Шум и вибрация в автомобилях

Введение

Актуальность работы. Транспортные услуги составляют значительную часть экспорта услуг нашей страны, составляя 82 процента. Поэтому профессия водителя остается самой распространенной в нашей стране и, в то же время, опасной и вредной с точки зрения неблагоприятного воздействия производственных и социальных факторов.
Эмоционально напряженная работа водителя в неблагоприятных условиях приводит к переутомлению, ухудшению самочувствия, что вызывает увеличение частоты общих соматических заболеваний, длительности каждого случая заболеваемости, переход острых случаев в хронические формы. Если стаж профессиональной деятельности превышает 10-15 лет, то формируются профессиональные заболевания.
В своих работах известные ученые [5,6] доказали, насколько разрушительно на организм водителя влияет ряд неблагоприятных факторов производственной среды, таких как шум, вибрация, вредные химические вещества и микроклимат. Эти исследования дают данные о влиянии условий труда и характера трудовой деятельности на повышение уровня общей и индивидуальной форм патологии (центральной и периферической нервной, опорно-двигательной и сердечно-сосудистой систем).
Однако данные об условиях труда водителей, полученные разными авторами, трудно сопоставить из-за отсутствия комплексного исследования, единого подхода и использования различных показателей [например, для характеристики шумовых и вибрационных факторов и др.]. Кроме того, проведенные исследования носили фрагментарный характер.
В настоящее время в нормативно-технической документации, действующей на территории Российской Федерации, до сих пор четко не установлено, насколько разрушительно шум и вибрация влияют на здоровье человека. В результате не всегда существуют обоснованные требования к предельно допустимым значениям этих параметров в кабине (салоне) автомобиля. Поэтому оценка влияния шума и вибрации транспортных средств на утомляемость водителя и, как следствие, на безопасность дорожного движения, разработка, обоснование и оптимизация требований по регулированию шума и вибрации и формирование обновленных требований к предельно допустимым показателям этих параметров является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования: шум и вибрация в автомобилях.
Предмет исследования: особенности определения шума и вибрации, а также способы их устранения.
Цель работы: рассмотреть шум и вибрация в автомобилях.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- дать общую характеристику транспортного шума, привести методы расчёта, описать мероприятия по снижению уровня шума в автомобилях;
- привести общую характеристику транспортной вибрации, методы расчёта транспортной вибрации, а также мероприятия по снижению уровня вибрации в автомобилях.


1. Общая характеристика транспортного шума. Методы расчёта. Мероприятия по снижению уровня шума в автомобилях
Общая характеристика транспортного шума.
По характеру своего происхождения шумы делятся на воздушные и структурные. Среда распространения воздушного шума-воздух. Средой для распространения структурных шумов является твердое тело. Применительно к автомобилю это выглядит так. Когда двигатель работает, он передает вибрацию через элементы крепления к корпусу, панели которого, в зависимости от степени вибрации, издают более или менее интенсивный звук – конструктивный шум.
Источники шума в автомобиле
Их можно разделить на две группы:
предварительные выборы:
двигатель, трансмиссия, выхлопная система, шины, воздушные потоки, которые обтекают автомобиль при движении (аэродинамический шум);
б) вторичный:
металлические кузовные панели (пол, крыша, крылья, двери, арки колесных ниш и др.), крупногабаритные пластиковые детали салона автомобиля(приборная панель, литые дверные накладки, декоративное покрытие переднего пола под рукоятку коробки передач, накладки стойки), небольшие металлические конструкции (замки тягового привода, стеклоподъемники и др.).
Способы распространения шума в автомобиле
Воздушный шум от первичных источников проникает в салон автомобиля через протечки кузова (дверные проемы, технологические проемы переднего этажа), а также через остекление автомобиля. Чем толще стекло и панели кузова, тем выше их звукоизоляционные свойства. Чем ниже шум воздуха от первичных источников, тем оптимальнее конструкция самих источников: двигателя, трансмиссии, выхлопной системы, шин (высота и рисунок протектора), уплотнителей дверей.
Конструктивный шум проникает в автомобиль через элементы подвески к корпусу силового агрегата, трансмиссии, выхлопной системе и шасси. Вибрация, передаваемая через элементы подвески, вызывает колебания всех панелей кузова без исключения, которые, в свою очередь, создают структурный шум. Кроме того, звук, издаваемый элементами выхлопной системы (патрубками, резонатором, глушителем), приводит к дополнительному возбуждению пола автомобиля, что вносит существенный вклад в общий уровень внутреннего шума. Отраженный звук вносит свой вклад в общий уровень шума в автомобиле. Отраженный звук-звук, производимый, когда звуковые потоки, испускаемые первичными источниками, отражаются от поверхности дороги.
Основными источниками шума при движении автомобиля являются двигатель, трансмиссионные механизмы и шины. При этом уровень шума может возрастать в зависимости от срока службы и пробега автомобиля, что определяется эксплуатационным износом деталей двигателя, трансмиссии и других систем и агрегатов. Таким образом, наибольший уровень шума создается при интенсивном разгоне автомобиля на II и III передачах. Основной источник шума на автомобиле особенно заметен в зависимости от скорости и нагрузки на автомобиль. Например, на скоростях 70...80 км/ч и полная нагрузка, основным источником шума является двигатель, а на высоких скоростях основной шум производят шины.
Причинами шума шин являются шероховатость дорожного покрытия и его шероховатость, трение между дорогой и шинами (визг при торможении и повороте), трение шин о воздух, тип рисунка протектора, воздух в углублении протектора (при соприкосновении с дорогой воздух выходит из них с характерным свистом), вода на дорожном покрытии и движение относительно протектора, дисбаланс и биение колес и, особенно, износ протектора [2].
Современные модели дорожно-транспортных АТС и, в частности, легковых автомобилей, постоянно претерпевают радикальные конструктивные и технологические усовершенствования с целью улучшения их акустических качеств. В отличие от ранее выпускавшихся моделей АТС, которые часто характеризовались одним ярко выраженным или несколькими изолированными источниками шума, и в первую очередь - СВОГ, определяющими общий уровень их суммарного шумового излучения, звуковое поле современных моделей АТС формируется значительно большим числом эквивалентных или аналогичных источников шума (см. рис. 1).

Рисунок 1 - Характерные источники шума современных моделей АТС
Конструкция автомобилей предусматривает снижение шума за счет более бесшумной работы всех их систем и механизмов.
Уровень шума автомобиля зависит в основном от технического состояния автомобиля, его систем и механизмов

. Полностью функциональный автомобиль создает меньше шума [3].
До сих пор для оценки шума, производимого таким источником, как автомобиль, использовался слишком обобщенный подход.
Фактически этот общий шум может быть разложен между двумя основными источниками:
- - тяговая энергия транспортного средства (двигатель, ведущий вал, шестерни),
- контакт шины с покрытием [4].
Метод расчета
Шум двигателя, который непосредственно проникает на рабочее место оператора транспортного средства, можно описать следующим образом:
LДраб = LWД – a2 – x ± LAΣ , (1)
где LWД – спектр звуковой мощности двигателя, дБ;
a 2 = k1 lgRД /rД ;
k1 – коэффициент, принимаемый в зависимости от расстояния между корпусом двигателя и рабочим местом;
RД – рабочее место, м;
r Д – расстояние от двигателя до панели капота, м.
Звуковая энергия, излучаемая АТС во внешнюю окружающую среду (внешний шум АТС – Wа), может быть представлена уравнением мощностного акустического баланса АТС (2):
Wа = WДВС + Wтран + Wдор + Wш + Wаэр , Вт, (2)
где WДВС – звуковая мощность агрегатов и систем ДВС, Вт; Wтран – звуковая мощность агрегатов трансмиссии, Вт; Wдор – звуковая мощность узлов ходовой части и кузова АТС при их динамическом возбуждении микропрофилем дорожного покрытия, Вт; Wш – звуковая мощность процесса контактного динамического взаимодействия шин с поверхностью дорожного покрытия, Вт; Wаэр – звуковая мощность процесса динамического взаимодействия набегающего воздушного потока с внешними обтекаемыми поверхностями движущегося АТС, Вт.
В свою очередь, основными источниками шумового излучения, поступающего из открытых дверных проемов МО АТС в окружающую среду, помимо шума, создаваемого вибрирующей поверхностью стенок корпуса силового агрегата (ДВС), являются аэродинамический шум, создаваемый его СВ и системой охлаждения ДВС (вентилятором теплоотвода), а также структурный шум корпуса котколлектора СВ и модуля корпуса впускного СВ. Источником энергии шума двигателя внутреннего сгорания вне пространства полости МО является также СВОГЕ с типичным газодинамическим излучателем в виде четко прорезанной его хвостовой трубы.
В этом случае уравнение акустического баланса мощности двигателя внутреннего сгорания можно представить в виде выражения (3):
WДВС = Wкорп+ Wкат + Wмод.вп.+ Wвп + Wвып+ Wвен± WМО, Вт, (3)
где Wкорп – звуковая мощность структурной составляющей, генерируе- мой вибрирующими поверхностями стенок корпусных элементов ДВС и его навесных агрегатов, Вт; Wкат – звуковая мощность структурной составляющей корпуса катколлектора СВОГ, Вт; Wмод.вп. – звуковая мощность структурной составляющей корпуса модуля впуска СВ, Вт; Wвп – звуковая мощность газодинамической составляющей СВ (шум впуска), Вт; Wвып – звуковая мощность газодинамической составляющей СВОГ (шум выхлопа), Вт; Wвен –звуковая мощность газодинамической составляющей, генерируемой крыльчаткой электровентилятора радиатора системы охлаждения ДВС, Вт; WМО – величина звуковой мощности поглощенной конструктивными элементами МО (знак минус), или усиленной резонансными процессами воздушного объема полости МО и/или колеблющимися ограждающими элементами (панелями) МО кузова АТС (знак плюс).
Представление суммарного акустического излучения двигателя внутреннего сгорания в виде баланса акустической мощности отдельных источников открывает возможность аналитического определения количества энергии акустического излучения каждым источником. Акустическая мощность, обусловленная излучением поверхностей стенок корпусных деталей (ДВС, свог-коллектор, СВ-впускной модуль), может быть определена выражением (4)
(4)
где ρc – акустическое сопротивление среды; S – поверхность излучения; Rе – действительная часть коэффициента излучения; V – виброскорость по нормали к излучающей звук поверхности.
Можно также использовать вариант уравнения акустического баланса, основанный на аппроксимации каждого источника излучения одним из элементарных излучателей типа монополя (W0), диполя (WI) или излучателя более высокого порядка (WII). Для поверхностных шумовых излучателей двигателей внутреннего сгорания они также могут быть аппроксимированы отдельными элементарными излучателями или их совокупностью. Тогда акустическая мощность, обусловленная отдельными поверхностными излучателями двигателя внутреннего сгорания, аппроксимируемая соответствующими элементарными излучателями, может быть определена выражением (5)
(5)
где ∑W0, ∑WI , ∑WII – суммарная акустическая мощность излучателей монопольного, дипольного и квадрупольного типов.
Мероприятия по снижению уровня шума в автомобилях
Общая классификация средств и методов шумозащиты рассмотрена в ГОСТ 12.1.029 [8]. Устройства защиты от шума, которые не используют дополнительный источник энергии, считаются пассивными, а те, которые используют дополнительный источник энергии, считаются активными. Параллельно существуют средства коллективной и индивидуальной защиты. Рассмотрение индивидуальных средств шумозащиты применительно к водителю и пассажирам легкового автомобиля не имеет смысла. Высокая удельная мощность двигателя внутреннего сгорания и его низкий уровень шума являются противоречивыми требованиями к конструкции. Часто возможным методом борьбы с шумом, передаваемым воздухом, в этом случае является шумоизоляция двигателя внутреннего сгорания путем его экранирования. Этот метод также называют акустической капсуляцией корпуса двигателя. Акустическая капсула может быть выполнена из плотного звукоотражающего слоя металлической или полимерной оболочки, в том числе покрытой (облицованной) изнутри звукопоглощающим материалом (ПКМ). Эффективность этого метода зависит от свойств используемых звукопоглощающих материалов и конструкции (конфигурации) корпуса акустической капсулы.
Акустические материалы, специально созданные для шумоподавления, можно разделить на следующие основные группы: виброгасящие, звукопоглощающие, звукоизоляционные и комбинированные. Разработке новых вибро- и звукопоглощающих, вибро- и звукоизоляционных, комбинированных материалов уделяется большое внимание, о чем свидетельствует ряд зарегистрированных патентных документов, многочисленные ссылки на которые приведены в [9]. Недостатками способа звукоизоляции двигателей внутреннего сгорания является то, что масса АТС и ее стоимость увеличиваются, а в низкочастотной области этот способ недостаточно эффективен. Большинство материалов, используемых для подавления шума, пожароопасны. Ремонтопригодность АТС ухудшается, или, по крайней мере, после ремонта кузова автомобиля первоначальная звукоизоляция автомобиля обычно снижается. В то же время экранирование (герметизация) двигателя внутреннего сгорания ухудшает или усложняет процесс отвода тепла от термически нагруженных поверхностей его корпуса и затрудняет вентиляцию моторного отсека. Традиционным методом снижения передачи шума корпуса и вибраций двигателя внутреннего сгорания через упругие соединения является применение широкого спектра резиновых виброизоляторов и виброгасителей в подвеске силового агрегата