Комплексный анализ виброакустических и прочностных характеристик является одним из наиболее важных составляющих в исследовании, проектировании, производстве и испытаниях транспортно-технологических машин. Этот анализ представляет собой два глобальных этапа (рис. 1) – моделирование жесткости и моделирование вибрации и шумов, подразделяющихся на различные подэтапы.
При использовании комплексного анализа виброакустических и прочностных характеристик пользуются тремя взаимосвязанными понятиями – шум, вибрация и жесткость, определения которых для инженеров отличаются от стандартных физических определений.
Для инженеров в области комплексного анализа виброакустических и прочностных характеристик на основании Стандарта SAE J 670E «Комитета Динамики Транспортных Средств» приняты следующие определения [9]:
- шум определяется как любой неприятный или неожиданный звук, создаваемый вибрирующим объектом, акустические вибрации объекта характеризуется ощущением давления через уши;
- вибрация определяется как любое нежелательное повторяющееся движения объекта, вперед-назад или вверх-вниз, воспринимается тактильно на точках контакта пассажиров и водителя транспортного средства – рулевая колонка, сидения, пол и т.д.
- жесткость определяется как агрессивное ощущение подвески или отсутствие реакции в ответ на единичное воздействие, может быть воспринято как тактильно, так и на слух.
Рис. 1. Комплексный анализ виброакустических и прочностных характеристик автомобиля
Термин «жесткость» в комплексном анализе виброакустических и прочностных характеристик является спорным и трактуется разными автопроизводителями по-разному. Он может относиться к субъективному восприятию вибрации и шума и являться критерием количественной оценки «резкости» поведения узлов и агрегатов автомобиля. Другая трактовка рассматривает «жесткость» как прочность элементов конструкции.
Комплексный виброакустический и прочностной анализ относится к области инженерной механики, направлен на измерение и оптимизацию шумовых и вибрационных характеристик автомобилей, повышает роль виртуальных прототипов автомобилей для сокращения цикла разработки и сокращения затрат при сохранении качества и способствует разработке большого числа вариантов автомобилей на базе небольшого количества платформ [5].
Комплексный виброакустический и прочностной анализ приобретает важное значение ввиду взаимо-противоречивых требований, предъявляемых к автопроизводителям потребителями и государственными органами:
- потребители становятся более требовательны в отношении виброакустических характеристик транспортного средства,
- требования по экономии топлива вынуждают разрабатывать более легкие автомобили, что приводит к тому, что проблемы шума и вибраций становятся более очевидными и критическими,
- шумовое воздействие на окружающую среду строго регламентируется законодательством большинства государств (в том числе и России), так как это является нагрузкой на окружающую среду и влияет на здоровье граждан.
Важность вибрационной и акустической безопасности подтверждает наличие большого количества требований по виброакустике. Общая и локальная вибрация нормируется предписаниями 34 международных стандартов ИСО (ISO), шестью европейскими нормами (EN), шум – восемью Правилами ЕЭК ООН «О единообразных технических предписаниях для колесных транспортных средств…». Основными из них являются требования к общей (ГОСТ 31191.2-2004 [1]), локальной (ГОСТ 31192.2-2005 [2]) вибрации и внешнему шуму [3, 4].
Проведение расчётного анализа вибрации и шума, а тем более оптимизация параметров конструкции требует решения задач по исследованию разнородных по своей природе физических явлений в различной постановке:
- кинематический и динамический анализ механизмов, входящих в проектируемое изделие;
- определение упруго-демпфирующих характеристик виброизолирующих компонентов конструкции;
- моделирование напряжённо-деформированного состояния сложных пространственных конструкций (кузова, рамы, элементов корпуса и т.п.);
- моделирование взаимодействия конструктивных элементов изделия с акустическими объёмами и распространения в них звука.
Рис. 2. Возникновение вибрации и шума в транспортно-технологических машинах
Комплекс проводимых исследований по уменьшению шума и вибронагруженности транспортно-технологических машин включает в себя, во-первых, борьбу с шумом и вибрациями в источнике и, во-вторых, на путях их распространения. При этом исследуемые колебательные процессы имеют различный характер. Такие источники, как двигатель и трансмиссия создают периодические возмущения, зависящие от конструкции и режимов работы, а, например, шины при воздействии с дорожным полотном возбуждают колебания, имеющие случайный характер (рис. 2, 3). Именно эти колебания и передаются затем силовой установке, трансмиссии, панелям кузова и другим узлам и деталям автомобиля [6].
Рис. 3. Примеры статического нагружения, установленные для оценки жесткости чернового варианта кузова (а) кручение и (б) изгиб
На данный момент не существует стандарта по проведению комплексного виброакустического и прочностного анализа и по методам получения данных. Каждый производитель транспортно-технологических машин пользуется собственными методами, которые являются корпоративной информацией и не распространяются вне компаний. Однако общей чертой для проводимых всеми исследователями комплексных анализов виброакустических и прочностных характеристик автомобилей является деление этого анализа на внешний и внутренний [7].
Внутренний анализ виброакустических и прочностных характеристик (рис. 4) изучает шумовые и вибрационные явления, с которыми сталкиваются пассажиры транспортных средств, в то время как в рамках внешнего анализа виброакустических и прочностных характеристик исследуют шумы, излучаемым автомобилем и их влияние на человека и окружающую среду снаружи транспортного средства.
Рис. 4. Структура внутреннего комплексного виброакустического и прочностного анализа автомобиля
При проведении комплексного виброакустического и прочностного анализа вибрации и шумы автомобиля условно делят на три частотных диапазона (таблица), обосновывая различными способами их передачи и восприятия, и различным виброакустическим поведением узлов и агрегатов транспортного средства в этих трех частотных диапазонах [8].
Классификация вибраций и шумов автомобиля
|
Описание |
Способ передачи |
Частотный диапазон |
|
Низкочастотные |
Производимые деталями и агрегатами |
0 – 150 Гц |
|
Среднечастотные |
Производимые деталями и агрегатами и воздухом |
150 – 1000 Гц |
|
Высокочастотные |
Производимые воздухом |
Более 1000 Гц |
Решение задачи по оптимизации параметров конструкции транспортно-технологических машин возможно только в форме многодисциплинарного инженерного анализа и виртуального моделирования в соответствующих частотных диапазонах.