Результат интеллектуальной деятельности: КОЖУХ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

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 также 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 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.

Также имеются аналогичные технические проблемы в условиях эксплуатации транспортного средства при очень низкой температуре окружающей среды. В этом случае, упругие и демпфирующие характеристики резиновых элементов также 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 SAF 068, с.287-297 (прилагается).

В прототипе описан декоративный кожух ДВС, выполняющий функцию глушителя шума верхней части корпуса двигателя, см. фиг.7-8. Кожух содержит несущую декоративную панель из жесткого плотного полимерного материала, снабженную внутренними ребрами жесткости, 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 вершинами ребер жесткости несущей 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 ориентированными в определенных направлениях внутренними ребрами жесткости и опорами под съемные резьбовые элементы крепления кожуха к корпусным деталям двигателя, и размещенный внутри панели и находящийся в контакте с вершинами ребер жесткости пористый звукопоглощающий слой из формованного волокнистого или пенистого материала, кожух дополнительно снабжен по крайней мере одной прокладкой из плотного вязкоупругого шумовибродемпфирующего материала, смонтированной в замкнутом пространстве, ограниченном ребрами жесткости, с возможностью плотного контакта с ребрами жесткости и внутренней плоскостью несущей панели (оболочки) кожуха, при этом толщина прокладки и высота ребер имеют равную величину, а поверхность звукопоглощающего слоя находится в прямом контакте с сопрягаемой прокладкой, за счет клеевого липкого или термоадгезивного соединения. Наиболее целесообразно, при этом, обеспечить соотношение толщин пористого звукопоглощающего слоя и прокладки ≥5, коэффициент потерь материала прокладки μ≥0,1, а отношение высоты ребра к толщине панели кожуха ≥0,5.

Возможны различные конструктивные варианты монтажа прокладок. В частности, прокладка может быть смонтирована посредством липкого клеевого соединения, или посредством термоадгезивного вещества. Возможен вариант, когда вершины ребер жесткости снабжены упорами, неподвижно фиксирующими прокладки в замкнутых полостях, образованных ребрами жесткости.

Дополнительно, наружная поверхность пористого звукопоглощающего слоя может быть облицована тонкой звукопрозрачной защитной пленкой (например, тонкой звукопрозрачной алюминизированной фольгой или уретановой пленкой).

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
- на фиг.1 показан предлагаемый к рассмотрению кожух;
- на фиг. 2 показан фрагмент кожуха, в котором вершины ребер жесткости снабжены упорами, неподвижно фиксирующими прокладки в замкнутых полостях, образованных ребрами жесткости;
- на фиг. 3 показан фрагмент кожуха, в котором прокладки смонтированы посредством термоадгезивного или липкого клеевого соединения;
на фиг. 4 показана динамическая деформация панели кожуха с смонтированными прокладками. Слева - материал демпфирующих прокладок работает на сжатие, справа - на растяжение.

Кожух, фиг.1, двигателя внутреннего сгорания транспортного средства содержит несущую декоративную панель 1 из жесткого плотного полимерного материала, которая снабжена внутренними ребрами 2 жесткости и опорами под съемные резьбовые элементы (не показаны) крепления кожуха к корпусным деталям двигателя, и размещенный внутри панели и находящийся в контакте с вершинами ребер 2 жесткости пористый звукопоглощающий слой 3 из формованного волокнистого или пенистого материала. Кожух дополнительно снабжен по крайней мере одной прокладкой 4 из плотного вязкоупругого шумовибродемпфирующего материала, смонтированной в замкнутом пространстве, ограниченном ребрами жесткости 2, с возможностью плотного контакта с ребрами жесткости 2 и внутренней плоскостью несущей панели 1 кожуха, при этом толщина прокладки 4 и высота ребер 2 имеют равную величину, а поверхность звукопоглощающего слоя 3 находится в прямом контакте с прокладкой 4 с применением липкого клеевого или термоадгезивного слоя 7. Наиболее целесообразно обеспечить соотношение толщин пористого звукопоглощающего слоя 3 и прокладки 4≥5, коэффициент потерь материала прокладки 4μ≥0,1, а отношение высоты ребра 2 к толщине панели 1 кожуха ≥0,5.

Возможны различные конструктивные варианты монтажа прокладок 4. В частности, фиг.3, прокладка 4 может быть смонтирована посредством липкого клеевого соединения (слоя) или посредством термоадгезивного вещества 7. Возможен вариант, фиг.2, когда вершины ребер 2 жесткости снабжены упорами 5, неподвижно фиксирующими прокладки 4 в замкнутых полостях, образованных ребрами жесткости 2.

Дополнительно наружная поверхность пористого звукопоглощающего слоя 3 может быть облицована тонкой звукопрозрачной защитной пленкой 6 (например, тонкой звукопрозрачной алюминизированной фольгой или уретановой пленкой).

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 несущей панели 1 (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 панели кожуха, т.к. это ведет к усиленному процессу излучения звука в окружающую среду, а в отдельных случаях и к динамическому разрушению конструкции кожуха.

Шумоизоляционная эффективность кожуха может быть улучшена как за счет применения многослойной конструкции, в которой каждый из слоев несет целенаправленную функцию (звукоизоляции, вибродемпфирования, звукопоглощения), так и за счет сообщения несущей структуре кожуха высокого значения модуля потерь Е μ, где Е - модуль Юнга, μ - коэффициент потерь (внутреннее трение). Чем больше модуль потерь Eμ, тем лучше звукоизолирующее качество кожуха. Изгибные деформации несущей панели 1 (внешней оболочки кожуха) сообщают угловые виброперемещения ребрам 2, которые в свою очередь деформируют (сжимают - растягивают) структуры упруго деформируемых демпфирующих прокладок 4, совершая при этом дополнительную работу, расходуя подводимую энергию, и, таким образом, существенно усиливают процесс преобразования энергии (работы) упругих деформируемых структур оболочки в энергию дополнительных деформаций вибродемпфирующих прокладок 4 с соответствующим преобразованием механической в тепловую энергию, рассеиваемую в слое усиленно деформируемой демпфирующей прокладки из материала с высоким внутренним трением.

Короткие (по высоте) ребра 2 являются достаточно жесткими на изгиб по своей высоте, и в связи с этим они, не деформируясь, сжимают и растягивают относительно мягкий вибродемпфирующий материал прокладок 4.

Стремление максимально облегчить и удешевить кожух выражается в применении небольших локальных зон вибродемпфирования стенок кожуха, наиболее динамически податливых и поэтому наиболее легко возбуждаемых и переизлучаемых структурный шум.

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

Со стороны двигателя пакет прокладок 4 и пористого звукопоглощающего слоя 3 из формованного волокнистого или пенистого материала, составляющих структуру кожуха, надежно защищен от неблагоприятного влияния внешней среды тонкой звукопрозрачной алюминизированной фольгой или уретановой пленкой 6.

Практическая реализация предлагаемого устройства позволяет:
- обеспечить компактность кожуха, т.к. не требует применения высоких ребер жесткости, чтобы обеспечивать заданную жесткость внешней оболочки, т.е. использование достаточно низких ребер, рассеивающих вибрационную энергию и существенно ужесточающих панель;
- эффективно подавить вибровозбудимость и излучение звука внешней оболочкой, как податливой звукоизлучающей диафрагмой;
- обеспечить эффективную адгезию звукопоглощающего слоя 3 по максимальной поверхности сопряжения с вибродемпфирующей панелью 1 (оболочкой), что допускает применение менее дорогостоящего клеевого слоя 7 (что затруднительно для случаев "выступающих" ребер жесткости);
- применять внешнюю панель 1 кожуха из более дешевого (например, полипропилена) материала, а не дорогого полиамида, т.к. большая вибровозбудимость полипропиленовой панели 1 (оболочки) может легко подавляться заявляемой конструкцией демпфирования (вибродемпфирующие прокладки 4, в распор замыкающие межреберное пространство).