kitayteka.ru

В данной статье рассмотрены следующие темы связанные с шумом или вибрацией автомобиля или двигателя: Определение NVH, Колебания и частота, Свободные колебания и собственная частота, Вынужденные колебания и резонанс, Изгибные колебания и колебания с самовозбуждением,
Твердое тело и упругие колебания, Бегущие волны и стоячие волны, Порядок гармонических колебаний, Демпфированные колебания и резонанс,
Уменьшение вибрации и резонанс, Степень свободы, Подрессоренная и неподрессоренная масса, Движения автомобиля, Колебания и звук,
Усиление вибрации и звука, Рокочущий шум, Образование звука с биениями, Шум относителен, Типовые источники шума и вибрации, Шум и вибрация, связанные с двигателем, Шум и вибрация, связанные с трансмиссией, Шум и вибрация, связанные с приводным валом и мостами,
Шум и вибрация, связанные с элементами подвески, Шум и вибрация, связанные с трансмиссией, Шум и вибрация, связанные с тормозами,
Шум и вибрация, связанные с шинами, Тряска и угловые колебания, Шум и вибрация, связанные с кузовом, Шум и вибрации, связанные с элементами интерьера автомобиля, и аэродинамический шум, Подтверждение неисправности, Классификация неисправности,
Дорожные испытания, Дорожные испытания для проверки аэродинамического шума, Полезное оборудование, Полезная информация,
Методика измерения уровня шума.

Определение NVH

Шум, вибрация и колебания (NVH) - это термин, используемый в автомобильной промышленности для обозначения комплекса мер, направленных на снижение нежелательных вибраций автомобиля, посторонних звуков, ударов и прочих факторов, приводящих к ухудшению качества езды.
Следует различать два типа колебания:
1. Конструкционные (вибрация);
2. Воздушные (звуковые) - звук в свою очередь, подразделяется на наружный и на внутренний шум.

Шум и вибрация создаются различными узлами автомобиля. Можно сказать, что они присутствуют постоянно во время эксплуатации автомобиля, но в большинстве случаев их уровень крайне низок и они не причиняют неудобств. Если вибрация и шум становятся сильнее привычных или наблюдается увеличение уровня по сравнению с предыдущим состоянием, водитель и пассажиры не только ощущают дискомфорт, у них возникают определенные сомнения относительно надежности автомобиля. Поэтому при первой же возможности следует проверить и устранить возможные причины возникновения вибрации и шума. Основной проблемой при выявлении причины NVH является тот факт, что очень часто шум и вибрация возникают не за счет одной детали, а в результате наложения или взаимодействия нескольких источников. Поэтому точно определить причину шума или вибрации может оказаться непросто. В силу этого для эффективного устранения шума и вибрации следует понимать лежащие в их основе физические процессы и знать их основные характеристики, а также знать, как и за счет каких узлов образуются шум и вибрация. Прежде всего, следует различать разные способы образования вибрации и шума. В частности, они могут передаваться по элементам конструкции или по воздуху. Помимо этого, существует множество других признаков, по которым различаются вибрация и шум. В первой части этого курса следует изучить все соответствующие термины и определения, так как правильное их понимание существенно облегчает поиск неисправностей.

Начнем с разницы между конструкционными и воздушными колебаниями. Конструкционные колебания можно ощущать, и обычно именно их называют вибрацией. В некоторых случаях вибрация сопровождается звуком, но обычно она ощущается. Если вибрация ощущается в салоне автомобиля, она может стать причиной дискомфорта.
Под воздушными колебаниями понимается те, которые можно слышать. Обычно этот тип колебаний называют звуком или шумом.
Шум подразделяется на две категории: наружный шум и внутренний шум.

Колебания и частота

Далее определим термины «колебание», «частота» и «амплитуда».
Колебанием называют периодическое движение объекта вокруг точки, являющейся центром этого движения. Простым примером колебания является движение маятника, раскачивающегося вперед и назад. Как показано на рисунке, маятник движется из среднего положения (А), являющегося нижней точкой, в высшую точку слева (В), затем движется обратно и снова проходит точку А, после чего достигает высшей точки справа (С). После этого он движется обратно к точке В, снова проходя через точку А, и т. д. На графике справа это движение показано в виде функции времени. Частотой называется количество колебаний (циклов), осуществляемых в течение одной секунды. Единицей измерения частоты является Гц (герц). В данном примере показано колебание с частотой 1 Гц. Более того, из рисунка видно, что перед тем как начать движение назад, маятник достигает максимальной высоты с каждой стороны. Максимальное расстояние от средней точки А называется амплитудой.

Свободные колебания и собственная частота

Колебательная система, состоящая из пружины с грузом, под воздействием внешней силы начинает вибрировать. Без внешней силы груз достигает определенного положения, в котором усилие пружины, стремящееся сместить груз вверх, и сила тяжести, тянущая груз вниз, уравновешены, и груз неподвижен. Если однократно приложить внешнюю силу (например, потянуть рукой груз вниз, преодолевая сопротивление пружины, а затем отпустить его), груз выйдет из точки равновесия и начнет колебаться вокруг нее. Этот процесс называют свободным колебанием. Частота этого колебания определяется системой и зависит только от массы груза и от силы пружины. Внешняя сила повлияла лишь на амплитуду, но не на частоту. Например, если потянуть груз сильнее, величина движения (амплитуда) увеличится, но скорость колебаний (частота) останется прежней. Характерная для системы частота называется собственной частотой. Если масса груза или сила пружины или оба эти параметра изменятся, собственная частота колебаний системы также изменится. Более слабая пружина и большая масса груза приведет к увеличению амплитуды и к уменьшению частоты, в то время как более сильная пружина и меньшая масса груза приведут к уменьшению амплитуды и к увеличению частоты.

Вынужденные колебания и резонанс

Вынуждающая сила и колеблющееся тело
Как было показано ранее, колебания возникают в присутствии вынуждающей (или возбуждающей) силы. Колебательная система, состоящая из пружины с грузом, начинает колебаться, если то, что удерживает пружину (например, пальцы) движется вверх и вниз. В этом случае пальцы представляют собой источник вынуждающей силы, а груз — колеблющееся тело. Если эта сила возникает периодически, поддерживая колебания системы, мы называем это вынужденными колебаниями.
Если скорость движения руки (частота вынуждающей силы) невелика, груз начинает колебаться с малой амплитудой (но с собственной частотой системы).
Если частота вынуждающей силы увеличивается, амплитуда колебаний также увеличивается, но частота сохраняется. При определенной частоте вынуждающей силы амплитуда колебаний груза становится очень большой: возникает резонанс. Точка с наибольшей амплитудой называется точкой резонанса. Эта точка достигается, если частота вынуждающей силы совпадает c частотой собственных колебаний системы (пружины с грузом).
Если частота вынуждающей силы продолжает увеличиваться за эту точку, груз больше не может следовать за движением и амплитуда движения груза уменьшается.

Изгибные колебания и колебания с самовозбуждением

Как следует из названия, эти (упругие) колебания представляют собой вынужденные колебания тела, деформируемого вдоль горизонтальной оси. Примером таких колебаний может служить деформация моста при проезде по нему автомобиля (эти колебания можно ощутить, стоя на мосту). В качестве другого примера можно привести изгиб приводного вала под нагрузкой двигателя или изгиб коленчатого вала под действием силы поршня. Природа этих колебаний зависит от жесткости детали, от способа ее крепления и от приложенной силы.
Крутильными колебаниями называется угловое смещение скручиваемого предмета. Типовым примером является скручивание торсионной балки в подвеске. Другим типовым примером являются угловые колебания коленчатого вала, связанные с попеременным воспламенением в цилиндрах, на вал через поршни и шатуны передаются импульсы крутящего момента.
Колебания с самовозбуждением
Кроме вынужденных колебаний, когда система колеблется под воздействием вынуждающей силы, возможны случаи, когда колебания создаются самим предметом. Обычно это возникает, если тело движется по другому объекту. Даже если оно движется с постоянной скоростью, оно может начать колебаться. Это связано с тем, что при движении тела трение покоя изменяется на трение скольжения. Примером может служить вибрация щеток стеклоочистителя на ветровом стекле.

Твердое тело и упругие колебания

В зависимости от степени свободы и от того, как колеблется тело, следует различать два типа колебаний: колебания твердого тела и упругие колебания. Примером колебаний твердого тела являются колебания предмета, подвешенного на пружине. В этом случае тело выступает прежде всего в роли массы (груза). Например, в кузове автомобиля, опирающемся на подвеску, возникают колебания твердого тела. Колебания твердого тела имеют ограниченное количество степеней свободы. Упругими называются такие колебания, когда предмет сам выступает как в роли пружины, так и в роли груза. Эти колебания можно также назвать эластичными. Примером могут служить изгибные колебания выпускной трубы, являющиеся упругими колебаниями. Упругие колебания обычно характеризуются неограниченным количеством степеней свободы. Возможны ситуации, когда один и тот же предмет в определенных условиях подвержен колебаниям твердого тела, а в других случаях совершает упругие колебания, в зависимости от частоты вынуждающей силы. Более того, он может колебаться одновременно в обоих режимах. Например, при медленном движении по плохой дороге кузов автомобиля колеблется вертикально с малой частотой. Это колебания твердого тела, так как кузов выступает в роли груза на подвеске. Увеличение скорости может привести к встряхиванию кузова. Это упругие колебания, так как кузов изгибается/скручивается, вместо того чтобы вести себя как твердое тело. Очень важно понимать, какой тип колебаний фактически имеет место. Примеры колебаний твердого тела:
Колебания системы крепления двигателя: пружиной в такой системе являются опоры двигателя, а в качестве груза выступает двигатель в сборе. Другим примером колебаний твердого тела являются движения шасси, в частности: раскачка, крены, колебания, рысканье.
Примеры упругих колебаний: изгибные колебания выпускной трубы и изгибные колебания карданного вала. В этих случаях в роли пружины и груза выступает один и тот же предмет.

Бегущие волны и стоячие волны

Если волна распространяется в однородной среде без границ, она просто продолжает распространяться. (В процессе распространения волны амплитуда колебаний уменьшается из-за трения). Но если волна достигает другой среды (границы), она отражается. Если волна отражается, она может интерферировать с собственным отражением. Интерференция попеременно является усиливающей или ослабляющей, так как две волны следуют одна за другой. В результате образуется стоячая волна. Форма стоячей волны образуется в результате интерференции двух или более волн, распространяющихся в одной и той же среде. Отдельные точки стоячей волны никогда не движутся. Эти точки называются узлами. Максимально движущиеся точки называют антиузлами. Вокруг каждого узла расположены антиузлы, при этом образуется структура с чередующимися узлами и антиузлами. При заданной длине стоячие волны могут образовывать только волны с определенными частотами. Это связано с тем, что расстояние от одного узла до следующего всегда должно составлять определенную часть полной длины (половину, треть и т. д.). Разные стоячие волны, соответствующие различным частям полной длины, называют гармониками. Для любых предметов имеется частота или набор частот, с которыми они свободно колеблются в результате удара, обрыва, встряхивания или другого возмущения. Каждая из собственных частот, с которыми колеблется предмет, связана со структурой стоячей волны. Если предмет принудительно колеблется с одной из собственных частот, в нем образуется стоячая волна.

При любой частоте, отличающейся от частоты гармоник, интерференция отраженной и падающей волн приводит к возмущению среды, которая становится неоднородной и неповторяющейся. Такие структуры стоячих волн соответствуют режиму колебаний предмета с минимальным поглощением энергии. Хотя предмет может колебаться неограниченным количеством способов (каждый связан с собственной частотой), каждому из предметов присущи лишь несколько характерных режимов и структур колебаний. Характерными режимами (структурами) колебаний являются те, которые приводят к максимальной амплитуде при минимальной поглощаемой энергии. Режимы колебаний с собственными частотами являются предпочтительными, так как они соответствуют структурам, требующим минимального количества энергии. Проще заставить объект колебаться с резонансной частотой, если частота возмущения соответствует какой-либо из собственных частот. В резонансе достаточно просто увеличить амплитуду колебаний, так как для этого требуется относительно небольшое количество энергии. Это приводит к увеличению амплитуды стоячей волны в предмете и может даже привести к разрушению предмета.

Порядок гармонических колебаний

Еще одним важным термином является порядок (гармонических) колебаний. Этот термин определяет взаимосвязь между частотой колебаний и частотой вращения деталей (автомобиля). Если частота колебаний совпадает с частотой вращения, то они называются колебаниями первого порядка. Это показано на примере шины с одним ослабленным участком (изменение радиальной силы). Когда ослабленный участок касается дороги (поддерживая массу автомобиля), кузов автомобиля опускается. Так как это происходит каждый оборот, можно ощутить вибрацию, частота которой совпадает с количеством оборотов колеса в секунду. Если частота колебаний в два раза превышает частоту вращения, то это колебания второго порядка. В случае шины для этого должно иметься два ослабленных участка. Превышение в три раза называется колебаниями третьего порядка и т. д. Это касается всех вращающихся деталей, таких как, например, шины или коленчатый вал. В следующей таблице приведен пример взаимосвязи частоты вращения различных двигателей с частотой изгибных колебаний коленчатого вала. Понять эту взаимосвязь очень важно для поиска неисправностей, особенно если используется диагностическое оборудование, такое как анализатор NVH.

Демпфированные колебания и резонанс

На рисунке слева показаны резонансные колебания системы, вызванные воздействием на ее массу внешней силы разной частоты, но одинаковой амплитуды. При этом в системе отсутствует демпфер. В точке А колебания очень слабые, и смещение груза в целом равно нулю (зависит от приложенной силы). В точке В колебания слишком быстрые, чтобы груз успевал за ними, поэтому амплитуда мала. В точке С частота внешней силы совпадает с собственной частотой груза, поэтому амплитуда становится (теоретически) бесконечно большой. Это явление резонанса является основной причиной увеличения вибрации и шума в автомобиле и может даже привести к повреждению деталей. Чтобы избежать этого негативного эффекта, в колебательных системах часто используют демпфирующий элемент. В присутствии демпфера кривая не имеет бесконечной амплитуды. Вместо этого вершина пика имеет округлую форму, обусловленную коэффициентом демпфирования. Чем больше коэффициент демпфирования С, тем меньше амплитуда в точке резонанса. На рисунке справа показано влияние демпфера на систему.
На нижних рисунках показана соответствующая «модель» описанных систем и приведена зависимость амплитуды от времени в отсутствие демпфера. Даже без дополнительного демпфера амплитуда уменьшается из-за внутреннего трения пружины, поэтому коэффициент демпфирования присутствует даже на левом рисунке, несмотря на то, что демпфер в системе отсутствует. Коэффициент демпфирования на правом рисунке существенно выше, так как в системе установлен дополнительный демпфер. Если демпфер достаточно большой, колебаний не возникает и груз возвращается из возмущенного состояния в точку равновесия, не пересекая нулевую линию. В большинстве случаев используются демпферы фрикционного типа, однако существуют и другие возможности. Примечание. Хотя на первый взгляд использование демпфера кажется удачным решением, следует учитывать, что сильное демпфирование может привести к проблемам, связанным с ограничением ускорения демпфированной детали, в то время как другие объекты могут начать колебаться из-за того, что теперь колебания могут передаваться другим объектам.