Особенности характеристик виброакустики и вибронагруженности некоторых российских автомобилей и автобусов

Тольский В.Е., д.т.н., профессор / Воеводенко С.М., к.т.н. / ГНЦ ФГУП НАМИ

Внешний шум автомобиля — важный показатель его экологических качеств. Именно поэтому международные нормы по уровню внешнего шума автомобилей и автобусов (АТС) постоянно ужесточаются.

С момента введения Международных Правил ЕЭК ООН, нормы внешнего шума, для легковых автомобилей уменьшились с 82 до 74 дБА, а для большегрузных автомобилей с 92 до 80 дБА. Такие же нормы действуют сейчас и для городских автобусов (Правила ЕЭК ООН №51-02 и ГОСТ Р.41.51-2002).

В СССР нормы внешнего шума АТС начали действовать с 1975 года. Они были не жесткие и только в 1999 г. были приравнены к международным нормам. Специальных мер по уменьшению внешнего шума АТС не проводилось. Измерение внешнего шума производится в дБА, а на ряде легковых автомобилей и автобусов, производившихся ранее в СССР, (ГАЗ-24 и ЛИАЗ-677) проявлялся сильный «треск» в системе выпуска, особенно четко при разгоне этих АТС. Однако, его частота была ниже 100 Гц, поэтому этот шум не повышал общий уровень внешнего шума этих АТС в дБА (в силу характеристик шумомера). Таким образом, формально все было в порядке, и эти АТС укладывались в нормативы по шуму (дБА).

В связи с ужесточением норм по уровню внешнего шума в системах выпуска АТС, все большее применение получают глушители с набивкой из волокнистых материалов.

К этим материалам предъявляются специальные международные требования. Прежде всего, необходимо, чтобы качества таких глушителей сохранялись в процессе эксплуатации автомобилей. К сожалению, на большинстве автомобилей «Газель», на которые устанавливаются глушители с набивкой из волокнистых материалов, явно слышен шум системы выпуска ДВС.

Конечно, возможности снижения внешнего шума автомобилей и автобусов ограничены (1). Ведь помимо шумов различных агрегатов автомобиля (двигателя, системы выпуска и других), важным является уровень шума шин. Он является особенно важной составляющей внешнего шума легковых автомобилей.

В связи с этим, Правилами ЕЭК ООН №51-02 предусмотрено проведение испытаний на дороге со специальным покрытием. На большинстве легковых автомобилей, особенно с автоматическими коробками передач, при измерении внешнего шума по методике Правил ЕЭК ООН №51-02 большую часть внешнего шума составляет шум шин. Существенно снизить уровень шума автомобильных шин, предназначенных для обычных дорог, по мнению авторов, непросто.

Поэтому можно предположить, что международные нормы внешнего шума АТС будут снижаться гораздо медленней и в будущем не будут значительно отличаться от действующих в настоящее время.

Что касается источников внешнего шума грузовых автомобилей и автобусов, наиболее значимой составляющей является структурный (вибрационный) шум ДВС, затем шум систем газообмена. Особенно высокий уровень структурного шума у АТС с дизельным двигателем большой мощности. Применение турбонаддува и снижение максимальной частоты вращения коленчатого вала способствовало уменьшению структурного шума дизельных двигателей семейства КАМАЗ и ЯМЗ. Для уменьшения внешнего шума на некоторых моделях российских грузовых автомобилей и автобусов применяют экранирование и капсюлирование силового агрегата, что снижает внешний шум, но, само собой, повышает себестоимость и усложняет техническое обслуживание АТС.

На ряде грузовых автомобилей и автобусов российского производства общий уровень внешнего шума складывается, в основном, из шумов коробки передач и ведущих мостов, что не характерно для большинства зарубежных АТС.

Внешний шум автомобиля КРАЗ-256 не мог быть в свое время снижен до величины менее 85 дБА из-за повышенного шума коробки передач и ведущего моста.

Из результатов проведенных стендовых испытаний нескольких ведущих мостов российского производства следует, что общий шум и вибрация моста определяются, в основном, качеством конической пары шестерен. Практика показала, что из партии конических шестерен одного и того же российского завода-изготовителя ведущих мостов для городских автобусов можно выбрать 2 пары шестерен, при которых уровень вибрации моста меняется в 2 раза.

Некачественно изготовленный ведущий мост может резко увеличить шум в задней части городского автобуса, а в этом случае нормативный показатель (по ГОСТ Р.51616-2000– 82 дБА) может быть превышен на 10 и более дБА.

Следует отметить, что ведущий мост, имеющий повышенную вибрацию, может вызывать увеличение звуковой вибрации, а значит и внутреннего шума в автобусе. Как показали результаты испытаний автобуса городского типа, в этом случае повышенная вибрация картера заднего ведущего моста передается через реактивные тяги на основание кузова, что, в свою очередь, увеличивает шум внутри автобуса. Замена упомянутого моста на зарубежный образец позволила существенно уменьшить уровень внутреннего шума в автобусе российского производства.

Международных норм на уровень внутреннего шума АТС нет.

В РФ действует ГОСТ Р.51616, по которому уровень шума в пассажирском помещении и в кабине АТС должен быть не выше 78-82 дБА.

Однако, до сих пор не отменен ГОСТ 12.1.003-83, разработанный в свое время в институте Охраны Труда ВЦСПС. По этому ГОСТу, «на рабочем месте водителей и обслуживающего персонала легковых автомобилей уровни звука не должны быть более 60 дБА». Никакие ни отечественные, ни зарубежные автомобили на проходят по этому ГОСТу. Об этом курьезном документе даже был запрос в Правительство РФ от представительства фирмы «Мерседес». Был в свое время и 3-й ГОСТ, касающийся различных параметров легковых автомобилей, по которому ограничивался шум при движении со скоростью, равной 100 км/ч. Это поддерживалось представителями УГК ГАЗ, т.к. на автомобиле ГАЗ-24 повышенный шум в автомобиле фиксировался при 80 км/ч.

По ГОСТ Р.51616, АТС разгоняется на предвысшей передаче с 0,45 до 0,9 nmax (но не более 120 км/ч). Существенную часть внутреннего шума на большинстве АТС составляет звуковая вибрация. Особенно это относится к легковым автомобилям и автобусам.

Для ряда российских и устаревших зарубежных городских автобусов характерна повышенная вибрация кузова при малой частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу дизеля. Это не повышает шум в пассажирском помещении, но вызывает повышенную вибрацию сидений, неприятные ощущения у пассажиров, а так же дребезжание стекол, ручек и всего остального. Особенно эта вибрация проявляется при установке на городском автобусе дизеля ЯМЗ-236, который обладает повышенной виброактивностью и требует особого внимания к выбору подвески силового агрегата, в отличие, например, от дизеля ЯМЗ-238 (2). Это обстоятельство, к сожалению, как показывает практика, не всегда учитывается конструкторами автобусных заводов.

На автомобилях семейства УАЗ-452 (УАЗ-469) неправильно была выбрана конструкция передних опор силового агрегата. Была применена устаревшая сборная конструкция задних опор (см. 2) силового агрегата автомобиля ГАЗ-51, однако опора, в отличие от автомобиля ГАЗ-51, была установлена под углом, что в процессе эксплуатации приводило к износу резиновой втулки соединительного болта и появлению металлического контакта между кронштейнами двигателя и рамы автомобиля УАЗ-452. Это существенно увеличивало вибрацию автомобиля.

Автомобиль ВАЗ-21213 — вероятно, единственный автомобиль, где в руководстве по эксплуатации и техническому обслуживанию написано, что нужно делать, если появляется повышенная вибрация переднего пола. Там же указаны режимы работы автомобиля, при которых она может возникнуть. В этот автомобиль, с точки зрения виброакустики, были заложены два неверных конструкторских решения. Первое и самое главное — жесткое крепление ДВС к переднему ведущему мосту. Как показали испытания, при отсоединении ДВС от моста уровень звуковой вибрации и внутреннего шума в автомобиле ВАЗ-21213 существенно уменьшается. В настоящее время предоставляются услуги (вне завода) по устранению этого дефекта. Второе: раздаточная КП выполнена отдельно от основной КПП, что приводит в эксплуатации к нарушению соосности этих двух агрегатов. В соединительном вале была установлена упругая муфта, затем для устранения этого дефекта в этот узел был установлен шруз, конструкция которого близка к шрузу, применяемому в передних ведущих колесах автомобиля «Ока». Соосность упомянутых двух агрегатов всегда будет нарушаться в процессе эксплуатации, т.к. основная КПП и раздаточная КП установлены на своих собственных резиновых опорах, которые имеют в процессе эксплуатации разную остаточную деформацию. Именно этим вызвано применение регулировочных прокладок в местах установки опор раздаточной КП этого автомобиля. Кроме того, в автомобиле ВАЗ-21213 прослушивается шум шестерен КПП и заднего моста. На ряде зарубежных и российских АТС были обнаружены изгибные колебания отдельных элементов и агрегатов автомобиля. Изгибные колебания присущи агрегатам, имеющим большую длину. Изгибные колебания силового агрегата возникают при продольном его расположении на автомобиле. В трансмиссии заднеприводных автомобилей изгибные колебания возникают в длинных карданных валах при отсутствии промежуточной опоры.

В переднеприводных автомобилях возможны изгибные колебания более длинной полуоси. Наличие изгибных колебаний может привести к ухудшению плавности хода, увеличению вибрации и внутреннего шума в автомобиле, а в ряде случаев и к вибрационным поломкам картерных деталей силового агрегата.

Существенное значение имеет жесткость стыков между агрегатами, входящими в состав силового агрегата (картеры маховика, сцепления, коробки переключения передач, удлинителя и делителя). Возбудителями изгибных колебаний силового агрегата и полуосей на легковых автомобилях могут быть неуравновешенные силы инерции второго порядка ДВС Р-4, а на грузовых автомобилях — повышенный динамический дисбаланс длинного карданного вала

Последнее наблюдалось на первых опытных образцах автомобилей МАЗ и КАМАЗ, что приводило к появлению трещин в картере сцепления в районе крепления гидропривода сцепления (3, 4). Изгибные колебания силового агрегата вызывали поломки картерных деталей и на грузовых автомобилях семейства ГАЗ из-за повышенного дисбаланса маховика, когда в эксплуатации снимали ограничитель числа оборотов ДВС (5).

Трещины на картере сцепления появлялись на легковых автомобилях ГАЗ-24 при наличии удлинителя и отсутствии промежуточной опоры в карданной передаче. В этом случае длинный карданный вал, совершая изгибные колебания, передавал вибрацию, что приводило к значительному увеличению шума в задней части пассажирского помещения (6).

Изгибные колебания могут возникать также в деталях, соединяющих силовой агрегат и раму (кузов). Такое явление наблюдалось на первых опытных образцах автомобилей Москвич-2141. Выяснилось, что поперечина, на которую опирались две передние опоры ДВС, имела основную частоту изгибных колебаний около 140 Гц. Это было вызвано неуравновещенной силой инерции 2-го порядка ДВС и приводило к увеличению шума в автомобиле при 4200 об/мин. Было изготовлено много более жестких образцов опытных конструкций поперечины, однако эта частота существенно не изменилась. Только при изменении способа крепления поперечины к кузову частота повысилась примерно до 190 Гц.

Увеличение механического сопротивления конструкции способствует снижению уровня вибрации, которая по ней распространяется.

На ряде автомобилей с продольным расположением силового агрегата неудачно были выбраны точки крепления задней опоры к несущему кузову (ГАЗ-24, АЗЛК-2141).

Эти точки были выбраны там, где кузов имел высокую вибрационную подвижность (низкое механическое сопротивление), что приводило к увеличению вибрации и внутреннего шума (7).

На автомобилях «Газель» неудачно были выбраны конструкция поперечины задней опоры силового агрегата и ее крепление к раме автомобиля. Это приводило к тому, что вибрация поперечины была выше вибрации самого двигателя. Отрицательная виброизоляция была зарегистрирована при наличии резинового виброизолятора. Изменение конструкции поперечины и ее крепления к раме способствовали снижению вибрации поперечины и внутреннего шума на месте водителя до нормативных требований по ГОСТ Р.51616.

В ряде случаев применение упругого крепления обоймы промежуточной опоры карданного вала к основанию кузова способствует снижению звуковой вибрации в автобусе. При движении автобуса ПАЗ-652 со скоростью 80 км/час виброскорость пола кузова снизилась в 3 раза за счет применения упругого крепления этой обоймы (6).

Весьма важно знать характер колебаний отдельных подсистем при движении АТС по дорогам с различным покрытием, т.е. надо знать так называемый «динамический портрет» автомобиля. Такая возможность появилась во второй половине прошлого века после появления многоканальной аппаратуры типа Multidata-Integra, специально изготовленной для испытаний АТС (8). Применение такой аппаратуры позволило выявить ряд неприятных особенностей российских автомобилей.

В длиннобазном грузовом автомобиле могут возникать низкочастотные вертикальные изгибные колебания рамы в зоне крепления кабины и в месте установки силового агрегата, где рама не имеет поперечин. При движении по дороге с булыжным покрытием, на одном из образцов длиннобазных автомобилей КАМАЗ были зарегистрированы вертикальные изгибные колебания передней части рамы при частоте 5,25 Гц, что привело к резкому возрастанию вибрации на рабочем месте водителя (7).

На опытном автомобиле УАЗ были обнаружены трещины в зоне крепления задней двери, на которой было установлено снаружи запасное колесо. С помощью аппаратуры Multidata-Integra, на этом автомобиле при движении по дороге с булыжным покрытием отслеживались одновременно колебания неподрессоренных масс, силового агрегата, кузова и задней двери. Были выявлены резонансные колебания задней двери частотой около 12 Гц из-за совпадения с частотами колебаний неподрессоренных масс и задней части силового агрегата. Кроме того, на этой частоте была обнаружена повышенная подвижность крыши кузова в поперечном направлении (см. рис.) и неэффективная работа задних амортизаторов подвески автомобиля.

Вывод

Большинство проблем, связанных с повышением шума и вибрации, появляются из-за использования устаревших методов проектирования АТС и недостаточного знания сложных колебательных процессов, которые происходят при движении АТС.

Только в 80-х гг. ХХ века появились технические возможности на стадии проектирования (без изготовления АТС в металле) достоверно моделировать его различные свойства (например, управляемость, устойчивость, вибронагруженность, шум ДВС и т.д.). Кроме того, в те годы появилась многоканальная измерительная аппаратура, которая позволяет определять характер пространственных колебаний отдельных подсистем при движении АТС по разным типам дорог (8).

Такие новые современные расчетно-экспериментальные подходы к проектированию АТС начали широко внедряться в мировом автомобилестроении, особенно после применения в инженерной практике числовых методов расчета с применением многоканальной измерительной аппаратуры, специальных современных стендов, имитирующих те конкретные нагрузки, которые возникают при движении АТС по различным дорогам (7, 8). При этом роль дорогостоящих полигонных испытаний АТС, требующих достаточно большого времени на проведение исследований, стала резко уменьшаться.

Безусловно, на первом этапе применения упомянутых выше новых технологий исследований требуются большие затраты, которые в будущем окупаются за счет более быстрого внедрения новых конструкций АТС в серийное производство, изготовления меньшего количества опытных образцов, сокращения времени их испытаний и т д.

Следует отметить, что различные расчетные модели отдельных подсистем АТС, существовавшие ранее, давали очень приблизительные результаты. Например, места, где по результатам расчетов ожидались напряжения, как правило, не совпадали в те годы с местами и величинами напряжений, которые определялись позже опытным путем. Например, в те времена использовали модели для определения плавности хода АТС, в которых рассматривались только вертикальные, а не пространственные колебания и отдельные подсистемы представлялись только как твердые тела. Доказательством того, что нельзя ограничиваться рассмотрением только вертикальных колебаний АТС, может служить тот факт, когда замена диагональных шин на автомобиле ГАЗ-24 на радиальные, как показали эксперименты, привела к существенному увеличению продольных колебаний исследуемого автомобиля.

О том, что длинные агрегаты АТС во многих случаях нельзя рассматривать как твердые тела, убедительно было доказано выше.

Таким образом, сочетание расчетных и экспериментальных работ при проектировании является в настоящее время обязательным условием создания конкурентоспособного автомобиля. Такая работа трудоемка, для ее проведения требуется наличие соответствующих знаний, оборудования, определенной системы проведения работ. И техническое руководство заводов должно это понимать.

К сожалению, упомянутая выше технология проектирования АТС не находит широкого применения на российских автомобильных и моторных заводах (работы по моделированию столкновений автомобилей системно проводятся только в УГК ВАЗ).

ЛИТЕРАТУРА

1. Демич М., Тольский В.Е. «Технические ограничения при достижении минимальных уровней внешнего шума автомобилей. Проблема качества в автомобилестроении». Сб. тр. РОКЭА/НАМИ. 2000. вып.2., С.57-61

2. Тольский В.Е., Корчемный Л. В., Латышев Г.В., Минкин Л.М. «Колебания силового агрегата автомобиля», Машиностроение, Москва, 1976, 266 с.

3. «Динамические нагрузки в зоне соединения двигателя и коробки передач» Г.Д. Чернышев, Г.И Семенов, Л.К. Чудаков, Е.П. Романов //Автомобильная промышленность, 1975, №5, С. 9-11.

4. Высоцкий М.С., ВыгонныйА.Г., Мерников Г.В. Изгибные колебания и нагруженность картерных деталей силового агрегата грузового автомобиля//Автомобильная промышленность. 1981, №9, С.10-12.

5. Тарасов А.Я. Влияние резонансных изгибных колебаний силового агрегата на поломки картерных деталей// Автомобильная промышленность, 1981, №3, С. 12-15.

6. Латышев Г.В., Тольский В.Е. Изгибные колебания силовой передачи и шум в кузове легкового автомобиля//Виброакустика автомобиля. Куйбышев, 1982, С.23-30.

7.Тольский В.Е. Виброакустика автомобиля «Машиностроение». М., 1988, 139 с.

8. Тольский В.Е., Воеводенко С.М. Особенности многоканальных измерений вибрации. Журнал «Мир измерений» 11-12 (21-22), 2002, С.155-157.

9. Кушвид Р.П., Горобцов А.С., Карцов С.К. Развитие теории управляемости и устойчивости автомобиля на базе пространственных компьютерных моделей. М., «Издательство Машиностроение-1», 2004, 136 с.