УЗЕЛ ПОДВЕСКИ СИЛОВОГО АГРЕГАТА АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE ENGINE SUSPENSION ASSEMBLY

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-х 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-е 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 (А1), МПК F01N 1/06, F01N 13/04, опубликованной 04.09.2008; заявки US 2007029133 (А1), 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, „Grundsatzuntersuchungen 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 (В2), 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, В60К 5/12, опубликована 02.08.2007; заявка на патент DE 102006058110, МПК F16F 13/18, F16F 13/10, опубликована 12.06.2008. 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 102004043334, МПК F16F 13/10, F16F 13/14, опубликованной 09.03.2006. Рассмотренное в прототипе устройство, в частности, кроме основной опоры подвески СА, воспринимающей основные силовые нагрузки, содержит дополнительную гидравлическую опору, установленную между узлами крепления основной опоры и обладающую малой жесткостью в области низких резонансных частот и с регулируемой жесткостью в области информационных частот. Дополнительная опора по заявке на патент DE 102004043334 также содержит элементы, регулирующие частотные характеристики подвески и конические дросселирующие элементы, регулирующие проходные сечения внутренних каналов и динамические характеристики опоры в зависимости от статической деформации опор, но здесь они уже выполнены в отдельном агрегате и могут настраиваться и регулироваться независимо.
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 предлагаемом ниже узле подвески СА АТС, преобразующем вибрации СА на опорах в контролируемый воздушный акустический сигнал, передающийся в салон (пассажирское пространство) АТС по воздушной трубке, в которую интегрирован воздушный объем с разделительной мембраной и дроссельный регулятор.
Технический результат достигаемый предлагаемым изобретением заключается в повышении качества оформления комфортного шума в салоне АТС.
Сущность технического решения заключается в реализации совокупности существенных признаков представленных в независимом пункте формулы изобретения, и достигается тем, что в известном устройстве узла подвески СА АТС, содержащем упругую опору подвески СА к корпусу АТС, узлы крепления упругой опоры к СА и к корпусу АТС и элемент генерирования информационного акустического сигнала, установленный параллельно упругой опоре между узлами крепления, элемент генерирования информационного акустического сигнала выполнен в виде полой деформируемой емкости, ограниченной гибкой боковой стенкой 11, и верхней и нижней крышками, жестко соединенными с элементами СА и АТС, соответственно, при этом, по крайней мере, в одной из крышек выполнено дросселирующее отверстие. Внутренняя полость полой деформируемой емкости акустически соединена через дросселеный регулятор с кабиной водителя (пассажирским помещением) АТС соединительной воздушной трубкой, в которой установлена (интегрирована) разделительная мембрана. Гибкая боковая стенка полой деформируемой емкости выполнена из упругого полимерного материала, например, резины и сформирована в виде сильфона. В соединительной воздушной трубке, вблизи ее выходного конца, размещен звукопроницаемый поглощающий элемент в виде перегородки, изготовленной из пористого сетчатого материала, например, Фельдметалла. Дроссельный регулятор содержит кольцевую дроссельную щель, образованную тарелкой штока дроссельного регулятора, соединенного с верхней крышкой и перегородкой дроссельного регулятора, соединенной с нижней крышкой дроссельного регулятора. При статической деформации упругой опоры под действием изменяющегося крутящего момента СА верхняя и нижняя крышки смещаются друг относительно друга, при этом изменяется проходное сечение кольцевой дроссельной щели и интенсивность передачи колебаний в соединительную воздушную трубку и в кабину водителя (пассажирское помещение).
В соединительную воздушную трубку установлен (интегрирован) дополнительный полый объем, в котором размещена разделительная мембрана. При этом, собственная частота свободных колебаний разделительной мембраны в дополнительном полом объеме лежит в актуальном диапазоне частот желаемого генерируемого информационного звука. С целью обеспечения «слива» в мотоотсек неприятных низких частот, объем полой деформируемой емкости акустически сообщается с атмосферой посредством дросселирующего отверстия, выполненного в одной из ее крышек (верхней или нижней).
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 предпочтительного варианта конструктивного исполнения предлагаемого узла подвески СА АТС.
На фиг.2 представлен возможный вариант конструктивного исполнения конического рабочего органа дроссельного регулятора с кольцевой дроссельной щелью.
Позициями в графической части показаны следующие конструктивные элементы заявляемого узла подвески СА АТС:
1 - упругая опора,
2 - силовой агрегат (фрагмент подвески),
3 - корпус автотранспортного средства (элемент кузова, подрамник),
4 - автотранспортное средство,
5 - узел крепления упругой опоры к СА,
6 - узел крепления упругой опоры к корпусу АТС,
7 - элемент генерирования информационного акустического сигнала,
8 - полая деформируемая емкость,
9 - гибкая боковая стенка,
10 - верхняя крышка полой деформируемой емкости,
11 - нижняя крышка полой деформируемой емкости,
12 - калиброванное дросселирующее отверстие,
13 - кабина водителя (пассажирское помещение),
14 - соединительная воздушная трубка,
15 - разделительная мембрана,
16 - выходной конец соединительной воздушной трубки,
17 - звукопроницаемый поглощающий элемент,
18 - дополнительный полый объем,
19 - дроссельный регулятор,
20 - кольцевая дроссельная щель дроссельного регулятора,
21 - тарелка дроссельного регулятора,
22 - шток дроссельного регулятора,
23 - перегородка-седло дроссельного регулятора,
24 - выходная полость дополнительного полого объема,
25 - участок соединительной воздушной трубки 14, по которому колебания воздушной среды передаются в кабину водителя (пассажирское помещение),
26 - запорный элемент дроссельного регулятора 19 выполненный и виде конуса 26.
Устройство узла подвески СА АТС представленное на чертеже содержит упругую опору 1 подвески СА 2 к корпусу (например, элементу кузова, подрамнику) 3 АТС 4, узлы крепления 5 и 6 упругой опоры 1, соответственно, к СА 2 и к корпусу 3 АТС 4, и элемент 7 генерирования информационного акустического сигнала, установленный параллельно упругой опоре 1 между узлами крепления 5 и 6.
Элемент 7 генерирования информационного акустического сигнала выполнен в виде полой деформируемой емкости 8, ограниченной гибкой боковой стенкой 9 и верхней 10 и нижней 11 крышками. В одной из крышек 10 или 11 выполнено калиброванное дросселирующее отверстие 12, при этом, внутренняя полая деформируемая емкость 8 соединена с кабиной водителя (пассажирским помещением) 13 АТС 4 соединительной воздушной трубкой 14, в которую интегрирована разделительная мембрана 15. Гибкая боковая стенка 9 полой деформируемой емкости 8 выполнена из упругого полимерного материала, например, резины, при этом предпочтительно она сформирована в виде сильфона. В соединительной воздушной трубке 14, вблизи ее выходного конца 16, размещен звукопроницаемый поглощающий элемент 17 в виде перегородки, изготовленной из пористого сетчатого материала, например Фельдметалла. В частном случае конструктивного исполнения разделительная мембрана 15 может быть размещена в дополнительном полом объеме 18, интегрированным в соединительную воздушную трубку 14. Собственная частота свободных колебаний разделительной мембраны 15 в дополнительном полом объеме 18 лежит в актуальном диапазоне частот желаемого генерируемого информационного звука. Полая деформируемая емкость 8 акустически, через дроссельный регулятор 19 связана с кабиной водителя (пассажирским помещением) 13. В частном случае конструктивного исполнения, дроссельный регулятор 19 содержит кольцевую дросселирующую щель 20 образованную тарелкой 21 штока 22 и перегородкой-седлом 23. Запорный элемент дроссельного регулятора 19 может быть выполнен и виде конуса 26, как это показано на фиг.2.
При статической деформации упругой опоры 1 под действием изменяющегося крутящего момента СА тарелка 21 и перегородка-седло 23 дроссельного регулятора 19 смещаются друг относительно друга, при этом изменяется проходное сечение кольцевой дроссельной щели 20 и интенсивность передачи колебаний в соединительную воздушную трубку 14 и в кабину водителя (пассажирское помещение) 13.
В частном случае собственные частоты разделительной мембраны 15 подбираются близкими к основной гармонике СА на оборотах, равных примерно половине максимальных оборотов СА.
Работает заявляемый узел подвески СА АТС следующим образом.
Под действием неуравновешенных внутренних сил инерции и переменных газовых сил в цилиндрах СА 2 последний вибрирует на упругих опорах 1 и эти вибрации передаются механически на корпус 3 АТС. Для уменьшения вибрации между СА 2 и корпусом 3 АТС установлены податливые упругие опоры 1, значительно уменьшающие передачу вибраций на корпус АТС 3.
Колебания СА 2 под действием неуравновешенных внутренних сил вызывают относительное смещение СА 2 относительно корпуса АТС 3 и соответственные относительные смещения узлов крепления 5 и 6 опоры 1 друг относительно друга. Эти смещения приводят к перемещениям крышки 10 элемента генерирования информационного акустического сигнала 7 и сжатию воздуха в полой деформируемой емкости 8, увеличению динамического давления воздушной среды в полой деформируемой емкости 8 и колебательному выдавливанию избыточного объема воздушной среды в соединительную воздушную трубку 14. Эти колебания передаются по соединительной воздушной трубке 14 в дополнительный полый объем 18 и вызывают в нем возбуждение поля звукового давления. Колебания звукового давления, в свою очередь, воздействуют на разделительную мембрану 15 и вызывают ее колебательные перемещения и соответственные сжатия-разрежения в выходной полости 24 дополнительного полого объема 18. Колебания звукового давления в выходной полости 24 дополнительного полого объема 18 вызывают колебания воздушной среды на участке 25 соединительной воздушной трубки 14, по которому они передаются в кабину водителя (пассажирское помещение) 13 АТС. В соединительной воздушной трубке 14, а именно в соединительной воздушной трубке 14, а именно на участке 25, вблизи его выходного конца 16, размещен звукопроницаемый поглощающий элемент 17 в виде перегородки, изготовленной из пористого сетчатого материала, например Фельдметалла, воздействующий на акустические характеристики передачи звука и, в частности, уменьшающий резонансные колебания в соединительной воздушной трубке 14.
Через калиброванное дросселирующее отверстие 12 из полой емкости 8 «отводятся» низкочастотные звуковые колебания, негативно воспринимаемые «слушателями» (водителем, пассажирами) в кабине водителя (пассажирском помещении) 13 АТС.
Частотное регулирование звукового сигнала поступающего в кабину водителя (пассажирское помещение) 13 АТС осуществляется за счет акустической настройки элементов звукопередающей цепочки (длин и диаметров частей соединительной воздушной трубки 14, которая может быть выполнена составной, из отдельных патрубков, акустических характеристик элементов, объемов, жесткости и резонансных частот разделительной мембраны 15, возможной установкой дополнительных механоакустических фильтров, в виде воздушной полости, разделенной на два пространства гибкой мембраной, а также автоматической или ручной регулировкой длины трубок, жесткости мембраны, и установкой дросселей. Регулирование силы звукового сигнала поступающего в кабину водителя (пассажирское помещение) 13 АТС в зависимости он нагрузочного режима осуществляется дроссельным регулятором 19, который может управляться, например, от деформации опоры 1, как это показано на рисунке 1.
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. В частности, в заявляемом узле подвески возможно применение различных типов дроссельных регуляторов 19, конструктивно и функционально отличающихся от приведенных на фиг.1 и 2, управление которых может осуществляться как механически, так и электронно.