нагрузкой 3500 об/мин - практически во всем контролируемом частотном диапазоне). Особо следует выделить низкочастотный звуковой диапазон до 500 Гц, эффективность подавления шума в котором обусловлена демпфированием колебаний оболочки (панели) кожуха (как звукоизлучающей диафрагмы) и в котором (низкочастотном диапазоне) применение звукопоглощающих материалов неэффективно (пористые и волокнистые материалы толщиной слоя менее 30 мм обеспечивают заметное поглощение звуковой энергии в высокочастотной области звукового спектра, начиная с 500 Гц и выше).

Графические материалы, представленные на фиг. 6, подтверждают эффективность применения кожуха ДВС с вибродемпфированной панелью 1, установленного на автомобиле ВАЗ-21103. Как следует из представленных результатов измерений, выполненных по методике ГОСТ 27436-87 (правила N 51-02 ЕЭК ООН и Директивы 96/20 ЕС) - режиме интенсивного разгона на 2-й и 3-й передачах со скорости 50 км/ч - в спектре внешнего шума автомобиля в 7,5 м от его продольной оси зарегистрировано уменьшение звукового излучения как в низкочастотном диапазоне (на частотах до 500 Гц), так и в высокочастотном диапазоне (свыше 500 Гц).

Прокладки 4, 7 и 8 представляют собой легкое, компактное и высокоэффективное шумовибродемпфирующее изделие, поскольку их геометрические параметры и физико-механические свойства материала целенаправленно оптимизированы.

Со стороны двигателя пакет прокладок 4, 7, 8 и пористого звукопоглощающего слоя 3 из волокнистого или пенистого материала, составляющих структуру кожуха, надежно защищен от неблагоприятного влияния внешней среды тонкой звукопрозрачной алюминизированной фольгой 9.

Кожух содержит несущую декоративную панель из жесткого плотного полимерного материала, которая снабжена опорами под съемные резьбовые элементы (шпильки, болты и пр. ) крепления кожуха к корпусным деталям двигателя (головке цилиндров, ресиверу и пр.), и размещенный внутри панели пористый звукопоглощающий элемент - слой из волокнистого или пенистого материала. Кожух снабжен по крайней мере одной прокладкой из плотного вязкоупругого шумовибродемпфирующего материала, адгезионно (например, с применением липкого клеящего вещества) смонтированной на внутренней поверхности несущей декоративной панели, внутри проекции на горизонтальную плоскость многоугольника АБСД, образованного пересечением вертикальных плоскостей Х-Х и Y-Y, V-V и W-W, проходящих через оси смежных опор под съемные резьбовые элементы, при этом прокладка смонтирована в зоне максимальных амплитуд виброперемещений этой зоны панели, а площадь прокладки составляет не менее 10% от площади этой ограниченной части панели. Соотношение толщины h и h1 соответственно пористого звукопоглощающего слоя и прокладки ≥ 5, а коэффициент потерь материала демпфирующей прокладки μ ≥ 0,1. По крайней мере одна из консольных частей панели, примыкающей к соответствующей вертикальной плоскости, соответственно Х-Х и Y-Y может быть снабжена аналогичной демпфирующей прокладкой, по крайней мере частично перекрывающей центральную зону соответствующей консольной части или панели. Наружная поверхность пористого звукопоглощающего слоя может быть облицована тонкой звукопрозрачной защитной пленкой, предохраняющей звукопоглощающий элемент от попадания в его поры (волокна) пыли, масла, паров бензина, картерных газов и пр. Изобретение позволяет снизить уровень шума. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Кожух двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащий несущую декоративную панель из жесткого плотного полимерного материала, которая снабжена опорами под съемные резьбовые элементы крепления кожуха к корпусным деталям двигателя и размещенный внутри панели пористый звукопоглощающий слой из волокнистого или пенистого материала, отличающийся тем, что кожух снабжен по крайней мере одной прокладкой из плотного вязкоупругого шумовибродемпфирующего материала, адгезионно смонтированной на внутренней поверхности несущей декоративной панели и расположенной внутри проекции на горизонтальную плоскость многоугольника, образованного пересечением вертикальных плоскостей, проходящих через оси смежных опор под съемные резьбовые элементы, при этом прокладка смонтирована в зоне максимальных амплитуд виброперемещений этой зоны панели, а площадь прокладки составляет не менее 10% от площади этой части панели. 2. Кожух по п.1, отличающийся тем, что соотношение толщин пористого звукопоглощающего слоя и прокладки ≥ 5, а коэффициент потерь материала прокладки μ ≥ 0,1. 3. Кожух по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что по крайней мере одна из консольных частей панели, примыкающая к одной из соответствующих вертикальных плоскостей, снабжена аналогичной прокладкой, по крайней мере частично перекрывающей центральную зону соответствующей консольной части или панели. 4. Кожух по пп.1 - 3, отличающийся тем, что наружная поверхность пористого звукопоглощающего слоя облицована тонкой звукопрозрачной защитной пленкой (например, тонкой звукопрозрачной алюминизированной фольгой).