ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО Российский патент 2003 года по МПК B60R13/04 B60J5/04 

Изобретение относится к транспортным средствам, в частности автомобилестроению, и имеет отношение к кузовным элементам, конкретно к дверям кузовов легковых автомобилей и кабин грузовиков.

В современных транспортных средствах типа легковых и грузовых автомобилей акустический комфорт является одним из определяющих потребительских свойств. В качестве составляющих критериев акустического комфорта в салоне (кабине) автомобиля является степень звукового (шумового) раздражения потребителя от процесса закрывания дверей автомобиля и степень паразитного искажения звуковых музыкальных сигналов, воспроизводимых акустическими автомобильными аудиосистемами, смонтированными в полостях дверей автомобилей между лицевой и внутренней панелями, что, как правило, вызывает дополнительное собственное звучание непосредственно панелей кузова, возбужденных звуковым излучением от диффузоров громкоговорителей и структурным вибрационным возбуждением, вызванным непосредственно работой акустических систем и вибрации панели при движении транспортного средства в процессе его эксплуатации.

Известны транспортные средства, в частности легковые автомобили, двери которых, смонтированные на кузове, содержат декоративно-защитные молдинги, смонтированные на внешней (лицевой) стороне внешней панели двери. Такие молдинги изготавливаются из различных полимерных материалов типа синтетической смолы, винилхлорида, найлона, материала EVA, полипропиленового эластомера, полихлорвинила, поливинилхлорида, полиамида, резины, мелкоячеистого полиуретана со стекловолокном и др., см., например, патенты: РСТ (WO) 93/01954, кл. B 60 R 13/04, 1993; Японии (JP) B 63-53043, кл. B 60 J 5/04, 1988; США 4869937, кл. B 60 R 13/04, 1989; Японии (JP) А2 5-16740, кл. B 60 R 13/04, 1993; Великобритании (GB) 2245225, кл. B 60 R 13/00, 1992; Японии (JP) A2 5-16739, кл. B 60 R 13/04, 1993; Японии (JP) A2 5-16742, кл. B 60 R 13/04 1993; Японии (JP) 5-16738, кл. B 60 R 13/04, 1993; ЕПВ (ЕР) 0280037, кл. B 60 R 13/04, 1988; Франции 2698059, кл. B 60 R 13/08, 1994 и много других источников патентной информации по классу B 60 R 13/. Широкая гамма применяемых видов материалов, их геометрическая форма, способ соединения молдинга с панелью двери обуславливают ей и транспортному средству в целом в той или иной степени эстетические и предохраняющие качества по прямому функциональному назначению молдинга, но не учитывает, в частности, возможностей целенаправленного воздействия молдингом на конструкцию двери с точки зрения эффективного демпфирования ее нежелательных колебаний и звукоизлучения ее внешней (лицевой) панели.

Этим же недостатком обладает и выбранное в качестве ПРОТОТИПА устройство транспортного средства, на кузове которого смонтирована дверь, и которое описано в патенте США 5482344, МПК6 B 60 R 21/04, 09.01.1996, заявитель Ford Motor Company. Дверь описанного в патенте транспортного средства содержит, в частности, металлические внутреннюю и внешнюю (лицевую) тонколистовые панели, брус безопасности, агрегаты и механизмы двери, такие как подъема-опускания стекол, блокировки замков, подушек безопасности, акустической системы. На внешней металлической панели смонтирован декоративный молдинг, соединенный с наружной поверхностью внешней (лицевой) панели с помощью липкой клеевой структуры, а на внутренней поверхности этой же панели смонтировано устройство подавления шума процесса закрывания двери в виде вибродемпфирующей прокладки.

Решение технической задачи согласно предлагаемому изобретению подразумевает получить такую конструкцию транспортного средства, дверь которого, обладая приемлемым с точки зрения веса и стоимости набором шумовибродемпфирующих устройств, обеспечивает дополнительно и достаточную эффективность демпфирования колебаний и ослабления шумоизлучения внешней (лицевой) панели двери, в первую очередь при процессе закрывания дверей и вибрации панели при движении транспортного средства в процессе его эксплуатации, а во-вторых, - процессе качественного воспроизводства музыкальных звуковых сигналов акустических систем в салоне (кабине) транспортного средства. Предлагаемое техническое решение улучшает виброакустические характеристики двери как шумоизлучающей структуры транспортного средства в целом за счет реализации механизма дополнительного эффективного преобразования возбуждаемой в металлической структуре внешней (лицевой) панели двери средне- и высокочастотной колебательной энергии в тепловую.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном транспортном средстве, на кузове которого смонтирована дверь, состоящая из внешней (лицевой) и внутренней панелей с обивкой, которые образуют замкнутую полость, в которой установлены различные агрегатированные механизмы и системы (замок, механизм блокировки замка, система сигнализации закрытия двери, подушка безопасности, брус безопасности, акустические системы, дверное стекло, механизм подъема-опускания стекла, уплотнитель окна двери, механизм управления поворотом и обогрева зеркала заднего вида и т.д.), а также устройство подавления шума процесса закрывания двери в виде вибродемпфирующей прокладки внешней панели, смонтированной изнутри, на поверхности внешней панели двери монтируется многофункциональный молдинг, который кроме защитно-эстетической функции позволяет дополнительно эффективно целенаправленно демпфировать колебания и шум как внутри, так и вне транспортного средства, производимый дверью в процессе ее закрывания, а также в процессе ее вибраций при движении транспортного средства в процессе его эксплуатации и при дополнительном вибрационном и акустическом возбуждении колебаний панелей двери от работающих, встроенных в полость двери громкоговорителей аудиосистем.

Названный молдинг изготовлен из полимерного материала, обладающего заданными демпфирующими характеристиками, например из мелкоячестого пенополиуретана и стекловолокна, и крепится извне к внешней стороне лицевой панели двери с помощью тонкой адгезионной вязкоупругой прокладки, представляющей собой, например, двустороннюю липкую структуру. Причем молдинг выполнен из вязкоупругого демпфирующего материала определенной толщины и динамического модуля Юнга, при этом соотношение модулей Юнга E₁ и толщины h₁ металлической лицевой панели и модулей Юнга Е₃ и толщины h₃ материала молдинга определяется выражением Кроме того, механическая колебательная структура "лицевая панель двери - молдинг" имеет суммарный коэффициент потерь не менее 0.1.

Сущность изобретения поясняется на чертежах:
- на фиг.1 показана типичная конструкция двери легкового автомобиля;
- на фиг. 2 показан молдинг, состоящий из полимерной панели из мелкоячестого пенополиуретана и стекловолокна, присоединенной извне к лицевой панели двери с помощью адгезионной вязкоупругой прокладки;
- на фиг. 3 показаны характерные формы деформации механической системы "молдинг-панель" при реализации процесса сдвиговых колебаний;
- на фиг.4 представлена расчетная зависимость коэффициента потерь механической колебательной системы, включающей молдинг и лицевую панель двери в зависимости от изменения модуля Юнга материала молдинга при реализации процесса сдвиговых деформаций такой многослойной механической колебательной системы;
- на фиг.5 показаны характерные деформации колебательного процесса системы "молдинг-лицевая панель" при реализации деформаций "расширения-сжатия" материала молдинга;
- на фиг. 6 представлена расчетная зависимость коэффициента потерь от модуля Юнга материала молдинга при реализации сдвиговых деформаций и деформаций "растяжения-сжатия";
- на фиг.7 представлена расчетная зависимость коэффициента потерь от безразмерного параметра (отношение произведений модулей Юнга, E₁ - лицевой панели и Е₃ - материала молдинга, и толщин материалов лицевой панели - h₁ и молдинга - h₃) при реализации процессов сдвиговых деформаций и деформаций "растяжения-сжатия";
- на фиг. 8 представлена схема экспериментальной установки для определения амплитудно-частотной характеристики панели двери с установленным и демонтированным молдингом;
- на фиг.9 показана амплитудно-частотная характеристика лицевой панели двери с установленным и демонтированным молдингом;
- на фиг.10 показаны спектры шума процесса закрывания двери при испытаниях вариантов двери с установленным и демонтированным молдингом.

Внешние (лицевые) панели кабин транспортных средств и, в частности, кузовов легковых автомобилей, такие как панели дверей и крыши, выполняют множество функций: в первую очередь непосредственно формируют внутреннее пространство салона, кроме того, препятствуют проникновению внешних воздействий в салон автомобиля, таких как грязь, пыль, шум, влага, низкие и высокие температуры воздуха и т. д. Отличительной особенностью этих панелей (крыша и двери) является то, что в отличие, например, от панелей пола или щитка передка они несут также и видовую эстетическую функцию, т.е. данные панели определяют внешний вид (экстерьер) транспортного средства. Дверь транспортного средства как формообразующая несущая структура содержит внутреннюю и внешнюю панели. Внутренняя панель двери как составная часть двери в целом, как правило, не нуждается в дополнительном демпфировании (в отличие от внешней лицевой панели двери) в силу того, что ее структура незначительна по площади излучения звука (имеются большие отверстия, ослабляющие звукоизлучение). Она является несущей для многочисленных агрегатов, смонтированных в пространстве двери между панелями (подъема-опускания стекол, блокировки замков, подушек безопасности, головок громкоговорителей акустических систем, обивок интерьера салона и пр. ), которые демпфируют ее колебания (внутренней панели) за счет своего весового и ужесточающего воздействия, и более того - внутренние пористые структуры обивок дверей - также дополнительно поглощают звуковую энергию, генерируемую в зоне двери и в полости салона кабины транспортного средства.

Внешняя (лицевая) панель двери является формоборазующей сплошной, практически плоской, динамически податливой, металлической, из стального листа диафрагмой значительной площади, которая, как правило, задемпфирована от динамического возбуждения очень слабо. Роль демпфера механических колебаний и звукоизлучения лицевой внешней панели двери играет, как правило, плоская вибродемпфирующая накладка из битумного ламината, приплавленная изнутри к поверхности лицевой панели термоадгезионным слоем или приклеенная к ней липким слоем. Другим элементом вибродемпфирования внешней лицевой панели двери автомобиля могут являться специальные полимерные вибродемпфирующие проставки, беззазорно замыкающие (связывающие) жесткую структуру бруса безопасности, находящегося во внутреннем пространстве двери, между внешней и внутренней панелями, с внутренней поверхностью лицевой внешней панели двери.

Такой элемент как молдинг, установленный на внешней лицевой поверхности двери, и выполняет, в первую очередь, в основном видовую эстетическую функцию. Однако при определенных условиях молдинг может играть роль дополнительного технического средства, эффективно снижающего амплитуду колебаний и шумоизлучение двери и транспортного средства в целом. При этом экспериментально установлено, что при применении в качестве конструкционного материала молдинга, например, мелкоячеистого пенополиуретана, обеспечивается суммарный коэффициент потерь, характеризующий степень демпфирования металлической пластины с адгезионным полимерным материалом молдинга, равный 0.1...0.15. На фиг. 1 показана типичная конструкция двери легкового автомобиля, где 1 - внешняя (лицевая) панель, 2 - внутренняя панель, 3 - обивка двери, 4 - автономные вибродемпфирующие прокладки, установленные изнутри непосредственно лицевой панели двери, 5 - брус безопасности, 6 - молдинг, состоящий, например, из мелкоячестого пенополиуретана и стекловолокна, присоединенный к лицевой панели двери (1) с помощью вязкоупругой прокладки (7) и обладающий заданными вибродемпфирующими свойствами, 8 - громкоговоритель акустической системы, 9 - специальные вибродемпфирующие проставки. Основные вибропоглощающие свойства данной конструкции обеспечиваются соединением (сопряжением) сопрягаемой поверхности молдинга с лицевой панелью двери. В случае, если механическая колебательная система "панель-молдинг" реализует преимущественно сдвиговые колебания (см. фиг. 3), то достигнутый демпфирующий эффект конструкции двери будет максимальным.

Коэффициент потерь такой механической колебательной системы, реализующей принцип сдвигового демпфирования (η_s), определяется по следующей формуле:

где β₂ - коэффициент потерь слоя 7 (материала вязкоупругой прокладки, соединяющей молдинг и металлическую поверхность лицевой панели двери);
k_B - волновое число трехслойной системы (структуры);
h₁, h₂, h₃ - толщины слоев 1, 2 и 3 соответственно панели двери (1), вязкоупругой прокладки (2), молдинга (3);
h₃₁ - расстояние от центра слоя 1 до центра слоя 3;
E₁, Е₃ - динамические модули Юнга слоев 1 и 3 соответственно;
G₂ - динамический модуль сдвига слоя 2,
коэффициенты X и Y определяются следующими соотношениями:


Представленная на фиг. 4 расчетная зависимость коэффициента потерь системы, включающей молдинг и лицевую панель двери, от изменения модуля Юнга материала молдинга (Е₃) производилась в качестве примеров для следующих характеристик колебательной системы:
h₁:h₂:h₃=0.8:0.8:6 мм
E₁=21000 МПа
G₂=10 МПа
Величина k_B определялась расчетным путем по следующей формуле:

где ω - круговая частота;
μ - поверхностная масса трехслойной системы (структуры);

Из представленной фиг. 4 видно, что максимальное значение коэффициента потерь рассмотренной колебательной системы достигается в случае, если модуль упругости (в рассматриваемом случае модуль Юнга) материала молдинга составляет ≈7000 МПа.

В то же время, данная механическая колебательная система в виде трехслойной листовой структуры реализует одновременно не только сдвиговые, но и деформации "растяжения-сжатия" молдинга. На фиг. 5 показана схема, иллюстрирующая механизм реализации этих деформаций. Данные деформации типа "растяжения-сжатия" также приводят к дополнительным потерям колебательной энергии. Коэффициент потерь (η_e) такой механической колебательной системы определяется по следующему выражению:

где β₃ - коэффициент внутренних потерь слоя 3 (молдинга);
k=E₃h₃/E₁h₁,


h₃₁=(h₁+h₃)/2+h₂;
h₁, h₂, h₃ - толщины слоев 1, 2 и 3 соответственно панели двери (1), вязкоупругой прокладки (2), молдинга (3);
Е₁, E₃ - динамические модули Юнга слоев 1 и 3 соответственно.

На фиг. 6 приведена графическая зависимость коэффициента потерь от модуля Юнга материала молдинга, рассчитанная по вышеприведенной формуле (3).

Также на фиг. 6 приведена зависимость сдвигового коэффициента потерь (η_s) от модуля Юнга (Е₃) материала молдинга. Из указанного рисунка видно, что максимумы коэффициента потерь как сдвигового демпфирования (η_s), так и демпфирования "растяжения-сжатия" (η_e) трехслойной листовой колебательной механической системы находятся практически в одном и том же интервале изменения модуля Юнга (Е₃).

Для обобщения полученных результатов были проведены расчетные исследования коэффициента потерь в зависимости от безразмерного параметра который характеризует изгибные динамические жесткости трехслойной листовой колебательной механической системы структур молдинга и лицевой панели (см. фиг. 7). Таким образом, следует, что при обеспечении соотношения жесткостей 1...70, - суммарный коэффициент потерь системы и соответственно эффекты вибродемпфирования будут максимальными.

Эффективность применения молдинга, обладающего эффективными шумовибродемпфирующими свойствами, можно показать на примере экспериментальных результатов испытаний панели двери с установленным и демонтированным молдингом. На фиг.8 представлена схема экспериментальной измерительной установки. В данном случае с помощью эластичных жгутов на специальных стойках подвешивалась исследуемая дверь легкового автомобиля ВАЗ. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определялась как отношение виброускорения в центре лицевой панели двери к возбуждающей силе, приложенной в зоне установки замка двери. В качестве датчика виброускорения использовался мини-акселерометр, а динамическое возбуждение прикладывалось с использованием специального ударного молотка, в конструкцию которого интегрирован датчик силы. На фиг.9 показаны АЧХ панели двери при установленном и демонтированном шумовибродемпфирующем молдинге. Представленные экспериментальные зависимости подтверждают эффективность использования данного технического решения, так как отмечено снижение амплитуды вибраций панели двери практически во всем частотном диапазоне измерения. Снижение амплитуды частотной характеристики достигает 4-5 дБ и даже 10 дБ (более чем в 3 раза) на отдельных частотах контролируемого звукового спектра.

Другим подтверждением эффективности применения данного технического решения являются результаты испытаний легкового автомобиля, дверь которого оборудована молдингом, по оценке эффектов снижения шума в салоне кабины в процессе закрывания двери. Первичным источником возбуждения данного шума являются соударяющиеся части замка двери. Далее энергия динамического возбуждения распространяется как по силовым элементам и панелям несущей структуры кузова транспортного средства, примыкающих к двери (где она существенно ослабляется), так и непосредственно по самой структуре двери. Внешняя лицевая панель двери в силу особенности своей конструкции (практически плоская, тонкостенная, металлическая панель относительно больших размеров, практически без ужесточающих подштамповок и дополнительных усилителей) является при ее непосредственном динамическом возбуждении в процессе ударного закрывания интенсивным излучателем шума. Поэтому отдельные конструктивные элементы, используемые в составе конструкции двери в целом, в том числе и выполненный, например, в виде специальной шумовибродемпфирующей конструкцией молдинг, могут существенно влиять на шум внутри и вне (вблизи) транспортного средства в процессе закрывания двери.

Испытания по оценкам эффектов, возникающих на транспортном средстве в процессе закрывания двери, проводились на автомобиле в сборе. Для получения максимально возможной повторяемости при этом виде испытаний одну сторону автомобиля наклоняют, приподнимая на определенную высоту (например, 400 мм), открывают дверь на точно определенное расстояние и отпускают дверь без приложения к ней дополнительного усилия. Дверь закрывается под действием силы тяжести. Шум процесса закрывания регистрируется в салоне автомобиля в одной из контрольных точек, например на уровне органов слуха водителя. На фиг.10 показаны спектры шума в салоне автомобиля, замеренные по вышеизложенной методике, при установленном и демонтированном шумовибродемпфирующем молдинге передней двери легкового автомобиля. Представленный график показывает достаточно высокую эффективность применения молдинга для снижения шума в салоне транспортного средства в процессе закрывания дверей, причем эффект снижения, составляющий 1-2 дБ в низкочастотной области, возрастает с увеличением частоты и достигает 3-5 дБ на частоте 800 Гц и выше. Таким образом, эффективное снижение шума в кабине транспортного средства в процессе закрывания двери конструкцией шумовибродемпфирующего молдинга обеспечивается в частотной области наибольшей чувствительности органов слуха человека и, таким образом, вызывает меньшее раздражающее воздействие. Более того, эффективное демпфирование колебаний внешней панели двери в данной частотной области положительно сказывается на другом элементе акустического комфорта автомобиля. Так, кроме импульсного ударного возбуждения внешней (лицевой) панели двери и примыкающей к ней панели крыши в процессе закрывания дверей происходит также ее возбуждение интенсивным звуковым полем воздушным путем, генерируемым диафрагмой громкоговорителя головки акустической системы, смонтированной на внутренней панели двери и близкорасположенной к внешней панели тыльной стороной. Учитывая высокую динамическую подвижность внешней панели двери и недостаточную степень ее демпфирования, например, накладкой из битумного ламината, целесообразно увеличение ее демпфирования (ослабления виброакустического возбуждения), например, приданием защитному декоративному молдингу дополнительной функции эффективного виброшумодемпфера, что позволит в итоге улучшить акустическое качество воспроизводимых музыкальных программ аудиосистем в кабине транспортного средства за счет ослабления паразитных звуков, генерируемых возбуждаемой и излучаемых в пространство салона автомобиля внешней панелью двери, искажающих реальный спектр воспроизводимых музыкальных сигналов. Таким образом, реализация предложенного конструктивного элемента виброшумодемпфирующего молдинга позволяет улучшить потребительские свойства транспортного средства, в частности легкового автомобиля.

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к автомобилестроению, и имеет отношение к кузовным элементам, в частности к дверям кузовов легковых автомобилей или кабин грузовиков. На поверхности внешней лицевой панели двери монтируется молдинг. Он изготовлен из полимерного материала. Соотношение модулей Юнга E₁ и толщины h₁ металлической лицевой панели и модулей Юнга E₃ и толщины h₃ материала молдинга определяется выражением Механическая колебательная структура "лицевая панель двери - молдинг" имеет композитный коэффициент потерь не мене 0,1. Технический результат заключается в получении конструкции транспортного средства, дверь которого, обладая приемлемым с точки зрения веса и стоимости набором шумовибродемпфирующих устройств, обеспечивает дополнительно и достаточную эффективность демпфирования колебаний, и ослабления шумоизлучения лицевой панели двери, в первую очередь при процессе закрывания дверей, а во-вторых - в процессе качественного воспроизводства музыкальных звуковых сигналов акустических систем в салоне автомобиля. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Транспортное средство, преимущественно легковой автомобиль, содержащее кузов, на котором смонтирована дверь, включающая, в частности, металлические внутреннюю и внешнюю (лицевую) тонколистовые панели, внутри которых смонтированы агрегаты и механизмы двери, при этом на внешней металлической панели смонтирован декоративный защитный молдинг, соединенный с внешней поверхностью лицевой панели с помощью липкой клеевой структуры, а на внутренней поверхности этой же панели смонтировано устройство подавления шума процесса закрывания двери в виде вибродемпфирующей прокладки, отличающееся тем, что молдинг выполнен из вязкоупругого демпфирующего материала определенной толщины и динамического модуля Юнга, при этом соотношение модулей Юнга E₁ и толщины h₁ металлической лицевой панели и модулей Юнга E₃ и толщины h₃ материала молдинга определяется выражением
2. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что механическая колебательная структура "внешняя панель двери - молдинг" имеет суммарный коэффициент потерь не менее 0,1.