УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ШУМА КАРДАННОГО ВАЛА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель 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 ярко выраженные тональные вибрации (так называемые зубцовые вибрации) с основной частотой, равной частоте пересопряжения зубьев,
0
f=z·n/60, Гц,
-1
где z - число зубьев ведущей шестерни, n - частота вращения, с.
Кроме основной частоты, как правило, в спектре вибраций шестерен присутствуют гармоники основной частоты, которые рассчитываются по формуле:
к
0
f=к·f,
0
где к=1, 2, 3,..., f - основная частота, Гц.
-1
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 (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).
-3
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 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 выбрано устройство для снижения шума и вибраций карданных валов, описанное 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. Устройство выполнено в виде металлической шайбы и закреплено внутри трубы с помощью резинового элемента. Дополнительно на стенки трубы может наноситься вибропоглощающее покрытие с высоким коэффициентом потерь. Недостатком устройства-прототипа является то, что вводимое в трубу без предварительного тщательного определения виброакустических характеристик трубы карданного вала и шестеренчатых механизмов устройство 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 заявляемым техническим решением, является повышение эффективности снижения шума карданного вала транспортного средства и минимизация затрат на его акустическую доводку.
Достигается это тем, что:
- устройство выполнено в виде жесткого кольца, толщина которого составляет δ=(1,5-2)·h, где h - толщина стенки трубы карданного вала;
- устройство устанавливается в зонах пучностей колебательной скорости при колебаниях трубы карданного вала на собственных частотах, совпадающих по величине с зубцовыми частотами и/или их гармониками механизмов транспортного средства, содержащих шестеренчатые передачи.
Кроме этого, внутри жесткого кольца с обеспечением контакта с его внутренней поверхностью может устанавливаться материал с высокими диссипативными потерями.
Суть технического решения поясняется на фиг.1, на которой приведены для примера собственные формы колебаний карданного вала на частоте 1344 Гц (вид а) с одной пучностью и на частоте 1428 Гц (вид б) с двумя пучностями. Цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - труба карданного вала, 2 - зона пучности колебательной скорости, 3 - зона установки устройства для снижения шума карданного вала (выделена светлым тоном). На фиг.2 приведено предлагаемое устройство, которое выполнено в виде жесткого кольца 4, например, из стали, толщина которого δ=(1,5-2)·h, где h - толщина стенки трубы карданного вала. Указанная толщина кольца препятствует возникновению колебаний трубы карданного вала с изменением формы ее поперечного сечения. Внутри жесткого кольца с обеспечением контакта с его внутренней поверхностью устанавливается материал 5 с высокими диссипативными потерями, например, резина. Жесткое кольцо (либо несколько колец) устанавливается внутрь трубы карданного вала с некоторым «натягом», т.е. внешний радиус кольца 4 несколько меньше (на 0,03-0,05 мм) внутреннего радиуса трубы.
-1
-1
-1
-1
-1
Перед установкой устройства внутрь трубы карданного вала необходимо проделать следующую работу. 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 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 и 1530 мин соответственно. Следует отметить, что зубцовые частоты второй пары шестерен коробки переключения передач на оборотах двигателя 1165 мин и 1238 мин 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 устройство 4 (одно или несколько).
Предложенное заявителем устройство позволяет, по сравнению с прототипом, максимально эффективно снизить шум, излучаемый карданом за счет его установки в зонах пучностей колебательной скорости. Устройство апробировано 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 устройства. Учитывая новизну и промышленное применение заявляемого технического решения, заявитель считает, что оно может быть защищено патентом на полезную модель.