Результат интеллектуальной деятельности: ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО

Изобретение относится к области машиностроения, в частности транспортного машиностроения, и представляет собой конструкцию транспортного средства, в частности автомобиля, снабженного шумовибродемпфирующим декоративным кожухом верхней части двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС).

Для повышения эстетических характеристик подкапотного пространства транспортного средства, т.е. улучшения внешнего вида за счет оригинального дизайна, а также для целенаправленной термоизоляции отдельных зон подкапотного пространства или обеспечения шумопоглощения в локальных зонах ДВС 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 достаточно широко используются конструкции специальных кожухов, охватывающих верхнюю шумоактивную часть ДВС, выполненных в виде внешней жесткой несущей оболочки (панели) из плотного полимерного материала (полиамид, полипропилен и т.п.), футерованной изнутри соответствующим пористым (волокнистым, пенистым) звукопоглощающим материалом. В большей степени такой кожух ослабляет шум, генерируемый газораспределительным механизмом ДВС. Крепление такого кожуха выполняется съемным и осуществляется к внешним поверхностям соответствующих деталей корпуса ДВС и навесных вспомогательных агрегатов и систем ДВС, которые, как известно, подвержены интенсивным вибрациям в процессе осуществления рабочих процессов, протекающих непосредственно в ДВС. Соответственно, будучи закрепленными к различным зонам корпуса ДВС и/или различным агрегатам ДВС (например, к клапанной крышке, ресиверу системы впуска, головке цилиндров и пр.), совершающих интенсивные колебательные движения относительно друг друга, отличные по спектральному составу, амплитудному и фазовому соотношению, кожух (его несущая оболочка) нагружается соответствующим силовым и кинематическим возбуждением, в результате чего 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 от ДВС, подводимых к оболочке, совпадают с одной из частот (или кратны одной или нескольким частотам) собственных изгибных колебаний оболочки кожуха, что ведет к усиленному процессу излучения звука оболочкой кожуха в подкапотное пространство транспортного средства.

С целью ослабления такого неблагоприятного воздействия на возбуждение несущей структуры оболочки кожуха через твердые пути передачи (крепежные связи) крепление кожуха к ДВС в большинстве случаев осуществляется с использованием промежуточных упругих виброизолирующих элементов (как правило, резинометаллических втулок), которые ослабляют передачу вибрационной энергии, передаваемой с корпуса ДВС (вспомогательных и навесных агрегатов ДВС) на структуру плотной оболочки кожуха, см., например, патент США №4027644, МПК F 02 B 77/00, 1977 год. Однако такое конструктивное решение не всегда является достаточно эффективным и обладает рядом существенных недостатков.

Во-первых, применение упругого виброизолированного крепления кожуха, наряду с ослаблением передачи на средних и высоких частотах вибрационного возбуждения, ведет к непременному низкочастотному резонансу колебательной системы, как колеблющегося твердого тела на упругой связи (массы кожуха, как диафрагмы, установленной на пружине), с соответствующим усилением излучения низкочастотного звука (шума).

Во-вторых, применение резиновых виброизолирующих втулок кожуха в "горячих" зонах ДВС требует, с одной стороны, применения дорогостоящих термостойких резин, а с другой - непременно связано с постепенной 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 в зимнее время года.

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 Automotive France SA "Top Engine Cover: A Part of a comprehensive Noise Reduction Sistem", 98 SAF 068, с.287...297.

В прототипе описан декоративный кожух ДВС, выполняющий функцию глушителя шума верхней части корпуса ДВС, см. фиг.7-8. Кожух содержит несущую декоративную панель из плотного полимерного материала, снабженную внутренними ребрами жесткости, которая крепится к корпусным деталям ДВС (клапанной крышке и ресиверу) съемными резьбовыми деталями (метизами) и содержит 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), а также содержит виброизолирующие втулки в зонах крепления кожуха к ДВС.

В выбранном прототипе имеют место проблемы, которые уже были отмечены выше. В частности, звукопоглощающий слой кожуха, не обладая достаточно высоким коэффициентом потерь по вибрационному демпфированию структур, практически никак не препятствует возможности возникновения низкочастотных изгибных резонансов упруго смонтированной жесткой несущей структуры оболочки кожуха, что ведет к соответствующему генерированию этой структурой интенсивного низкочастотного звука. С другой стороны, такая конструкция кожуха обеспечивает исключительно одностороннее поглощение шумовой энергии (только со стороны излучаемой верхней зоной ДВС, которая попадает непосредственно на внутреннюю пористую звукопоглощающую футеровку кожуха). Энергия диффузного звукового поля, формируемая многократными отражениями звуковых волн от панелей кузова подкапотного пространства транспортного средства (в первую очередь - от капота кузова), попадая на внешнюю плотную, звукоотражающую поверхность кожуха отражается (а не поглощается) в пространство моторного отсека и далее свободно излучается в окружающую среду через открытые проемы моторного отсека, что снижает эффективность процесса шумоподавления.

Техническая задача в предлагаемом устройстве решается путем выполнения декоративной оболочки кожуха из пористого звукопоглощающего материала, структура которого обладает высокими демпфирующими и механическими характеристиками и которая футеруется изнутри слоем пористого звукопоглощающего материала, что в конечном итоге формирует двухслойную пористую звукопоглощающую структуру самонесущего типа с двумя пористыми слоями: одним пористым слоем - внешним несущим и другим пористым слоем - внутренним футерующим внешний слой.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном транспортном средстве, преимущественно наземном колесном, например легковом автомобиле, содержащем, в частности, установленный в моторном отсеке двигатель внутреннего сгорания, верхняя часть которого охвачена двухслойным кожухом, размещенным с зазором по отношению к капоту кузова, причем внешняя несущая декоративная оболочка кожуха закреплена на корпусе двигателя внутреннего сгорания, а на внутренней поверхности кожуха размещена внутренняя звукопоголощающая панель из пористого звукопоглощающего материала, названная внешняя несущая декоративная оболочка выполнена из пористой демпфирующей звукопоглощающей металлической структуры, а внутренняя звукопоглощающая панель закреплена на ней посредством механических держателей. В частности, внешняя несущая декоративная оболочка кожуха может быть выполнена из пенистого открытоячеистого алюминия или его сплавов, из пористого сетчатого материала или пористого материала типа металлорезины. Внутренняя звукопоглощающая панель (изнутри футерующая внешнюю оболочку) может быть выполнена из открытоячеистого пенополиуретана, пористого прессованного фетра из синтетических или органических волокон, пористой структурированной кожи (криоструктурированного коллагеносодержащего материала). Для повышения изгибной жесткости внешней несущей оболочки ее внутренняя поверхность, при необходимости, может быть выполнена оребренной или с закладными армирующими элементами, при этом пространство между ребрами жесткости может быть заполнено фрагментами звукопоглощающей панели.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

- на фиг.1 показан фрагмент поперечного сечения моторного отсека заявляемого транспортного средства;

- на фиг.2 показан возможный вариант крепления кожуха на корпусе ДВС;

- на фиг.3 показан фрагмент поперечного сечения кожуха;

- на фиг.4 приведены значения нормального коэффициента звукопоглощения двухслойной композитной структуры, составленной из пористых слоев вспененного алюминия и структурированной кожи в сравнении с аналогичными значениями определенных однослойных структур, состоящих исключительно из пористого вспененного алюминия или из структурированной кожи.

Представленное на фиг.1 транспортное средство содержит установленный в моторном отсеке ДВС 1, верхняя часть которого охвачена двухслойным кожухом, размещенным с зазором 2 в подкапотном пространстве по отношению к капоту 3 кузова, причем внешняя несущая декоративная пористая оболочка 4 кожуха жестко закреплена на корпусе ДВС 1, а на ее внутренней поверхности размещена внутренняя (цельная или составная) звукопоглощающая панель 5 из пористого материала. Внешняя несущая декоративная оболочка 4 выполнена из пористой демпфирующей и шумопоглощающей металлической структуры, слабо излучающей шум при динамическом вибрационном возбуждении, а внутренняя звукопоглощающая панель закреплена на ней посредством механических держателей. В частности, внешняя несущая декоративная оболочка 4 кожуха может быть выполнена из пенистого открытоячеистого алюминия или его сплавов, из пористого сетчатого материала или материалов типа пористой металлорезины. Внутренняя звукопоглощающая панель 5 может быть выполнена из открытоячеистого пенополиуретана, пористого звукопоглощающего фетра из синтетических или органических волокон, пористой структурированной кожи (криоструктурированного коллагеносодержащего материала). Для повышения изгибной жесткости структуры внешней несущей оболочки она может быть выполнена оребренной, при этом пространство между ребрами 6 жесткости может быть заполнено фрагментами внутренней пористой звукопоглощающей панели 5.

Возможны различные конструктивные варианты монтажа внутренней звукопоглощающей панели 5 (в виде монолитной панели или ее отдельных нескольких фрагментов) на внешней несущей декоративной пористой оболочке 4, например, с помощью механических держателей.

Крепление шумопонижающего кожуха осуществляется к соответствующим деталям корпуса ДВС и навесных вспомогательных агрегатов и систем ДВС, которые, как известно, подвержены интенсивным вибрациям в процессе осуществления рабочих процессов, протекающих непосредственно в ДВС. Из приведенного выше анализа уровня техники следует, что декоративные оболочки кожухов изготавливаются из плотных (жестких) материалов. Как правило, это пластиковые детали из жесткого плотного материала, легко виброзвуковозбудимые и не обладающие звукопоглощающими свойствами. Соответственно, будучи закрепленными к различным зонам корпуса ДВС и/или различным агрегатам ДВС (например, к клапанной крышке, ресиверу системы впуска, головке цилиндров и пр.), совершающим интенсивные колебательные движения относительно друг друга, отличные по спектральному составу, амплитудному и фазовому соотношению, кожух (несущая оболочка) нагружается соответствующим силовым и кинематическим возбуждением. В результате этого его стенки совершают интенсивные свободные и вынужденные колебания, изгибные деформации, превращая его (кожух) в колеблющуюся звукоизлучающую диафрагму (оболочку). Особенно опасными являются вибрации несущей оболочки 4 кожуха на резонансных частотах изгибных 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 резонансному процессу излучения звука в окружающую среду, а в отдельных случаях - к динамическому разрушению конструкции кожуха.

Шумопонижающая эффективность кожуха ДВС в предлагаемом транспортном средстве в первую очередь обусловлена выбором материалов, из которых изготовлена несущая оболочка 4 и внутренняя звукопоглощающая панель 5, с определенными физико-механическими свойствами. В частности, с одной стороны, оболочка 4 из пористой демпфирующей и шумопоглощающей металлической структуры является слабо возбудимой (повышенное внутреннее трение), слабо звукоизлучаемой (пористая структура) и шумопоглощающей (пористая структура) конструкцией, что обеспечивает в целом высокие акустические качества кожуха. С другой стороны, использование комбинированной двухслойной конструкции шумопоглощающих структур из разнородных материалов с отличающимися физическими характеристиками, как показали эксперименты, позволяет расширить частотный диапазон эффекта шумоподавления. Придание внешнему слою (структуре внешней несущей оболочки 4) свойств шумоподавления позволяет превратить кожух в двухсторонний шумопоглотитель объемного типа, обеспечивающий в том числе и поглощение диффузного звука в ограниченном пространстве моторного отсека транспортного средства.

В отличие от известных, описываемых выше кожухов в предлагаемом техническом решении все структурные слои кожуха, а именно 4 и 5, являются звукопоглощающими. Даже без применения специальных виброизоляторов (обычно резиновых) структура кожуха слабо возбуждается, поскольку внешняя несущая оболочка 4 выполнена из материала с высоким демпфированием (внутренним трением), например пористого открытоячеистого алюминия или его сплавов, пористого открытоячеистого титана, пористого сетчатого материала, пористой металлорезины, или других аналогичных по своим физико-механическим свойствам металлических материалов. Наличие сквозной пористости (открытых пор) в структуре внешнего 4 и внутреннего 5 слоев превращает кожух в слабый излучатель звука даже при его интенсивных вибрациях. Кроме того, в предлагаемом транспортном средстве реализуется эффект двухстороннего шумопоглощения, включая поглощение звуковых волн, отражаемых от поверхности капота 3.

Двухслойная шумопоглощающая структура кожуха имеет значительную звукопоглощающую способность, что подтверждается экспериментальными данными ввиду согласования волновых сопротивлений распространяемых звуковых волн через слоистые среды и имеет более широкий частотный и динамический диапазон звукопоглощения, формируемый совместным воздействием на падающие звуковые волны двух разнородных пористых звукопоглощающих структур. Благоприятное воздействие на эффективность звукопоглощения оказывает в том числе и наличие воздушного зазора в подкапотном пространстве 2 между обивкой шумопоглощающей 9 капота 3 (хотя обивки шумопоглощающей 9 в зоне над кожухом может и не быть) и слоями кожуха 4 и 5.

В свою очередь непосредственную функцию поглощения звуковой энергии излучаемой верхней частью корпуса ДВС 1, находящейся под кожухом, выполняют в первую очередь пористая структура внутренней звукопоглощающей панели 5, а затем пористая структура внешней несущей оболочки 4.

Практическая реализация предлагаемого устройства позволяет:

обеспечить компактность кожуха, т.к. либо совсем не требуется, либо требуется применение малых высот ребер жесткости для обеспечения заданной изгибной жесткости внешней декоративной оболочки 4, поскольку материал несущей оболочки обладает не только высокими демпфирующими свойствами, но и обладает высокой жесткостью и механической прочностью;

обеспечить простоту вторичной переработки, т.к. оба составных элемента - внешнюю декоративную несущую оболочку 4 и внутреннюю панель 5 - можно легко разъединить для процессов последующей раздельной переработки;

обеспечить высокую шумопонижающую способность кожуха за счет эффективного поглощения как звуковой энергии, излучаемой верхней частью ДВС, так и излучаемой агрегатами и системами силового агрегата в подкапотном пространстве моторного отсека диффузного звука.

Как показали экспериментальные исследования по определению звукопоглощающих характеристик, выполненные на установке "Труба Кундта" методом акустического интерферометра образца комбинированного двухслойного пористого материала, состоящего из слоя пористого открытоячеистого листа пенистого алюминия толщиной 20 мм и пористого слоя структурированной кожи толщиной 8 мм, его характеристики звукопоглощения резко увеличиваются в диапазоне частот 400...2000 Гц в сравнении с индивидуальными значениями нормальных коэффициентов звукопоглощения составных слоев, определяемых раздельно, см. фиг.4. При этом следует подчеркнуть, что отмеченный частотный диапазон 400...2000 Гц является доминирующим в спектре излучения шума ДВС наземных транспортных средств и в связи с этим его эффективное подавление является одной из самых актуальных задач борьбы с шумом транспортных средств.