В последнее время в области машиностроения все больше возрастают экологические и санитарные требования. В частности, это касается требований по уровню шума автомобиля, прописанных в нормах ЕЭК ООН №51-02.

В автомобиле множество источников шума, но основным является его двигатель. Излучение звука вследствие вибрации наружных поверхностей корпусных деталей является одним из основных источников шума двигателя. Корпусные детали двигателя, а именно, масляный поддон, клапанные крышки и передняя крышка представляют собой тонкостенные оболочки. Каждая корпусная деталь двигателя вносит вклад в образование структурного шума пропорционально площади своей поверхности. На рис. 1. показана диаграмма вклада различных поверхностей бензинового двигателя в образование структурного шума [4,5].

Рис. 1. Вклад поверхностей бензинового двигателя в образование структурного шума

Поставлена задача уменьшения шума двигателя за счет изменения конструкции его корпусных деталей. Для решения этой задачи Московским государственным техническим университетом «МАМИ» совместно с АМО «ЗИЛ» проведена серия экспериментов по выявлению влияния свойств материала на вибрационные свойства образцов в виде пластин. Испытания проводились для трех видов закрепления пластин: шарнирное закрепление по периметру, шарнирное закрепление по двум противоположным краям и жесткое защемление по двум противоположным краям. Исследовались пластины трех различных размеров. Все пластины имеют соотношения сторон 3:2 (675х450 мм, 450х300 мм и 300х200 мм). Испытательные образцы изготавливались из пяти различных материалов: сталь 08 толщиной 1 мм, сэндвич панель (сталь-клей-сталь) толщиной 1.2 мм, сталь 08 по ГОСТ 1050-88 толщиной 1 мм с вибропоглощающим покрытием Виброфол 0,30, сталь 08 толщиной 1 мм с вибропоглощающим покрытием СКЛГ-6020М и базальтопластик толщиной 3,4 мм.

Все испытания проводились в соответствии с разработанной программой-методикой вибрационных испытаний деталей автомобилей «ЗИЛ», изготовленных из новых перспективных материалов. В соответствии с этой методикой было спроектировано и изготовлено приспособление (рис. 2), позволяющее моделировать шарнирное и жесткое закрепление испытуемых образцов. Моделирование шарнирного закрепления осуществлялось по средствам болтового соединения и специальной выпуклой накладки. Жесткое защемление моделировалось клеевым соединением. Возбуждение системы производилось ударным импульсом с помощью специального молотка. В ходе эксперимента фиксировались график затухания ускорения свободных колебаний и частотный спектр испытуемых пластин. По полученному графику вычислялся коэффициент затухания колебаний α.

Рис. 2. Схема приспособления для закрепления образцов

а - шарнирное закрепление; б - жесткое защемление

Анализ результатов испытаний (рис. 3) показывает, что для всех типов закреплений при уменьшении размеров пластины значения коэффициентов затухания колебаний увеличиваются. Таким образом, вибропоглощающие свойства улучшаются с уменьшением габаритов пластин.

Если принять демпфирующие свойства стального листа толщиной 1 мм за базовые значения, то по отношению к ним значения коэффициентов затухания опытных материалов составят следующие величины:

• у сэндвич панели в 1,2-1,8 раза лучше;
• у стального листа с вибропоглощающим покрытием Виброфол 0,30 в 1,7-9,3 раза лучше;
• у стального листа с вибропоглощающим покрытием СКЛГ-6020М в 1,4-6,8 раза лучше;
• у базальтопластика толщиной 3.4 мм в 1,6-8,5 раза лучше.

Рис. 3. Зависимость коэффициента затухания колебаний α от свойств материала и габаритов пластины

а - жестко защемленной по двум противоположным краям; б - шарнирно опертой по двум противоположным краям; в - шарнирно опертой по контуру

На рис. 4 представлены типичные частотные спектры свободных колебаний шарнирно закрепленных по контуру пластин размерами 450х300 мм для трех различных материалов: стали толщиной 1 мм, стали толщиной 1 мм с вибропоглощающим покрытием Виброфол 0,30 и базальтопластика толщиной 3,4 мм.

Рис. 4. Частотный спектр свободных колебаний шарнирно закрепленных по контуру пластин размерами 450х300 мм

а - стальная пластина т. 1 мм; б - стальная пластина т. 1 мм с вибропоглощающим покрытием Виброфол 0,30; в - пластина из базальтопластика т. 3,4 мм

 

Из полученных частотных спектров колебаний можно заключить, что при замене материала пластин изменение частотного спектра можно описать двумя тезисами: частотный спектр растягивается или сужается, а более высокие частоты спектра имеют большие или меньшие амплитудные значения.

В результате расширения частотного спектра увеличиваются значения собственных частот, и происходит его сглаживание (рис. 5, б). В наиболее чувствительном слуховом диапазоне, от 500 до 2000 Гц, уменьшается количество резких пиков, что положительно сказывается на виброзащитных свойствах пластины.

Для обоснования эффекта растяжения-сжатия частотного спектра при смене материала пластины запишем выражение для собственной частоты колебаний пластины [1, 2, 3]:

 (1) 

где f(i) - коэффициент зависящий от номера собственной частоты; C - коэффициент зависящий от геометрии и граничных условий пластины; E - модуль упругости; h - толщина пластины; ρ - плотность материала; μ - коэффициент Пуассона.

Из выражения (1) следует, что значения собственных частот для пластин с одинаковыми размерами в плане и с одинаковыми граничными условиями, но изготовленных из различных материалов зависят от физико-механических характеристик этих материалов и толщины пластин.

Рассмотрим случай для пластин из стального листа толщиной 1 мм и пластины из базальтопластика толщиной 3.4 мм.

Выражение для определения значений собственных частот пластин из стали (2):

  (2)

Выражение для определения значений собственных частот пластин из базальтопластика (3):

  (3)

Таким образом, значения собственных частот для пластин из базальтопластика в  раз выше, чем у стальных пластин. Следовательно, частотный спектр у пластины из базальтопластика должен быть более гладким, что подтверждается экспериментом.

Эффект уменьшения амплитудных значений у более высоких частот спектра можно описать некой функцией вибропоглощения  (рис. 5). Функция вибропоглощения  у таких материалов, как базальтопластик и сталь с вибропоглощающими покрытиями, затухает быстрее, и, как следствие, высокие частоты имеют более низкие значения амплитуд. Уменьшение амплитуд для частот в слуховом диапазоне положительно сказывается на виброзащитных свойствах пластины. По результатам эксперимента, для пластин размерами 300х200 мм из стали с вибропоглощающим покрытием или базальтопластика частотный спектр со значениями выше 1,5кГц отсутствует.

Рис. 5. Изменение частотного спектра свободных колебаний при увеличении жесткости пластины

а - исходный спектр; б - спектр растянутый вправо; в - спектр с быстро затухающей функцией вибропоглощения

 

В заключении сравним скорость распространения звуковых волн в стали и чугуне с базальтопластиком (4):

 ;  (4)

Скорость распространения звуковых волн в стали и чугуне в 1,59 раз выше, чем в базальтопластике.

Выводы

Все рассмотренные альтернативные материалы имеют более высокие вибропоглощающие свойства по сравнению с серийным материалом сталью 08 т. 1 мм.

Наилучшие вибропоглощающие свойства демонстрируют изделия с нанесенными специализированными вибропоглощающими алюминиево-битумно-полимерными покрытиями (Виброфол 0,30). Примерно на 5-10 % коэффициент условного затухания ниже у композиционных материалов, таких как базальтопластик и стеклопластик. Применение этих материалов наиболее оправдано.

Для базальтопластика и стального листа с вибропоглощающими покрытиями частотный спектр колебаний пластины растягивается, а более высокие частоты спектра имеют заметно меньшие амплитудные значения, что положительно сказывается на виброзащитных свойствах.

Скорость распространения звуковых волн в стали и чугуне выше в 1,59 раз выше, чем в базальтопластике.

Рекомендации

В конструкциях деталей автомобиля, подверженных вибрациям и являющихся источниками структурного шума, рекомендуется применение альтернативных конструкционных материалов независимо от размеров и условий закрепления детали.

Скорость распространения звуковых волн в базальтопластике заметно отличается от стали и чугуна, поэтому его рекомендуется применять в качестве корпусных деталей двигателя. Вибрации на корпусные детали двигателя передаются с блок-картера, изготовленного из чугуна и из-за различия в скоростях распространения звуковых волн у чугуна и базальтопластика на границе двух материалов будет происходить эффект частичного гашения колебаний.

Рецензенты:

• Гусев А.С., д.т.н., профессор, Московский государственный технический университет им Н.Э. Баумана, г. Москва.
• Торопеев А.К., д.т.н., профессор, генеральный директор ООО «Славянский мир»,  Московская область, д. Мамыри.