НИЗКОШУМНЫЙ СТЕНД ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности к испытательному стенду для проведения виброакустических стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).

Для определения основных технических показателей двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС) используют специальные испытательные стенды, оборудованные различными устройствами и измерительной аппаратурой.

В качестве базового оборудования стенд испытаний ДВС содержит:
- автономный (виброизолированный) фундамент для поглощения вибраций, возникающих из-за действия в двигателе неуравновешенных сил и моментов инерции;
- фундаментную плиту (пазовую) для установки исследуемого ДВС и тормоза;
- стойки для установки и крепления ДВС на фундаментной плите;
- нагрузочный тормоз (гидравлический, электрический) для поглощения развиваемой ДВС мощности с устройством измерения крутящего момента на валу двигателя (тормоза);
- вал и специальные муфты для соединения коленвала ДВС с валом тормоза;
- устройства и коммуникации для подачи в двигатель охлаждаемого смазочного масла, охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС, отвода в атмосферу отработавших и картерных газов двигателя;
- устройства и коммуникации для питания двигателя топливом и воздухом с соответствующими датчиками и приборами для измерения расхода, температуры, давлений воздуха и топлива;
- специальные устройства для регулирования и определения отдельных параметров, влияющих на рабочий процесс и показатели ДВС (угол опережения зажигания, состав смеси, угол опережения начала впрыска);
- системы, обеспечивающие регулирование и управление ДВС в процессе испытаний;
- пульт с размещенными на нем органами пуска и управления ДВС;
- приборы для контроля работы двигателя и приборы для регистрации замеряемых величин;
- дополнительные устройства и приборы, предназначенные для специальных исследований с целью определения отдельных параметров ДВС (токсичности, дымности, шума, вибраций, тепловой напряженности, деформаций отдельных деталей и т.п.).

Известно техническое решение по исполнению стенда для обкатки и испытания двигателя внутреннего сгорания (патент РФ 2107175, по заявке 96114020), содержащее основание, нагрузочное (тормозное) и соединительные устройства. На основании закреплены продольные направляющие, на которых установлена рама, выполненная в виде автономных балок. Балки установлены с возможностью перемещения по продольным направляющим и фиксирования относительно них. На балках закреплены поперечные направляющие, на которых установлены стойки с возможностью перемещения по ним и фиксирования. На стойках закреплены ложементы для размещения двигателя с возможностью перемещения и фиксирования в избранном направлении.

Недостатками данного технического решения являются:
- жесткая передача вибровозбуждения от исследуемого работающего ДВС на присоединительные металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, стойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы) и, как следствие, интенсивное шумовое излучение от этих элементов в пространство испытательного помещения (моторного бокса);
- жесткая и интенсивная передача возбуждения от работающего нагрузочного (тормозного) устройства (электрическая машина) на металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, стойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы);
- излучение воздушного шума в пространство испытательного помещения моторного бокса непосредственно корпусом и вентилятором электрической машины нагрузочного устройства.

В связи с перечисленными недостатками, такого типа концепции стендов не нашли применения в практике виброакустических испытаний ДВС, в первую очередь из-за того, что требуется свести к минимуму посторонние (помимо исследуемого ДВС) шумовые излучения от приводных механизмов и систем стендового оборудования моторного бокса.

Для проведения стендовых виброакустических исследовательских и доводочных работ на ДВС нашли широкое применение специализированные нагрузочные стенды, установленные в специальных акустических (полузаглушенных или безэховых) камерах [например, 1, 2, 3]:
1. Adam Gavine. The American Way. Testing Technology International, November, 2000, p.28...31.

2. ГУП НИЦИАМТ "Акустический центр выполнит:". Автомобильная промышленность, 2000, 11, 1.

3. Peter Gutzmer und Reimer Pilgrim. Motorakustische Versuchs-und Меβ technik bei Porsche. MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 48 (1987), 2, 47... 50.

В частности, в [1] приведен пример использования полузаглушенной акустической камеры фирмы "Крайслер" (США), в [2] - акустический моторный стенд центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров, Московской обл.) с жестким звукоотражающим полом, на пазовой плите которого с помощью специальных стоек закреплен исследуемый ДВС. Тормозные (или приводные - на режимах прокрутки двигателя без реализации в нем рабочего процесса) установки стенда (их 2) находятся на этом же уровне вне помещения акустической камеры и располагаются за стенами камеры в соседнем помещении (помещение машинного зала). Исследуемый ДВС с тормозной балансирной машиной соединяется с помощью специальных приводных валов (валов отбора мощности), обеспечивающих передачу крутящего или тормозного момента между ними. Концевые участки приводных валов закреплены с помощью специальных стоек к пазовой плите и непосредственно поверхности пола камеры. Трубопроводы и различные коммуникационные элементы систем питания, охлаждения, отвода выхлопных газов выводятся из пространства акустической камеры через специальные звукоизолированные проемы в полу (пазовой плите) камеры в машинное отделение стенда, оборудованное различными технологическими системами и агрегатами обеспечения функционирования стенда. Недостатками используемой концепции акустического моторного стенда является применение камеры с жестким звукоотражающим полом, искажающим реальное звуковое поле исследуемого ДВС (в особенности, - излучение звука нижней частью ДВС, находящейся в непосредственной близости от звукоотражающей поверхности пола, которая, как правило, у всех поршневых ДВС является наиболее шумовиброактивной). Именно в связи с этим, нижняя зона двигателя представляет для исследователей и доводчиков ДВС наибольший практический интерес и требует выполнения в этой зоне наиболее трудоемких и, по возможности, наиболее точных и объективных исследований. С другой стороны, применение в качестве соединительных приводных элементов, соединяющих коленчатый вал ДВС и вал отбора мощности тормозной машины стенда, длинных карданных валов с опорными подшипниками в вертикальных стойках, установленных на пазовой плите и непосредственно полу камеры, вызывает проблемы их центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, и, как следствие, - генерирование вибросил на частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи как непосредственно исследуемому ДВС, вызывая его дополнительное шумоизлучение, так и некоторым присоединенным структурам акустической камеры (например, полу камеры), что влечет дополнительное искажение регистрируемых шумовых характеристик как исследуемого ДВС, так и излучение "паразитного" звука непосредственно защитными кожухами валов стенда, а также и излучение "паразитного" звука непосредственно полом акустической камеры, вследствие передачи этого вибрационного возбуждения на пол (пазовую плиту) через опорные стойки валов.

Более прогрессивным методом исследования и регистрации акустической энергии, излучаемой ДВС в стендовых условиях, является использование концепции акустического моторного стенда, описанного в публикации [3] - прототип, применяемого в исследовательском центре фирмы "Перше" (ФРГ). В данном случае он предусматривает применение тормозного (нагрузочного) стенда, установленного по центру камеры внизу под поверхностью пола полностью заглушенной безэховой акустической камеры. Передача крутящего (тормозного) момента осуществляется при этом бесконечной гибкой связью - гладкоременной передачей. В этом случае, пол акустической камеры выполнен полностью виброизолированным от автономного фундамента, на котором установлен приводной (тормозной) стенд, а его поверхность (пола) покрыта эффективным шумопоглощающим материалом (специальными шумопоглощающими клиньями). Корпус двигателя, как объект исследования, в этом случае располагается вблизи геометрического центра воздушного пространства камеры, т.е. в зоне наиболее удаленной от звукоотражающих поверхностей (с "наилучшей акустикой"). Нижняя зона исследуемого ДВС не находится вблизи звукоотражающей поверхности пола, как это имело место в [1] и [2], а является открытой для качественных, объективных измерений параметров акустического поля исследуемого ДВС. Таким образом, эта конструкция [3] акустического моторного стенда является более совершенной и принимается в качестве прототипа.

Однако в известном акустическом моторном стенде [3] используется монолитный несущий силовой каркас, выполненный в виде четырех вертикальных стоек, которые сверху замкнуты несущей металлической рамой прямоугольного сечения, с жестко установленным на несущей раме корпусом верхнего опорного приводного подшипникового узла. Недостатком данной пространственной схемы несущего силового каркаса акустического моторного стенда является высокая вибровозбудимость и вибропроводность его составных металлических структур, что приводит к добротной передаче (циркуляции потоков) по ним вибрационной энергии, с соответствующим излучением шума как непосредственно элементами каркаса, так и присоединенными к каркасу различными навесными элементами (вспомогательными агрегатами технологического оборудования), дополнительного и паразитного к шумовому излучению, производимому непосредственно исследуемым ДВС, и, таким образом, к снижению точности измерений шума, излучаемого объектом испытаний, и, как следствие, снижению достоверности исследовательских акустических работ. Вибрация, генерируемая элементами привода (тормоза) стенда, передается непосредственно на элементы несущего силового каркаса (раму, вертикальные несущие стойки) преимущественно твердым путем через опорные связи и присоединительные элементы, в первую очередь, через жестко закрепленный на раме корпус верхнего опорного приводного подшипникового узла. Требование жесткого закрепления верхнего опорного приводного подшипникового узла и корпуса привода вызывается необходимостью обеспечения высокоточной центровки верхнего и нижнего валов ременного привода и обеспечения постоянства значения усилия натяжения ремня во всем скоростном диапазоне работы привода стенда. Такая замкнутая пространственная металлическая структура каркаса является достаточно легковозбудимой и передающей динамические воздействия, генерируемые приводными (тормозными) агрегатами стенда. Наиболее опасным является резонансное возбуждение основных несущих элементов конструкций каркаса (стоек, балок рамы). Их спектр собственных частот является достаточно "густым" (способствующим, в связи с этим, реализации многочисленных изгибных резонансов при их совпадении с частотами возбуждения привода стенда), а излучаемый структурный шум элементов силового каркаса - широкополосный.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить обозначенные выше недостатки.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном низкошумном стенде для акустических исследований ДВС, содержащем, в частности, несущий силовой каркас, выполненный в виде четырех металлических вертикальных стоек, на которых сверху жестко смонтирована несущая металлическая рама прямоугольного сечения, и балансирную асинхронную машину, кинематически подключенную к приводному валу ДВС посредством гибкой связи, последняя охвачена защитным несущим кожухом, на котором смонтирован корпус верхнего опорного приводного подшипникового узла, установленный с заданным гарантированным зазором от несущей рамы, разрывающим структурную передачу вибраций от подшипникового узла на несущую металлическую раму, который заполнен виброшумоизолирующим уплотнителем, при этом несущий защитный кожух снабжен дополнительными опорными стойками трубчатого сечения, полость которых заполнена сыпучим вибродемпфирующим веществом, а внешняя поверхность стоек облицована эффективным звукопоглощающим материалом.

В зазоре между корпусом верхнего подшипникового узла и несущей рамой установлен уплотнитель, материалом которого является мягкая пористая резина, пенополиуретан или другой, аналогичный по своим физико-механическим свойствам материал. Полости дополнительных опорных стоек заполнены кварцевым песком. Внешняя поверхность стоек облицована звукопоглощающим материалом с звукопрозрачной стекловолоконной тканью или тонкой, защитной, термостойкой, влагогазонепроницаемой звукопрозрачной фольгой. В качестве гибкой связи используется, например, ременный привод.

Сущность изобретения иллюстрируется на чертежах.

На фиг.1 представлен заявляемый в качестве изобретения низкошумный стенд для акустических исследований ДВС, установленный в безэховой акустической камере.

На фиг. 2 представлен фрагмент конструкции предлагаемого низкошумного стенда для акустических исследований ДВС, содержащий несущий силовой каркас, выполненный в виде четырех металлических вертикальных стоек, на которых сверху жестко смонтирована несущая металлическая рама прямоугольного сечения, с жестко установленными на ней продольными направляющими системы крепления ДВС на стенде, имеющими возможность перемещаться и фиксироваться в необходимом положении поперечными направляющими и вертикальными стойками, корпус верхнего опорного приводного подшипникового узла, установленный раздельно, с заданным гарантированным зазором, от рамы, на несущем защитном кожухе приводного ремня, усиленным опорными стойками.

Изобретение, изображенное на фиг.1, представляет собой низкошумный стенд для акустических исследований ДВС, смонтированный в безэховой камере 1, с установленной внизу под поверхностью пола 2 приводной (тормозной) балансирной асинхронной (или постоянного тока) машины 3 на виброизолированном специальными пружинами 4 автономном фундаменте 5. Внутренняя бетонная оболочка 6 камеры 1 установлена по периметру пола 7 на специальных пружинах 8, и полностью изолирована от внешней бетонной оболочки 9 (принцип строительства "камера в камере"). Пол 10 акустической камеры 1 виброшумоизолирован от фундамента 5, на котором установлена балансирная асинхронная машина 3, резиновыми уплотнениями 11. Поверхность пола 10, 2, стен 6 и потолка 12 камеры 1 покрыта специальными шумопоглощающими клиньями (кулисами) 13. Балансирная асинхронная машина 3 передает крутящий (тормозной) момент через нижний вал 14, установленный в корпусе 15 нижнего опорного подшипникового узла, приводной ремень 16, верхний вал 17, закрытый защитным кожухом 18. Область вращения приводного ремня 16 закрыта защитным кожухом 19. Объект испытаний - ДВС 20 монтируется на вертикальных стойках 21 системы крепления ДВС на стенде через специальные резино-металлические упругие опоры 22. Продольные направляющие 23 системы крепления ДВС смонтированы на несущем силовом каркасе 24. Пол испытательной камеры 1 представляет собой звукопрозрачные решетки 25, виброизолированные от рамы 26 несущего силового каркаса 24. Воздушная полость камеры 1 вентилируется высокопроизводительной приточной 27 и вытяжной 28 вентиляцией.

Сущность изобретения поясняется графически.

На фиг. 2 представлен фрагмент конструкции предлагаемого низкошумного стенда для акустических исследований ДВС, содержащий несущий каркас в виде четырех металлических вертикальных стоек 24, жестко смонтированных в бетонном полу 2 испытательной камеры. На вертикальных стойках 24 жестко установлена несущая металлическая рама 26 прямоугольного сечения, на которой жестко смонтированы посредством сварочного шва две продольные направляющие 23 системы крепления ДВС на стенде, поперечные направляющие 29, имеющие возможность свободно перемещаться вдоль продольных направляющих 23 и фиксироваться в необходимом положении, вертикальные стойки 21, перемещающиеся и фиксирующиеся в необходимом положении вдоль поперечных направляющих 29. Раздельно (с гарантированным воздушным зазором, заполненным мягкой пористой резиной или другим аналогичным материалом) от рамы, на несущем защитном кожухе 19 жестко установлен корпус верхнего опорного приводного подшипникового узла 30. Отсоединение (разрыв структурной передачи) виброактивного корпуса верхнего опорного приводного подшипникового узла от несущего силового каркаса позволит исключить передачу динамических воздействий, генерируемых приводными (тормозными) агрегатами стенда (в первую очередь, подшипниковым узлом), на отдельные вибровозбудимые и вибропередающие элементы конструкций каркаса (стойки, балки рамы) и направляющие системы крепления ДВС на стенде, что, в конечном итоге, приведет к существенному снижению корпусного шума, излучаемого как непосредственно каркасом, так и присоединенными к нему навесными элементами (вспомогательными агрегатами технологического оборудования). Свободное пространство, в виде гарантированного воздушного зазора, между торцевыми участками несущей рамы 26 и несущим защитным кожухом 19 приводного ремня герметизировано и виброшумоизолировано мягкими упругими уплотнителями 31. Для повышения изгибной жесткости и уменьшения вибровозбудимости, несущий защитный кожух 19 приводного ремня усилен четырьмя опорными стойками 32, замкнутого профиля с пустотелым сечением. Организация замкнутого (пустотелого) профиля опорных стоек 32 (например, применением труб 33 или металлических коробов квадратного сечения) позволяет впоследствии заполнить внутреннее пространство этих профилей эффективным сыпучим, пенистым или другим вибродемпфирующим веществом 34 (например, кварцевым песком, бетоном, интегральной пеной, свинцовой или чугунной дробью, или сочетанием в смеси этих веществ в заданных пропорциях), что обеспечивает требуемый высокий шумовибродемпфирующий эффект. Для ослабления возникновения дополнительных внешних звукоотражающих эффектов и, как следствие, исключения искажения исследуемого звукового поля испытуемого объекта (ДВС) 20, в пространстве акустической безэховой камеры 1, все внешние поверхности опорных стоек 32 футеруются извне эффективным звукопоглощающим материалом 35, внешняя поверхность которого облицована звукопрозрачной стекловолоконной тканью или тонкой защитной, термостойкой, влагогазонепроницаемой звукопрозрачной фольгой 36.

Практическая реализация предлагаемой конструкции низкошумного стенда для акустических исследований ДВС позволяет повысить точность и объективность результатов стендовых виброакустических испытаний ДВС.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к контрольно-диагностическому оборудованию. Изобретение позволяет повысить точность и объективность результатов стендовых виброакустических испытаний ДВС. Низкошумный стенд для акустических исследований ДВС содержит, в частности, несущий силовой каркас, выполненный в виде четырех металлических вертикальных стоек, на которых сверху жестко смонтирована несущая металлическая рама прямоугольного сечения, и балансирную асинхронную машину, кинематически подключенную к приводному валу ДВС посредством гибкой связи. Гибкая связь охвачена защитным несущим кожухом, на котором смонтирован корпус верхнего опорного приводного подшипникового узла, установленный раздельно с заданным гарантированным зазором от несущей рамы, который заполнен виброшумоизолирующим уплотнителем. Несущий защитный кожух снабжен дополнительными опорными стойками трубчатого сечения, полость которых заполнена сыпучим вибродемпфирующим веществом. Внешняя поверхность стоек облицована эффективным звукопоглощающим материалом. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Низкошумный стенд для акустических исследований ДВС, содержащий, в частности, несущий силовой каркас, выполненный в виде 4-х металлических вертикальных стоек, на которых сверху жестко смонтирована несущая металлическая рама прямоугольного сечения, и балансирную асинхронную машину, кинематически подключенную к приводному валу ДВС посредством гибкой связи, отличающийся тем, что гибкая связь охвачена защитным несущим кожухом, на котором смонтирован корпус верхнего опорного приводного подшипникового узла, установленный раздельно с заданным гарантированным зазором от несущей рамы, который заполнен виброшумоизолирующим уплотнителем, при этом несущий защитный кожух снабжен дополнительными опорными стойками трубчатого сечения, полость которых заполнена сыпучим вибродемпфирующим веществом, а внешняя поверхность стоек облицована эффективным звукопоглощающим материалом.2. Низкошумный стенд по п.1, отличающийся тем, что в зазоре между корпусом верхнего подшипникового узла и несущей рамой установлен уплотнитель, материалом которого является пористая резина, пенолиуретан или другой аналогичный по своим физико-механическим свойствам материал.3. Низкошумный стенд по п.1 или 2, отличающийся тем, что полости дополнительных опорных стоек заполнены кварцевым песком.4. Низкошумный стенд по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что внешняя поверхность стоек облицована звукопоглощающим материалом с звукопрозрачной стекловолоконной тканью или тонкой защитной, термостойкой влагогазонепроницаемой звукопрозрачной фольгой.