Способ снижения шума карданного вала транспортного средства

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для снижения шума карданных валов транспортных средств. Суть изобретения заключается в том, что определяют зубцовые частоты механизмов транспортного средства и их гармоники и собственные частоты карданного вала. После этого проводят испытания транспортного средства и записывают его внешний шум, анализируют шум по его спектральным характеристикам. При совпадении частот, соответствующих максимумам в спектре шума, с собственными частотами колебаний вала определяют собственные формы колебаний вала на этих частотах, и в зонах пучностей колебательной скорости устанавливают вибродемпфирующие элементы. Изобретение направлено на уменьшение шума транспортного средства. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к карданным передачам транспортных средств, и может быть использовано для снижения шума карданных передач.

Известен карданный вал, описанный в патенте РФ №2144477 (опубл. 20.01.2000 г.), МПК 7 В60К 17/22, содержащий герметичный кожух и две крестовины, соединенные с соответствующими двумя вилками. Вилки подвижно соединены между собой с помощью шлицевого соединения и снабжены канавками для перетекания масла. Шлицевое соединение выполнено с встроенными клапанами и распорной пружиной для принудительной циркуляции смазки при изменении объема внутренней полости шлицевого соединения.

Известен также карданный вал наземных транспортных средств, описанный в патенте РФ №2268166 (опубл. 20.01.2006 г.) МПК 7 В60К 17/22, содержащий два шарнира с крестовинами и подшипниками, две фланец-вилки и подвижное шлицевое соединение, выполненное в виде шлицевой втулки и шлицевого вала, с уплотнением в виде телескопической защиты. Фланец-вилки выполнены со сквозным отверстием, крестовины шарниров выполнены с двумя угловыми масленками, расположенными под углом 180° одна относительно другой, а подвижное шлицевое соединение выполнено с предохранительным клапаном, установленным на шлицевой втулке.

Недостатком известных карданных валов является шум, излучаемый валом при передаче им крутящего момента от ведущего к ведомому агрегату. Рассмотрим более подробно причины генерации шума карданным валом на примере грузового автомобиля, в котором карданный вал соединяет выходной фланец коробки переключения передач с входным фланцем редуктора ведущего моста, например заднего. Коробка переключения передач представляет собой механизм, содержащий набор шестеренчатых передач, предназначенный для изменения величины крутящего момента, создаваемого двигателем. В редукторе ведущего моста также расположены шестеренчатые передачи. При вращении шестерен, например коробки переключения передач, происходит взаимное соударение зубьев шестерен при входе в зацепление, в результате чего возникают ярковыраженные тональные вибрации (так называемые зубцовые вибрации) с основной частотой, равной частоте пересопряжения зубьев,

f₀=z·n/60, Гц,

где z - число зубьев ведущей шестерни, n - частота вращения, с^-1.

Кроме основной частоты, как правило, в спектре вибраций шестерен присутствуют гармоники основной частоты, которые рассчитываются по формуле:

f_к=к·f₀,

где к=1, 2, 3, ..., f₀ - основная частота.

Таким образом, шестерни коробки переключения передач генерируют вибрации, которые передаются на выходной фланец коробки переключения передач и далее на карданный вал. Учитывая присутствие гармоник в спектрах вибраций шестерен коробки переключения передач, а также наличие вибраций шестерен редуктора ведущего моста, на карданный вал передаются вибрации в очень широкой частотной полосе в диапазоне рабочих оборотов двигателя (под диапазоном рабочих оборотов здесь понимаются обороты от минимальных оборотов холостого хода до номинальных). Для наглядности в таблице 1 приводятся зубцовые частоты шестерен коробки переключения передач и редуктора ведущего моста автомобиля Урал-4320 с двигателем ЯМЗ 236НЕ2 для 5-й передачи в диапазоне оборотов двигателя 900-2100 мин^-1 (приводится также вторая гармоника основной частоты).

Таблица 1
	Источник	Основная частота, Гц	Гармоника, Гц
Коробка переключения передач	Первая пара шестерен	420-980	840-1960
Вторая пара шестерен	519-1212	1038-2424
Редуктор ведущего моста	Первая пара шестерен	205-479	410-958
Вторая пара шестерен	103-239	206-478

Таким образом, на карданный вал рассмотренного выше автомобиля предаются вибрации шестеренчатых механизмов в частотной полосе 103-2424 Гц (учтены только основные частоты и гармоники).

Карданный вал, являясь по своей технической сути полой трубой с шарнирами на ее концах (характерная длина вала для грузовых автомобилей составляет 1,5-2,0 м, диаметр ˜0,1 м, толщина стенки трубы ˜7·10^-3 м), обладает набором собственных частот колебаний и соответствующих им собственных форм колебаний, расположенных в диапазоне 100-10000 Гц и выше. При этом присутствуют как балочные колебания, так и колебания с изменением формы поперечного сечения вала («сплющивание» формы поперечного сечения). При совпадении частот вибраций, источником которых являются шестерни коробки переключения передач и редуктора ведущего моста, с собственными частотами колебаний карданного вала последний начинает излучать интенсивный шум резонансного характера (акустический отклик вала), уровни которого существенно превышают нормативные значения. Это и является основным недостатком известных карданных валов.

В качестве прототипа выбран способ снижения шума и вибраций карданных валов, описанный в книге «Снижение шума автомобиля», авторы В.Н.Луканин, В.Н.Гудцов, Н.Ф.Бочаров, М., изд-во «Машиностроение», 1981 г., стр.105, 2-й и 3-й абзацы сверху. Способ заключается в том, что внутрь трубы карданного вала вводят динамический виброгаситель, выполненный (частный случай) в виде металлической шайбы, и закрепляют в трубе с помощью резинового элемента. Дополнительно на стенки трубы наносят вибропоглощающие покрытия с высоким коэффициентом потерь. Недостатком способа-прототипа является то, что динамический виброгаситель, вводимый в трубу без предварительного тщательного определения виброакустических характеристик трубы карданного вала и шестеренчатых механизмов, может оказаться малоэффективным (снижение шума на одних собственных частотах колебаний вала и возможное его усиление на других частотах) либо вообще бесполезным в случае отсутствия совпадения зубцовых частот и/или их гармоник механизмов двигателя с собственными частотами колебаний карданного вала. Недостатком вибропоглощающего покрытия, наносимого на поверхность трубы вала, является его недолговечность, поскольку оно подвергается абразивному воздействию пыли, грязи, гравия и т.д. Кроме этого, неравномерный износ покрытия приведет к нарушению динамической балансировки карданного вала.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение эффективности снижения шума карданного вала транспортного средства и минимизация затрат на его акустическую доводку.

Достигается это тем, что в известном способе снижения шума карданного вала транспортного средства, заключающемся в том, что внутри трубы карданного вала устанавливают вибродемпфирующие элементы:

- предварительно определяют зубцовые частоты и гармоники механизмов двигателя, содержащих шестеренчатые передачи, в диапазоне рабочих оборотов двигателя и собственные частоты колебаний трубы карданного вала;

- после этого выделяют значения зубцовых частот и/или их гармоник, совпадающих по величине с собственными частотами колебаний трубы карданного вала;

- проводят испытания транспортного средства в процессе его движения по мерному участку в режиме разгона на различных передачах и записывают внешний шум транспортного средства на запоминающее устройство;

- получают спектральные характеристики записанного шума и по ним определяют частоты, соответствующие максимумам звукового давления, и при их совпадении по величине с собственными частотами колебаний трубы карданного вала определяют собственные формы колебаний трубы на данных частотах и зоны пучностей колебательной скорости для этих собственных форм колебаний;

- после этого в зонах пучностей колебательной скорости устанавливают вибродемпфирующие элементы.

Реализация заявляемого способа осуществляется следующим образом (визуализация форм колебаний приводится фиг.1, на которой изображены: а) - форма колебаний карданного вала с одной зоной пучности колебательной скорости; б) - форма колебаний карданного вала с двумя зонами пучности колебательной скорости; цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - труба карданного вала, 2 - зоны пучностей колебательной скорости, 3 - предпочтительное сечение для установки вибропоглощающего элемента внутри трубы (выделено светлым тоном), значения 1344 Гц и 1428 Гц соответствуют некоторым собственным частотам колебаний трубы карданного вала).

Для определенной модели транспортного средства, например автомобиля, характеризуемого типом двигателя, трансмиссией, колесной формулой, грузоподъемностью и т.д., определяют зубцовые частоты и их гармоники для механизмов, содержащих шестеренчатые передачи (к ним могут относиться коробка переключения передач, раздаточная коробка, коробка отбора мощности, редуктор ведущего моста и др.), в диапазоне рабочих оборотов двигателя, например в диапазоне 900-2100 мин^-1 для дизельного двигателя. Кроме этого определяют собственные частоты колебаний трубы карданного вала данного автомобиля. После этого выделяют значения зубцовых частот и/или их гармоник, совпадающих по величине с собственными частотами колебаний трубы карданного вала. Пусть, например, это будут зубцовые частоты второй гармоники первой пары шестерен коробки переключения передач 1344 Гц и 1428 Гц, которые соответствуют оборотам двигателя 1440 мин^-1 и 1530 мин^-1 соответственно. Следует отметить, что зубцовые частоты второй пары шестерен коробки переключения передач на оборотах двигателя 1165 мин^-1 и 1238 мин^-1 также совпадают с собственными частотами колебаний трубы карданного вала (см. таблицу 1). Таким образом, выявлено, что вибрации на зубцовых частотах вторых гармоник шестерен коробки переключения передач могут возбуждать колебания трубы карданного вала на собственных частотах 1344 Гц и 1428 Гц, что может привести к интенсивному акустическому излучению вала на этих частотах. После этого проводят испытания транспортного средства в процессе его движения по мерному участку в режиме разгона на различных передачах (в том числе и на передачах, на которых зубцовые частоты шестерен совпадают с собственными частотами колебаний карданного вала) и записывают внешний шум транспортного средства на запоминающее устройство, например персональный компьютер, адаптированный для записи шума и анализа его характеристик. Затем проводят анализ записанного шума с получением его спектральных характеристик (например, спектров Фурье) и по ним определяют частоты, соответствующие максимумам звукового давления. Если эти частоты (конкретно для выбранного примера 1344 Гц и 1428 Гц) совпадают по величине с собственными частотами колебаний трубы карданного вала (см. фиг.1), то определяют собственные формы колебаний трубы карданного вала на данных частотах и зоны пучностей колебательной скорости (обозначены ссылкой 2 на фиг.1) для этих собственных форм колебаний. После этого в зонах пучностей колебательной скорости (зоны 3 на фиг.1) устанавливают вибродемпфирующие элементы. Последовательность действий способа завершена.

Предложенный заявителем способ позволяет по сравнению с прототипом однозначно идентифицировать частоты акустического излучения карданного вала транспортного средства, вызываемого зубцовыми частотами шестеренчатых механизмов, и максимально эффективно снизить шум, излучаемый карданом за счет установки вибродемпфирующих элементов в зонах пучностей колебательной скорости. В качестве вибродемпфирующего элемента может быть предложено жесткое металлическое кольцо, покрытое с внешней стороны тонким слоем резины. Кольцо (либо несколько колец) вставляют внутрь трубы карданного вала с «натягом», т.е. внешний радиус поверхности кольца на 0,05-0,1 мм меньше внутреннего радиуса трубы карданного вала. Предложенный способ апробирован в ОАО «Автомобильный завод «Урал» на одном из опытных образцов автомобилей. В результате проведена виброакустическая диагностика элементов трансмиссии автомобиля, выявлены опасные с точки зрения внешнего шума частоты карданного вала и предложена простая и эффективная конструкция вибродемпфирующего элемента. Учитывая новизну и существенные отличия заявляемого технического решения, заявитель считает, что оно может быть защищено патентом на изобретение.

Способ снижения шума карданного вала транспортного средства, заключающийся в том, что внутри трубы карданного вала устанавливают вибродемпфирующие элементы, отличающийся тем, что предварительно определяют зубцовые частоты и их гармоники механизмов двигателя транспортного средства, содержащих шестеренчатые передачи, в диапазоне рабочих оборотов двигателя и собственные частоты колебаний трубы карданного вала, после чего выделяют значение зубцовых частот и/или их гармоник, совпадающих по величине с собственными частотами колебаний трубы карданного вала, затем проводят испытания транспортного средства в процессе его движения по мерному участку в режиме разгона на различных передачах и записывают внешний шум транспортного средства на запоминающее устройство, получают спектральные характеристики записанного шума и по ним определяют частоты, соответствующие максимумам звукового давления, и при их совпадении по величине с собственными частотами колебаний трубы карданного вала определяют собственные формы колебаний трубы карданного вала на данных частотах и зоны пучностей колебательной скорости для этих собственных форм колебаний, после чего в зонах пучностей колебательной скорости устанавливают вибродемпфирующие элементы.