МОТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности к моторному испытательному стенду для проведения виброакустических испытаний двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС).
Известно, что для определения основных технических показателей ДВС и проведения исследовательских и доводочных работ используют специализированные моторные испытательные стенды, оборудованные различными вспомогательными устройствами и измерительной аппаратурой.
В качестве базового оборудования моторный стенд для испытаний ДВС содержит:
- автономный (виброизолированный) фундамент для поглощения вибраций, возникающих из-за действия в ДВС неуравновешенных сил и моментов инерции;
- фундаментную плиту (пазовую) для установки исследуемого ДВС и тормоза;
- стойки для установки и крепления ДВС на фундаментной плите;
- нагрузочный тормоз (гидравлический, электрический) для поглощения развиваемой ДВС мощности с устройством измерения крутящего момента на валу ДВС (тормоза);
- вал и специальные муфты для соединения коленвала ДВС с валом тормоза;
- устройства и коммуникации для подачи в ДВС охлаждаемого смазочного масла, охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС, отвода в атмосферу отработавших и картерных газов ДВС;
- устройства и коммуникации для питания ДВС топливом и воздухом с соответствующими датчиками и приборами для измерения расхода, температуры, давлений воздуха и топлива;
- устройства для регулирования и определения отдельных параметров, влияющих на рабочий процесс и показатели ДВС (угол опережения зажигания, состав смеси, угол опережения начала впрыска);
- системы, обеспечивающие регулирование и управление ДВС в процессе испытаний;
- пульт с размещенными на нем органами пуска и управления работой ДВС;
- приборы для контроля работы ДВС и приборы для регистрации рабочих параметров ДВС;
- устройства и приборы, предназначенные для специальных исследований по определению отдельных физических параметров ДВС (токсичности, дымности, шума, вибраций, тепловой напряженности, механических деформаций отдельных деталей и т.п.).
Известно, в частности, техническое решение по исполнению стенда для обкатки и испытания ДВС (патент РФ №2107175, по заявке 96114020), содержащее основание, нагрузочное (тормозное) и соединительные устройства. На основании закреплены продольные направляющие, на которых установлена рама, выполненная в виде автономных балок. Балки установлены с возможностью перемещения по продольным направляющим и фиксирования относительно них. На балках закреплены поперечные направляющие, на которых установлены стойки с возможностью перемещения по ним и фиксирования. На стойках закреплены ложементы для размещения ДВС с возможностью перемещения и фиксирования в избранном направлении.
Недостатками данного технического решения являются:
жесткая передача вибровозбуждения от исследуемого работающего ДВС на присоединительные металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, стойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы) и, как следствие, интенсивное паразитное шумовое излучение от этих элементов в пространство испытательного помещения (моторного бокса);
- жесткая и интенсивная передача динамического возбуждения от работающего нагрузочного (тормозного) устройства (электрическая машина) на металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, стойки, поперечные и продольные
направляющие, автономные балки рамы) с последующим паразитным шумовым излучением в воздушное пространство измерительной камеры;
- излучение паразитного воздушного шума в пространство испытательного помещения моторного бокса непосредственно корпусом и крыльчаткой вентилятора электрической машины нагрузочного устройства;
- излучение паразитного структурного и воздушного шума вибрирующими элементами соединительного приводного вала и ограждающего кожуха, установленных между исследуемым ДВС и тормозным агрегатом;
- большая звукоотражающая поверхность ограждающего защитного кожуха приводного соединительного вала, искажающая условия свободного звукового поля в измерительных точках вокруг исследуемого ДВС.
В связи с перечисленными техническими недостатками, такого типа концепции стендов не нашли применения в практике современных виброакустических испытаний ДВС, в первую очередь из-за того, что в этом случае не удается свести к минимуму посторонние паразитные (помимо исследуемого ДВС) шумовые излучения от приводных механизмов и систем стендового оборудования такого моторного бокса.
Для проведения стендовых виброакустических исследовательских и доводочных работ на ДВС нашли применение специализированные нагрузочные стенды, установленные в специальных акустических (полузаглушенных или безэховых) камерах [например, 1, 2, 3]:
[1] Adam Gavine. The American Way. Testing Technology International, November, 2000, p.28...31;
[2] ГУП НИЦИАМТ «Акустический центр выполнит:». Автомобильная промышленность, 2000, №11, 1.
[3] Peter Gutzmer und Reimer Pilgrim. Motorakustische Versuchs-und Ме β technik bei Porsche. MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 48 (1987), 2, 47...50.
В частности, в [1] приведен пример использования полузаглушенной акустической камеры фирмы «Крайслер» (США), в [2] - акустический моторный стенд центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров, Московской обл.) с жестким звукоотражающим полом, на пазовой плите которого с помощью специальных стоек закреплен исследуемый ДВС. Тормозные (или приводные - на
режимах прокрутки ДВС без реализации в нем рабочего процесса) установки стенда (их 2) находятся на этом же уровне вне помещения акустической камеры и располагаются за стенами камеры в соседнем помещении (помещение машинного зала). Исследуемый ДВС с тормозной балансирной машиной соединяется с помощью приводных валов (валов отбора мощности), обеспечивающих передачу крутящего или тормозного момента между ними. Концевые участки приводных валов закреплены с помощью стоек к пазовой плите и непосредственно поверхности пола камеры. Трубопроводы и различные коммуникационные элементы систем питания, охлаждения, отвода выхлопных газов выводятся из пространства акустической камеры через звукоизолированные проемы в полу (пазовой плите) камеры в машинное отделение стенда, оборудованное различными технологическими системами и агрегатами обеспечения функционирования стенда. Недостатками используемой концепции акустического моторного стенда является применение камеры с жестким звукоотражающим полом, искажающим реальное звуковое поле исследуемого ДВС (в особенности, - излучение звука нижней частью ДВС (блок - картера, маслянного поддона), находящейся в непосредственной близости от звукоотражающей поверхности пола, которая, как правило, у всех поршневых ДВС является наиболее шумовиброактивной). Именно в связи с этим, что нижняя зона ДВС представляет для исследователей и доводчиков ДВС, как правило, наибольший практический интерес и требует выполнения в этой зоне наиболее трудоемких и, по возможности, наиболее точных и объективных исследований. С другой стороны, применение в качестве вращающихся приводных элементов, соединяющих коленчатый вал ДВС и вал отбора мощности тормозной машины стенда, длинных карданных валов с опорными подшипниками в вертикальных стойках, установленных на пазовой плите и непосредственно полу камеры, вызывает проблемы их центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, и, как следствие, - обуславливает генерирование вибросил на частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи как непосредственно исследуемому ДВС, вызывая его дополнительное паразитное шумоизлучение, так и некоторым присоединенным структурам акустической камеры (например, полу камеры), что влечет дополнительное искажение регистрируемых шумовых характеристик как исследуемого ДВС, так и излучение «паразитного» звука непосредственно защитными кожухами валов стенда, а также и излучение «паразитного» звука непосредственно возбужденной структурой пола акустической камеры, вследствие передачи этого вибрационного возбуждения на пол (пазовую плиту) через опорные стойки валов.
Более прогрессивным методом исследования и регистрации акустической энергии, излучаемой ДВС в стендовых условиях, является использование концепции акустического моторного стенда, описанного в публикации [3] - ПРОТОТИП, применяемого в исследовательском центре фирмы «Порше» (ФРГ). В данном случае он предусматривает применение тормозного (нагрузочного) стенда, установленного по центру камеры внизу под поверхностью пола полностью заглушенной безэховой акустической камеры. Передача крутящего (тормозного) момента осуществляется при этом бесконечной гибкой связью - гладкоременной передачей. В этом случае, пол акустической камеры выполнен полностью виброизолированным от автономного фундамента, на котором установлен приводной (тормозной) стенд, а его поверхность (пола) покрыта эффективным шумопоглощающим материалом (специальными шумопоглощающими клиньями). Корпус ДВС, как объект исследования, в этом случае располагается вблизи геометрического центра воздушного пространства камеры, т.е. в зоне наиболее удаленной от звукоотражающих поверхностей (с «наилучшей акустикой»). Нижняя зона исследуемого ДВС не находится вблизи звукоотражающей поверхности пола, как это имело место в [1] и [2], и является открытой для качественных, объективных измерений параметров акустического поля исследуемого ДВС. Таким образом, эта конструкция [3] акустического моторного стенда является более совершенной и принимается в качестве прототипа. Недостатками известного прототипа акустического моторного стенда с ременным приводом [3], как и вышеописанных конструкций моторных стендов, является нерешенная проблема высокоточной центровки коленчатого вала исследуемого ДВС с сопрягаемым приводным валом тормозной балансирной асинхронной машины для последующего устранения возможного интенсивного динамического (вибрационного) возбуждения механических устройств стенда и исследуемого ДВС, вызванного несовмещением осей вращения указанных валов. Центровка указанных сопрягающихся валов зачастую производится с использованием косвенных низкоточных методов центровки (например, метода, использующего принцип расхождения (схождения) двух цетровочных стрелок, смонтированных на фланцах цетрируемых валов). Данные методы центровки отличаются не только низкой точностью, но и слабой производительностью. Отсутствие надежного и высокоточного способа центровки валов в процессе монтажа ДВС на стенде, приводит к генерированию дополнительных вибросил на основных возбуждающих частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи валов присоединенным твердым структурам стенда и акустической камеры, что приводит к
возникновению «паразитного» вибрационного возбуждения и шумоизлучения, затрудняющего качественное объективное исследование вибрационных и шумовых характеристик ДВС, смонтированного на моторном стенде.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в оборудовании моторного стенда для виброакустических испытаний ДВС лазерным устройством центровки осей приводного вала тормозной балансирной асинхронной машины и коленчатого вала ДВС в процессе монтажа ДВС на стенде.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели достигается тем, что в известном моторном стенде для виброакустических испытаний ДВС, содержащим, в частности, безэховую акустическую камеру, систему крепления ДВС на стенде с смонтированным на стенде исследуемым ДВС, элементы привода стенда, кинематически связывающие коленчатый вал ДВС с приводным валом тормозной балансирной асинхронной машины стенда - содержится лазерное устройство центровки осей сопрягаемых валов - приводного вала тормозной балансирной асинхронной машины и коленчатого вала исследуемого ДВС, выполненное в виде единого модуля, содержащего основание и цилиндрический корпус с лазерным диодом, при этом, основание содержит постоянный магнит в виде «магнитной присоски» и установлено на монтажной площадке из ферромагнитного вещества, плоскость которой перпендикулярна оси вращения приводного вала тормозной балансирной асинхронной машины. Светящийся пучек лазерного луча направлен в центр (ось вращения) концевого (торцевого) участка указанного приводного вала. Монтажная площадка содержит калибровочную метку для периодической калибровочной юстировки координат расположения модуля лазерного устройства центровки. Для варианта расположения оси вращения коленчатого вала исследуемого ДВС перпендикулярно (напротив) поверхности входной двери испытательной камеры, в качестве монтажной площадки для установки модуля лазерного устройства центровки возможно использование поверхности входной двери. В этом случае, подразумевается дверь из листовой стали или содержащая пластину из ферромагнитного вещества. Если ось вращения коленчатого вала ДВС находится напротив глухой стены испытательной камеры - монтажная площадка из ферромагнитного вещества устанавливается на данной стене. После процедуры проведения операций центровки сопрягающихся валов участок глухой стены безэховой акустической камеры закрывается съемным поглотителем звука типа используемой звукопоглощающей футеровки (клиньев, кулис) поверхности акустической безэховой камеры.
Сравнение опубликованной в открытой печати 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".
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется чертежами, где
На фиг.1, 2 представлен заявляемый в качестве полезной модели моторный стенд для виброакустических испытаний ДВС, смонтированный в акустической безэховой камере и оборудованный лазерным устройством центровки осей коленчатого вала исследуемого ДВС с приводным валом тормозной балансирной асинхронной машины стенда.
На фиг.3 представлена схема механического привода моторного стенда для виброакустических испытаний ДВС, кинематически связывающего коленчатый вал исследуемого ДВС с приводным валом тормозной балансирной асинхронной машины стенда.
На фиг.4, 5, 6 представлены схемы, иллюстрирующие последовательность операций центровки осей коленчатого вала исследуемого ДВС с приводным валом тормозной балансирной асинхронной машины стенда, с применением лазерного устройства центровки, используемого в качестве штатного составного элемента моторного стенда.
На фиг.7 изображен вариант исполнения монтажной площадки лазерного устройства центровки, смонтированной на поверхности стены безэховой акустической камеры.
Полезная модель, согласно схемы фиг.1, представляет собой исследовательский моторный стенд, в состав которого входит полностью заглушенная безэховая акустическая камера 1, с установленной внизу под поверхностью пола 2 приводной (тормозной) балансирной асинхронной (или постоянного тока) машиной 3, установленной на виброизолированном пружинами 4 автономном фундаменте 5. Внутренняя бетонная оболочка 6 камеры 1 установлена по периметру пола 7 на пружинах 8, и полностью изолирована от внешней бетонной оболочки 9 (принцип строительства «камера в камере»). Пол 10 акустической камеры 1 виброшумоизолирован от фундамента 5, на котором установлена балансирная асинхронная машина 3, резиновыми уплотнениями 11. Поверхности
пола 10, стен 6 и потолка 12 камеры 1 покрыты шумопоглощающими клиньями (или кулисами) 13. Камера 1 содержит, по крайней мере, одну входную дверь 14 из стального листа или другого типа материала с установленной локальной площадкой, выполненной из ферромагнитного вещества. В процессе испытаний ДВС, дверь закрывается, а дверной проем со стороны камеры задвигается передвижной звукопоглощающей тележкой 15 (см. фиг.2). Балансирная асинхронная машина 3 передает крутящий (тормозной) момент через нижний вал 16, установленный в корпусе 17 нижнего опорного подшипникового узла, приводной ремень 18, приводной вал 19, закрытый защитным звукоизолирующим кожухом 20 (при центровке валов в процессе монтажа ДВС звукоизолирующий кожух демонтируется). Область вращения приводного ремня 18 закрыта защитным кожухом 21. Объект испытаний - ДВС 22 монтируется на вертикальных регулировочных стойках 23 системы крепления ДВС на стенде, содержащих набор регулировочных шайб для целенаправленного изменения пространственного положения монтируемого на стенде ДВС в процессе выполнения операций центровки сопрягаемых валов. Продольные балки 24 системы крепления ДВС, корпус 25 верхнего опорного подшипникового узла смонтированы на несущем силовом каркасе 26. Пол испытательной камеры 1 представляет собой звукопрозрачные решетки 27, виброизолированные от рамы 28 несущего силового каркаса 26. Воздушная полость камеры 1 вентилируется высокопроизводительной приточной 29 и вытяжной 30 вентиляцией. В процессе монтажа ДВС на стенде для высокоточной центровки коленчатого вала ДВС с приводным валом 19 и валом 31 верхнего опорного подшипникового узла привода тормозной балансирной асинхронной машины 3 используется лазерное устройство центровки 32 в виде единого модуля, смонтированного на поверхности входной двери 14.
На фиг.3 представлена схема механического привода моторного стенда для виброакустических испытаний ДВС, поясняющая динамику возникновения структурных вибраций и излучения паразитного шума вибронагруженными вращающимися элементами привода, их корпусами, присоединенными к ним структурами в случае неудовлетворительной «настройки» различных частей механического привода тормозной балансирной асинхронной машины, в том числе и недостаточно точной центровки коленчатого вала ДВС с валами указанного привода.
Позициями на фиг.3 обозначены:
18 - приводной ремень;
19 - приводной вал;
20 - защитный звукоизолирующий кожух приводного вала;
21 - защитный кожух приводного ремня;
22 - исследуемый объект - ДВС;
23 - вертикальная регулировочная стойка системы крепления ДВС на стенде;
24 - продольная балка системы крепления ДВС на стенде;
25 - корпус верхнего опорного подшипникового узла;
28 - рама несущего силового каркаса;
31 - вал верхнего опорного подшипникового узла;
33 - промежуточная подшипниковая опора;
34 - опорные подшипники;
35 - промежуточный вал;
36 - коленчатый вал.
Лазерное устройство центровки выполнено в виде единого модуля (см. фиг.4-7), содержащего основание 37, цилиндрический корпус 38, в котором жестко установлен лазерный диод. Материал основания 37 содержит постоянный магнит в виде «магнитной» присоски. Модуль лазерного устройства центровки жестко устанавливается на выполненную из ферромагнитного вещества монтажную площадку 39 за счет притягивающего магнитного поля, возникающего между поверхностью площадки 39 и содержащего постоянный магнит основанием 37 таким образом, чтобы светящийся пучек 40 был направлен в центр (ось вращения) торцевого участка переходного вала 41, жестко соединенным с валом 31 верхнего опорного подшипникового узла. Поверхность монтажной площадки 39 должна быть перпендикулярной оси вращения сопрягающихся валов 31 и 41. В этом случае угол между невидимым лазерным лучом 42 и плоскостью расположения фланца 43 переходного вала 41 составляет 90°. Для варианта расположения оси вращения коленчатого вала исследуемого ДВС перпендикулярно (напротив) поверхности входной двери испытательной камеры, в качестве монтажной площадки для установки модуля лазерного устройства возможно использование поверхности входной двери. В этом случае, подразумевается дверь из листовой стали или содержащая пластину из ферромагнитного вещества. При монтаже ДВС на стенде положение модуля лазерного устройства центровки остается неизменным, а приводной вал 19, жестко соединенный с промежуточным валом 35, выставляется таким образом, чтобы светящийся пучек 40 был направлен в центр (ось вращения) торцевого участка промежуточного вала 35 промежуточной подшипниковой опоры
(см. фиг.5). Следующим этапом является стыковка исследуемого ДВС с промежуточной подшипниковой опорой и подбор с помощью регулировок вертикальных стоек и поперечных направляющих системы крепления ДВС на стенде такого положения ДВС, чтобы светящийся пучек 40 находился в центре (оси вращения) носка коленчатого вала 36 (см. фиг.6). Проведенная таким образом центровка осей вращения сопрягающихся указанных валов (коленчатого вала 36, промежуточного вала 35, приводного вала 19) является высокоточной и позволяет, в конечном итоге, свести к минимуму генерирование дополнительных вибросил на частотах и порядковых гармониках вращения сопрягаемых валов с существенным ослаблением вибрационного возбуждения несущих структур моторного стенда и строительных элементов испытательной камеры и уменьшением паразитных шумовых излучений.
Для варианта расположения оси вращения коленчатого вала исследуемого ДВС напротив глухой стены испытательной камеры, монтажная площадка 39 (см. фиг.7) из ферромагнитного вещества монтируется на данной стене 6 посредством болтов 44. После процедуры проведения операций центровки сопрягающихся валов, участок глухой стены безэховой акустической камеры закрывается съемным поглотителем звука 45 типа используемой звукопоглощающей футеровки (клиньев, кулис) поверхности акустической безэховой камеры, который устанавливается на подвесной винт 46. Для периодической калибровочной юстировки координат расположения модуля лазерного устройства центровки, на поверхности монтажной площадки 39 содержится калибровочная метка 47, имеющая форму проекции основания лазерного устройства центровки на поверхность монтажной площадки.
Практическая реализация предлагаемой конструкции моторного стенда для виброакустических испытаний ДВС позволяет в конечном итоге повысить точность и объективность результатов стендовых виброакустических исследований ДВС.