Method of calculation of probabilistic estimation of noise emitted by passenger automobile aggregates

Full Text

Введение Шумовое загрязнение окружающей среды является важной экологической проблемой. В настоящее время уровень городского транспортного шума варьируется в пределах от 70 до 95 дБА, что существенно превышает действующие санитарные нормы [1-4]. Так, в Волгограде он достигает 82 дБА [5]. Одним из путей снижения транспортного шума является уменьшение вклада в него каждого отдельного автомобиля. Несмотря на постепенное обновление автопарка России, доля автомобилей с пробегом 10-20 лет составляет около 28 % [6]. Даже новые автомобили одной модификации, сошедшие с конвейера в одно и в тоже время, имеют отличающиеся друг от друга шумовые характеристики; и некоторый их процент не проходит по санитарным нормам [7]. Тем временем производителями не приводятся данные по статистической оценке шумности конкретных моделей, в доступной научной литературе отсутствует и расчетная оценка разброса шумности автомобилей с учетом особенностей их компоновки, акустических характеристик узлов и каналов поступления звуковых волн к расчетным точкам. Целью работы является разработка расчетной методики, позволяющей на стадии проектирования автомобиля рассчитать вероятное математическое ожидание его шумности и внести необходимые конструктивные корректировки для ее снижения. Основные источники шума Основным источником шума автомобиля является двигатель и его системы [7]. В шуме двигателя выделяют компоненту, обуславливаемую процессом сгорания, и компоненту механическую. С увеличением частоты вращения превалирующим становится механический шум, вызываемый соударениями деталей двигателя, главным образом, перекладкой поршня в цилиндре. Причинами разброса уровней звукового давления служит остаточная неуравновешенность двигателя, разные (в пределах допусков) массо-инерционные параметры поршней и других подвижных деталей, неточности изготовления деталей клапанного механизма, регулировочные зазоры в сопряжениях и др. Следующим по значимости источником шума являются узлы трансмиссии [7]. В них шум генерируется зубчатыми передачами, подшипниками и быстро вращающимися валами. Причинами разброса амплитуд колебаний деталей, а значит, и уровней звукового давления, служат погрешности изготовления шестерен, недостаточная центровка валов и их прогиб, статическая и динамическая неуравновешенность вращающихся деталей, периодические и непериодические соударения движущихся деталей, трение в сопряжениях, неточная регулировка и установка подшипников. На основе математического моделирования получена показанная на рис. 1 зависимость уровня излучаемого шума от зазора в зубьях шестерен коробки передач. Показано, что при увеличении зазора уровень излучаемого шума существенно (до 20дБ) увеличивается. Шины движущегося легкового автомобиля являются одним из основных источников вибрации и шума [7] при высоких скоростях движения (начиная с 80-90 км/час). Основными факторами, определяющими разброс уровней шума, излучаемого разными колесами, является их остаточная разбалансировка, нестабильность регулировки подшипников, отклонение рисунка протектора от номинального. Источниками шума аэрогидродинамического происхождения [7] являются стационарные или нестационарные процессы в газах. Одним из наиболее интенсивных аэродинамических источников шума является вихреобразование в проточных частях механизмов. При движении автомобиля в потоке воздуха он является источником турбулентности, поэтому шум с увеличением скорости движения возрастает. Разброс значений уровня внутреннего шума на одном и том же участке дороги при одних и тех же условиях может достигать 5 дБ. Это связано, в основном, с изменением скорости потока воздуха, обтекающего автомобиль. Рис. 1. Спектр шума при частоте вращения входного вала 1000 мин-1 Экспериментальные исследования уровня шума основных узлов Выполнена серия экспериментальных исследований уровня шума основных узлов (двигатель, коробка передач, карданная передача, дифференциал, система выхлопа) автомобилей ГАЗ-3110 разных годов выпуска. Замеры проводились на стенде (рис. 2) при фиксированных частотах вращения коленчатого вала двигателя и включенных передачах. Рис. 2. Общий вид стенда DynaPack 4WD Обработка и анализ результатов экспериментов показали, что шум автомобилей и отдельных его агрегатов, даже одного года выпуска, имеет существенный разброс (рис. 3). При этом год выпуска 2006-2007 соответствует сроку эксплуатации до 2 лет, 2004-2005 - 3-4 года, 2000-2003 - 5-7 лет. В результате обработки массива экспериментальных данных получены двухфакторные (рис. 4) и многофакторные (1) уравнения регрессии для основных измерительных точек автомобиля, позволяющие учитывать влияние на уровень звукового давления агрегатов частоты вращения коленвала (n, мин-1), нагрузки (М, Н·м) и срока эксплуатации автомобиля (Тэ, год). Рис. 3. Зависимость и разброс уровня шума от частоты вращения и срока эксплуатации Например, для ближнего поля главной передачи: , (1) где t - критерий Стьюдента; σi - среднеквадратическая характеристика разброса шума, дБ. Рис. 4. Двухфакторное уравнение регрессии: а - регрессионная плоскость; б - вид вдоль регрессионной плоскости; (n - частота вращения, мин-1/1000; Тэ - время эксплуатации, год; L - шум, дБА) Для исследования влияния приложенного к ведущим колесам момента сопротивления на звуковое излучение агрегатов использовался динамометрический стенд DynaPack 4WD (рис. 2). На стенде выполнена серия экспериментальных исследований, во время которых регистрировалась частота вращения коленвала, крутящий момент на ведущих колесах и номер включенной передачи. Исследования проводились на частотах вращения 1000, 2000, 3000, 4000 мин-1 на разных передачах. Для примера одна из полученных зависимостей уровня звукового давления на 3 передаче при частоте вращения 2000 мин-1 приведена на рис. 5. Результаты исследований показали, что увеличение момента сопротивления на ведущих колесах в той или иной мере приводит к увеличению звукового излучения всех агрегатов. Наиболее восприимчивым к увеличению внешней нагрузки по уровню звукового давления является двигатель. Так, при увеличении внешнего момента от 20 до 80 Н·м его шум увеличивается от 73 до 98 дБА. При тех же внешних условиях нагружения излучаемый уровень карданной передачи и дифференциала увеличился с 93 до 95 дБА, коробки передач с 97 до 101 дБА, шум выхлопа с 82 до 87 дБА, а шум в салоне с 76 до 78 дБА. Рис. 5. Изменение уровня шума от крутящего момента ДВС Выполнены также исследования влияния на уровень шума коробки передач частоты вращения коленчатого вала. Исследования показали, что наибольшее изменение уровня шума при уменьшении передаточного числа в коробке передач наблюдается на низких частотах (до 2500 об/мин); на более высоких частотах оно практически не приводит к увеличению общего уровня шума. Проверка распределения излучения шума агрегатами автомобиля по критерию Пирсона показала, что оно подчиняется нормальному закону. Разработка методики вероятностной расчетной оценки шума С учетом результатов экспериментальных исследований предложена методика вероятностной расчетной оценки шума на примере автомобиля ГАЗ-3110, с использованием которой на стадии проектирования возможно закладывать необходимые характеристики шумоизлучения транспортных средств. В качестве исходной принята методика [8], разработанная профессором Н.И. Ивановым на основе статистической теории акустики. В расчетных зависимостях, позволяющих определить долю отдельных источников в общем шуме автомобиля, в качестве начальных данных используются результаты экспериментов - спектры акустической мощности отдельных агрегатов, определенные с учетом их дисперсии. При этом для оценки суммарного разброса шума можно воспользоваться известной формулой энергетического сложения с учетом вероятного отклонения : , (2) где - звуковая мощность i-того источника шума; n - число источников шума транспортного средства. Если обозначить через предельное отклонение значений величины (можно считать половину доверительного интервала для величины ), то получим, что: . (3) Тогда с учетом выражений (2) и (3): . (4) При этом очевидно, что первое слагаемое в этом выражении можно принять за математическое ожидание суммарного расчетного уровня шума, а второе определяет предельно возможное отклонение действительного значения от среднего (математического ожидания). Анализ выражения (4) показывает, что погрешность энергетической суммы (определяющей разброс значений) не превосходит максимальной погрешности слагаемого. Аналогично, можно получить формулы для разброса других составляющих общего шума. С учетом (4) получено общее выражение для расчета шума, проникающего через открытые проемы капота, панели ограждения и систему охлаждения (радиатор) и достигающего панелей салона снаружи: , (5) где - уровень звуковой мощности i-того источника; - показатель, учитывающий соотношение между площадями i-ой панели капота, открытыми проемами капота и общей площади капота; - показатель, учитывающий расстояния от источника шума до расчетной точки и высоту проемов; ПН - показатель направленности; - средний коэффициент звукопоглощения; - добавка, зависящая от расположения источника шума; С - числовая добавка (при проникновении шума через панели ограждения С = 12,5, через открытый проем С = 14, в открытое пространство С = 0); X - числовая добавка, которая при равна 5 дБ, при - 8 дБ, при - 11 дБ ( - пространственный угол излучения источников, при излучении в открытое пространство он составляет , в полупространство - , в двухгранный угол - ); - расчетный показатель; ЗИ - приведенная звукоизоляция капота. Источниками шума ( ) являются двигатель, коробка передач, главная передача, передние и задние шины, система выхлопа, карданный вал. Шум внутри салона у каждой панели от каждого источника считается по формулам, имеющим одинаковую структуру: , (6) где - наружный шум у j-той панели ограждения; - звукоизоляция j-той панели; - вектор добавок к звукоизоляции; - площадь j-той панели; - общая площадь панелей; - коэффициент звукопоглощения j-той панели. Предельное отклонение вычисляется по формуле: (7) Таким образом, выражение (7) позволяет рассчитать внутренний шум в салоне автомобиля, учитывая не только математическое ожидание уровней шума и его спектральных составляющих, но и их возможный разброс. На основе предложенной методики в пакете Matlab создана программа, позволяющая получать спектры и общие уровни шума, проникающего в салон автомобиля через различные панели и от разных источников, с оценкой вероятного разброса их значений. Для примера на рис. 6 показаны спектры шума в салоне автомобиля, полученные экспериментальным и расчетным путями. На рис. 7 приведен график, показывающий вклад отдельных источников в общий шум в салоне. Рис. 6. Спектр шума в салоне автомобиля и его отклонение Рис. 7. Расчетные значения внутреннего шума ГАЗ-3110: 1 - доля шума двигателя, проникающего через нижний открытый проем в капоте; 2 - доля шума двигателя, проникающего через панели ограждения капота; 3 - доля шума двигателя, проникающего через ограждение радиатора; 4 - доля шума от коробки передач; 5 - доля шума от главной передачи; 6 - доля шума от передних шин; 7 - доля шума от задних шин; 8 - доля шума от выхлопной трубы; 9 - доля шума от карданной передачи; 10 - суммарный шум в салоне; 11 - экспериментальное значение Расхождение между расчетным и экспериментальным значениями наблюдается только в области низких частот. В области высоких частот разность не превышает 2-3 дБ, а по общему уровню (шкала А) она составляет 0,1 дБА, что позволяет говорить о достаточно хорошей сходимости результатов экспериментальных и расчетных данных, полученных по предложенной методике. Выводы 1. Предложены методика и математическая модель расчета ожидаемой шумности в салоне легкового автомобиля, которая позволяет получать не только математическое ожидание уровней шума от каждого агрегата и его спектральные составляющие, но и их разброс. 2. На основе математической модели создана программа, позволяющая получать спектральные составляющие шума от каждого из источников в третьоктавных полосах частот с оценкой вероятного разброса их значений (доверительных интервалов) еще на этапе проектирования автомобиля, что позволяет уже на стадии проектирования закладывать необходимые характеристики шумоизлучения агрегатов и автомобиля в целом. 3. Предложенная методика может быть использована также для оценки характеристик шумоизлучения других машин: грузовых и иных автомобилей, автобусов, колесных и гусеничных тракторов, рабочих сельскохозяйственных машин.

About the authors

A. V Pobedin

olgograd State Technical University

Ph.D.

M. V Lyashenko

olgograd State Technical University

Email: tslmv@vstu.ru
Dr. Eng.

M. V Shekhovtsov

olgograd State Technical University

Dr. Eng.

A. A Dolotov

olgograd State Technical University

References

Supplementary files