ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОПОРА ПОДВЕСКИ СИЛОВОГО АГРЕГАТА АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С АКУСТИЧЕСКОЙ ФУНКЦИЕЙ

Изобретение относится к машиностроению, в частности к транспортному машиностроению, а именно к автомобилям высокого класса, использующим акустические колебания для информирования водителя о режиме работы силового агрегата (далее СА).

Кроме проблемы негативного влияния высоких уровней шума на здоровье человека, обнаружено также существенное влияние тональности и динамики звука как на адекватное восприятие автотранспортного средства (далее АТС) в потоке движения, так и на безопасность вождения автомобиля. Покупатели, как правило, хотят видеть АТС, характер шума которых соответствует типу АТС и их восприятию его. Для многих клиентов „акустический имидж" и комфорт шума представляет принимаемый всерьез мотив покупки. Удовольствие от езды должно повышаться в будущем развитием внутреннего шума АТС со специфическим, неповторимым характером звука, типичным для выбираемой марки АТС, удовлетворяющим личным ожиданиям клиентов.

С 90-ых годов западноевропейская автомобильная промышленность активно занимается поиском различных методов и технических возможностей для оформления характера звука АТС.И если в 90-х такие работы проводились больше в рамках доводочных работ на завершающей стадии доводки серийного АТС, то в 2000-ые такой подход оказывается уже недостаточным в связи с резким сокращением времени постановки на производство новых моделей. Все более короткие периоды доводки с небольшим количеством прототипов при возрастающем использовании техник имитации требуют настоятельно последовательного переноса акустического проектирования в раннюю фазу процесса проектирования АТС.

В последние годы достигнут большой прогресс как в снижении внешнего, так и внутреннего шума АТС. Достаточно сказать, что нормативные требования к внешнему шуму АТС ужесточились в Европе за 15 лет в 10 раз с 84 дБ (А) (1980) до 74 дБ (А) (1995). Однако все более тихие АТС могут быть потенциально опасными, если они не воспринимаются адекватно. Это типично, в частности, для «тихих» электрических транспортных средств (электромобилей) и например, для АТС, работающего на водородном топливе. Поэтому внешний шум, в частности, не должен быть очень низким и должен обеспечивать функцию оповещения пешеходов

В отношении внутреннего пространства пассажиры ожидают возможно более тихого и приятного шума от высококачественных, комфортабельных АТС. При этом уровень звука должен был подниматься пропорционально числу оборотов СА, он должен быть свободен от резонансов, без тональных составляющих. Свободные от стресса поездки по автобану с возможностью безмятежной беседы в салоне (кабине водителя) - это неотъемлемые комфортные права клиентов. С другой стороны шум СА содержит сведения, которые принимаются водителем скорее неосознанно, обрабатываются и поддерживают его при движении АТС (подсознательная, поступающая от звукового сигнала информация о числе оборотов СА, о его ускорении и нагрузке). Поэтому слишком сильное уменьшение шума в салоне (кабине водителя), принимая во внимание его информационную ценность, оказывается уже нерациональным. При «полной тишине» в салоне водитель не получает информации о работе СА, ни о его скоростном режиме, ни об ускорении. Зрительная информация о приближении к впереди идущему АТС поступает слишком поздно и зачастую уже не может предотвратить наезда.

Многочисленные попытки создать звуковую информацию о работе СА при помощи «искусственного звука», сила и спектр которого зависел бы от режима работы СА при помощи акустических динамиков, устанавливаемых в салоне и управляемых сложными вычислительными комплексами, были предприняты ведущими автомобильными фирмами Европы в 90-е годы. Они не увенчались успехом, т.к. и водитель и пассажиры воспринимали синтезированный звук как искусственный и психологически не воспринимали его как сигнал от СА, требующий мгновенной и незамедлительной реакции. Так как именно АТС высокого класса имеют низкие уровни звуковых колебаний во внутреннем пассажирском пространстве, для водителя часто относительно трудно воспринимать текущую нагрузку установленного на транспортном средстве СА только на основе передающегося в пассажирское пространство шума СА. Поэтому актуальным является повышения слышимости и информативности звуков СА в пассажирском пространстве при сохранении низких комфортных общих уровней шума, соответствующих классу АТС.

Решение этой проблемы потребовало «доставки» естественных звуковых и вибрационных сигналов идущих непосредственно от СА и его систем. Одним из перспективных направлений, широко исследуемых на Западе, является дозированная передача в салон (кабину водителя) корректированных сигналов от газодинамических систем по искусственным акустическим и механическим каналам.

Из патентных источников информации, например, заявки DE 102007007946 (A1), МПК F01N 1/06, F01N 13/04, опубликованной 04.09.2008; заявки US 2007029133 (A1), МПК F01N 13/04, F01N 1/02, F01N 1/06, опубликованной 08.02.2009 известны устройства для оформления шума АТС регулирующие звук, излучаемый системой выпуска отработавших газов в окружающее пространство, таким образом, чтобы выделить (усилить) шум отдельных основных гармоник и субгармоник для создания спортивного имиджа АТС (спортивного звука). Звук, передающийся в салон АТС, одновременно доносит водителю и подсознательную информацию о режиме работы СА и его оборотах, что согласно работе (Bernd Fuchmann, Patrik Garcia, „Grundsalzuntersuchungen zum Sportsound durch Abgaskrümmer- und Vorrohranpassung", MTZ Motortechnische Teitschrift 62 (2001), 5, pp 356-366) благоприятно сказывается и на безопасности АТС на дороге.

С точки зрения решения проблемы информирования водителя, недостатком рассмотренных выше устройств (и им аналогичным) являются высокие уровни шума, излучаемого системой выпуска отработавших газов в окружающую среду, что приводит к увеличению общего шума АТС. Особенно это актуально для АТС высокого класса, с увеличенной звукоизоляцией салона.

Этого недостатка лишено устройство по патенту US 6644436 (B2), МПК В60К 13/02 (+6), опубликованному 31.10.2002, использующее передачу шума от системы впуска СА непосредственно в салон автомобиля по воздуховодным патрубкам (трубкам), содержащее разделительные мембраны и пустотелые объемы для их размещения и закрепления, и акустического регулирования силы и спектра звука, передаваемого в салон (пассажирское пространство автомобиля).

Недостатком рассмотренной конструкции, особенно для СА с турбонаддувом, является переменные статические давления в системе впуска, зависящие от режима работы СА, переменные статические силы, действующие на мембраны, изменяющие их жесткостные характеристики и нарушающие стабильность характеристик передачи звука в салон (стабильность передаточных функций системы). Другим существенным недостатком устройства является возможность попадания в зону чистого воздуха посторонних предметов при разгерметизации устройства или его поломке.

Названные выше недостатки рассмотренных аналогов в значительной степени устраняются при использовании передачи в салон автомобиля механических колебаний от упругих опор подвески СА. Конструкции таких устройств известны, например, из следующих источников патентной информации: заявка на патент DE 102005025577, МПК F16F 13/10, F16F 13/18, опубликована 07.12.2006; заявка на патент DE 102006003882, МПК F16F 13/10, В60K 5/12, опубликована 02.08.2007; заявка на патент DE 102004043334, МПК F16F 13/10, F16F 13/14, опубликованной 09.03.2006. Все три названные аналога конструктивно представляют собой устройства гидравлических опор подвески СА и состоят из следующих основных составляющих элементов: узлов крепления, соединяющих опору с элементом корпуса АТС (кузова, подрамника) и с СА, соответственно; упругого элемента и различным образом взаимодействующих между собой гидравлических полостей, разделенных перегородкой, и наборов гидромеханических элементов для регулирования динамических усилий, передаваемых на корпус АТС, которые далее по «механическим мостикам» передаются в салон и создают там звуковое поле. Опоры включают также конические дросселирующие элементы регулирующие проходные сечения внутренних каналов и динамические характеристики опоры в зависимости от статической деформации опор.

К недостаткам этих аналогов можно отнести ограниченность путей и элементов воздействия на частотные характеристики передачи, так как регулирующие элементы воздействуют одновременно и на низкочастотные (основные) характеристики опоры и на ее динамические характеристики в области частот информативного звука. Другой недостаток - сложность контроля и регулирования передачи колебаний по корпусу АТС.

В качестве прототипа может быть рассмотрено устройство, представленное в заявке на патент DE 102006058110, МПК F16F 13/18, F16F 13/10, опубликована 12.06.2008. Рассмотренное в прототипе устройство, в частности, содержит корпус опоры, сформированные внутри корпуса верхнюю и нижнюю гидравлические полости, разделенные перегородкой содержащей дросселирующий канал, нагрузочную втулку, резино-металлическую пружину, воздушную полость, отделенную от нижней гидравлической полости упругой мембраной и узлы крепления, соединяющие гидравлическую опору с несущим элементом корпуса АТС и корпусом СА.

Однако и прототипу присущи частично те же недостатки, которые уже были отмечены при описании аналогов и, в частности, сложность управления передачей звука по корпусу АТС.

Эти недостатки устраняется в предлагаемой (заявляемой) ниже конструкции гидравлической опоры СА АТС наделенной дополнительной акустической функцией, в которой предусмотрены технические средства для преобразования вибрационных сигналов, генерируемых СА в акустические сигналы и передаваемых (сообщаемых) от зоны гидравлической опоры в контролируемый комфортно-информационный воздушный акустический сигнал, передающийся в кабину водителя (пассажирское помещение) АТС.

Технический результат достигаемый предлагаемым изобретением заключается в повышении качества формирования и восприятия адекватного комфортно-информационного акустического сигнала органами слуха водителя и пассажиров в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС.

Сущность технического решения заключается в реализации совокупности существенных признаков представленных в независимом пункте формулы изобретения, и достигается тем, что в известном устройстве гидравлической опоры подвески СА АТС с акустической функцией, содержащем сформированные внутри ее корпуса верхнюю и нижнюю гидравлические полости, разделенные перегородкой, содержащей дросселирующий канал, нагрузочную втулку, резино-металлическую пружину, воздушную полость, отделенную от нижней гидравлической полости упругой мембраной и узлы крепления, соединяющие гидравлическую опору с несущим элементом корпуса автотранспортного средства и корпусом силового агрегата, воздушная полость опоры соединена акустически с кабиной водителя (пассажирским помещением) АТС соединительной воздушной трубкой, в которую интегрированы разделительная мембрана и дроссельный регулятор, изменяющий свое проходное сечение в зависимости от нагрузочного режима СА. В соединительной воздушной трубке, вблизи ее выходного конца, размещен звукопроницаемый поглощающий элемент в виде перегородки, изготовленной из пористого сетчатого материала, например, Фельдметалла. На участке воздушной системы, между разделительной мембраной и воздушной полостью гидравлической опоры выполнено дросселирующее отверстие, соединенное с пространством моторного отсека. Разделительная мембрана размещена в дополнительном полом объеме, интегрированным в соединительную воздушную трубку. Собственная частота свободных колебаний разделительной мембраны в дополнительном полом объеме лежит в актуальном диапазоне частот желаемого генерируемого информационного звука.

Сравнение и анализ научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из чертежей и следующего детального описания заявляемого устройства, где:

На фиг.1 представлена схема возможного варианта конструктивного исполнения предлагаемой гидравлической опоры подвески СА АТС с акустической функцией;

На фиг.2 представлено сечение фиг.1 плоскостью А-А;

Устройство гидравлической опоры подвески СА АТС с акустической функцией, изображенное на чертежах содержит собственно гидравлическую опору 1 подвески СА 2 (по этой же позицией 2 и ДВС) к элементу 3 корпуса АТС, с резинометаллической пружиной 4, верхней 5 и нижней 6 гидравлическими полостями, разделенными перегородкой 7 с дросселирующим каналом 8, воздушной полостью 9, отделенной от нижней гидравлической полости 6 упругой мембраной 10, нагрузочную втулку 11, связанную с узлом крепления гидравлической опоры к СА и узел крепления 12, соединяющий гидравлическую опору 1 с элементом 3 корпуса АТС. Устройство дополнительно содержит полую емкость 13, разделенную на два объема воздухонепродуваемой разделительной мембраной 14, причем один из объемов 15 полой емкости 13 соединен с воздушной полостью 9 гидравлической опоры 1 гибкой воздушной трубкой 16, а второй объем 17 полой емкости 13 соединен воздушной трубкой 18 с кабиной водителя (пассажирским пространством) 19 АТС. В воздушной трубке 18, вблизи ее выходного конца, размещен звукопоглощающий элемент 20 в виде перегородки, изготовленной из пористого сетчатого материала (ПСМ), например, Фельдметалла, а гибкая воздушная трубка 16 снабжена регулятором 21 изменения ее проходного сечения в зависимости от нагрузочного режима СА.

Регулятор 21 изменения проходного сечения гибкой воздушной трубки 16, как это показано на фиг.2, выполнен в виде эластичного шланга 22, частично пережатого механическими зажимами 23 и 24 в зависимости от статической деформации гидравлической опоры 1 при статическом пространственном смещении СА 2. Зажим 23 соединяется механически с нагрузочной втулкой 11, связанной с узлом крепления гидравлической опоры к СА, зажим 24 - с узлом крепления 12 или с корпусом 1.

Объем полой емкости 13, соединенный с воздушной полостью 9 гидравлической опоры 1, акустически сообщается с атмосферой посредством калиброванного отверстия 25.

Собственные частоты мембраны 14 подбираются близкими к основной гармонике ДВС на оборотах, равных примерно половине максимальных оборотов ДВС. Акустическое соединение второго объема 17 полой емкости 13 с кабиной водителя (пассажирским помещением) 19 АТС и/или с моторным отсеком (не показан) и/или с окружающим пространством и/или с интерьером (салоном) АТС, осуществляется, по крайней мере частично, при помощи гибкой полой цилиндрической воздушной трубки 18. Акустическое соединение объема 15 полой емкости 13 с воздушной полостью 9 гидравлической опоры 1, выполнено, по крайней мере, частично, при помощи гибкой (полой цилиндрической) воздушной трубки 16.

В воздушной трубке 18 размещен компактный звукопоглощающий элемент 20, в виде перегородки, которая выполнена из пористого сетчатого (волокнистого) звукопоглощающего материала, например, из пористого сетчатого металлического материала (типа Фельдметалла, Сойферита и т.п.).

Под действием неуравновешенных внутренних сил инерции и переменных газовых сил в цилиндрах ДВС последний вибрирует на гидравлических опорах 1 и эти вибрации передаются механически на корпус АТС. Для уменьшения вибрации между СА и корпусом АТС установлены податливые гидравлические опоры 1, значительно уменьшающие передачу вибраций на корпус АТС за счет гибкости резинометаллической пружины 4.

Однако, тем не менее, за счет податливости резинометаллической пружины 4 (далее пружина) передача вибраций полностью не устраняется. Особенно сильной передача вибрации становятся при совпадении частот инерционных сил с собственными частотами колебаний СА на гидравлических опорах 1. Для уменьшения вибраций гидравлическая полость гидравлической опоры 1 разделена на две гидравлические полости 5 и 6 перегородкой 7 с дросселирующим каналом 8. При смещении СА, например, вниз - пружина 4 сжимает жидкость в верхней 5 гидравлической полости гидравлической опоры 1 и проталкивает ее в нижнюю гидравлическую полость 6 через дросселирующий канал 8. При продавливании кинетическая энергия жидкости частично рассеивается (превращается в тепловую) и резонансные амплитуды передающихся вибраций уменьшаются.

Колебания СА под действием неуравновешенных внутренних сил вызывают относительное смещение СА относительно корпуса АТС и соответственные относительные смещения нагрузочной втулки 11 и узла крепления 12 гидравлической опоры 1 друг относительно друга. Эти смещения приводят к перемещениям пружины 4 относительно корпуса опоры 1 и выдавливанию жидкости из верхней 5 гидравлической полости через дросселирующий канал 8 в подмембранную полость (нижнюю 6 гидравлическую полость). В свою очередь заполнение нижней (подмембранной) гидравлической полости 6 жидкостью приводит к перемещению упругой мембраны 10, увеличению динамического давления в воздушной полости 9 и колебательному выдавливанию избыточного объема воздуха в гибкую воздушную трубку 16. Эти колебания передаются по гибкой воздушной трубке 16 в полую емкости 13 и вызывают возбуждение поля звукового давления в ее объеме. Колебания звукового давления, в свою очередь, воздействуют на разделительную мембрану 14 и вызывают ее колебательные перемещения и соответственные сжатия-разрежения в объеме. Колебания звукового давления во втором объеме 17 полой емкости 13 вызывают колебания газа в воздушной трубке 18, по которой они передаются в кабину водителя (пассажирское помещение) 19 АТС. В воздушной трубке 18 установлен звукопоглощающий элемент 20, воздействующий на акустические характеристики передачи звука и, в частности, уменьшающий резонансные колебания в воздушной трубке 18.

Через калиброванное отверстие 25 из полой емкости 13 «отводятся» низкочастотные звуковые колебания негативно воспринимаемые «слушателями» в салоне АТС.Длина (глубина) калиброванного отверстия 24 и его диаметр связаны соотношением

Длина (глубина) калиброванного отверстия 24 и его диаметр связаны соотношением

где

F_otv и L_otv - площадь и длина калиброванного отверстия (м² и м, соответственно), с - скорость звука, F₁₈ - площадь поперечного сечения воздушной трубки 18 (м²).

ω₁ - частота настройки системы, обычно равная частоте основной гармоники на оборотах 3500 мин^-1

При этом для низких частот (ω<ω₁) акустическое сопротивление отверстия намного меньше акустического сопротивления воздушной трубки 18, идущей в кабину водителя (пассажирское помещение) и низкочастотный звук уходит через отверстие.

Регулирование по уровню и спектральному составу комфортно-информационного звукового сигнала поступающего в кабину водителя (пассажирское помещение) 19 АТС осуществляется за счет соответствующей акустической настройки элементов звукопередающей цепочки (длин и диаметров гибкой воздушной 16 и воздушной 18 трубок, акустических характеристик элементов, объемов, жесткости и резонансных частот разделительной мембраны 14, возможной установкой дополнительных механо-акустических фильтров, в виде дополнительной воздушной полости, разделенной на два пространства гибкой мембраной, а также автоматической или ручной регулировкой длины трубок, жесткости мембраны, и установкой дросселей. В рассмотренном устройстве (частный случай конструктивного исполнения, представленный в зависимом п.2 формулы изобретения) предусмотрено применение регулятора 21 изменения проходного сечения гибкой воздушной трубки 16, как это показано на фиг.2, который выполнен в виде эластичного шланга 22, частично пережатого механическими зажимами 23 и 24 в зависимости от статической деформации гидравлической опоры 1 при статическом пространственном смещении СА 2.

Разумеется, заявляемое изобретение не ограничивается приведенными конкретными конструктивными примерами его осуществления, описанными в тексте и показанными на прилагаемых фигурах. Остаются возможными и некоторые несущественные изменения различных элементов или материалов, из которых эти элементы выполнены, либо замена их технически эквивалентными, не выходящими за пределы объема притязаний, обозначенного формулой изобретения.