Привод газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к корпусным деталям двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении эффективности демпфирования и снижении амплитуды колебаний и излучаемого шума от стенок кожуха привода механизмов двигателей транспортных средств. Газораспределительный механизм содержит кожух 4 в отдельных зонах, адгезионно соединенный через прокладку 5 из вязкоупругого демпфирующего материала с ужесточающим ограниченным ребром 6. Материал прокладки 5 имеет заданные соотношением определенные физико-механические свойства. Прокладка может иметь дискретное строение и различную толщину и состав, а ребро - различную геометрическую форму. Преимущественная область применения - двигатели автомобилей. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к приводу механизма газораспределения (ГРМ) и его конструктивным элементам.

Известен звукодемпфирующий элемент для кожуха ремня привода распределительного вала (см. заявку Японии N 1-247719 51 МКИ 4 F 02 В 77/13, публ. 10.03.89), изготавливаемой из твердого пластика с отверстиями, затем отверстия последовательно закрываются (заполняются) инжекционным прессованием двумя элементами из мягкого вибродемпфирующего пластика, благодаря чему достигается эффект вибродемпфирования и снижения шума. Недостатком устройства является технологическая сложность изготовления данного звукоизолирующего элемента, невысокая звукоизолирующая способность такой структуры.

Известен механизм привода газораспределения ДВС, описанный в заявке ФРГ N 1122767, класс 46сN-16/01 (F 02 F), дата подачи заявки 15.10.57. Данный механизм содержит ведущий и ведомый шкивы, взаимосвязанные посредством приводного зубчатого ремня, заключенные в коробчатый кожух, закрепленный на корпусе двигателя, и снабжен коробчатый кожух вентиляционными отверстиями. Основным недостатком данного технического решения с точки зрения звукоизоляции является наличие вентиляционных отверстий, которые приводят к дополнительному звукоизлучению от элементов привода в широком частотном диапазоне, как в области низких, так и высоких частот, вследствие разгерметизации пространства кожуха и прямого излучения воздушного звука из-под кожуха через указанные отверстия.

Развитием вышеназванного технического решения явилось устройства механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания (см. авт. св. СССР N 1346832 класс 4 F 02 B 77/13, дата подачи заявки 27.03.1986). Преимуществом данного механизма является оптимальное расположение вентиляционных отверстий в кожухе ГРМ в узлах низших собственных форм колебаний его воздушного объема, что позволяет существенно снизить звукоизлучение от элементов привода механизма газораспределения в окружающую среду на низших резонансных модах воздушного объема, заключенного под кожухом. В то же время, данное устройства обладает рядом существенных недостатков, как с точки зрения акустики, так и других функциональных свойств, так как широкополосное высокочастотное излучение элементов привода будет практически беспрепятственно излучаться в окружающую среду, а также через отверстия перфорации в кожухе, возможно попадание абразивных частей грязи, воды и т.п. Через отверстия не только не исключается попадание пыли, грязи, воды, отрицательно сказывающихся на абразивном износе зубьев шкивов, что уменьшает долговечность и надежность привода и отрицательно сказывается на его функциональных свойствах, но и, в некоторых случаях, выполнение перфорированных отверстий недопустимо с точки зрения жесткостных и прочностных характеристик структуры привода.

Перфорированные отверстия выполненные в стенке кожуха, являясь эффективным средством снижения низко- и среднечастотного шума, могут привести к повышенной передаче воздушным путем широкополосного, высокочастотного шума, излучаемого элементами привода. Кроме того, перфорированные отверстия неэффективны для подавления высокочастотного корпусного звука кожуха ГРМ, обусловленного многоузловыми высокочастотными модами колебаний непосредственно структуры стенок кожуха.

Известна конструкция привода ГРМ ДВС, содержащая полимерный кожух с устройством шумовибродемпфирования в виде развитой резиновой пробки с натягом установленной в специально выполненное окно кожуха (см. журнал J SAE Review, N 6, november 1981, p. 19...25). Применение такой шумопонижающей конструкции, как следует из фиг. 13, стр.24 указанной статьи, позволило в основном уменьшить излучение в низкочастотной области спектра не превышающей 750 Гц. В области высоких частот отмеченное устройство показало свою низкую эффективность.

Известна конструкция привода ГРМ ДВС, содержащая полимерный кожух с сильно развитым скелетом оребрения в виде продольных и пересекающихся ребер жесткости на внешней и внутренней поверхности стенки кожуха отлитых как одно целое с конструкцией кожуха (см. патент США N 4607601, кл. F 01 L 1/01, дата действия патента от 26 августа 1986 г). Развитая оребренная и поэтому динамически жесткая структура стенок кожуха позволяет до минимума уменьшить низкочастотное излучение звука, что является положительным фактором. В то же время средне- и, в особенности, высокочастотное излучение звука таким кожухом не только не ослабляется, но даже усиливается ввиду резонансного совпадения частот изгибных колебаний стенок с частотами и гармониками зубчатых зацеплений агрегатов привода. Указанный факт является существенным и нежелательным дефектом конструкции кожуха и привода ГРМ в целом.

Известна конструкция кожуха ременного привода двигателя согласно японской заявки N 60-12570 от 05.07.1985, кл. F 01 L 1/46, в котором выполнено развитое окно, в котором вставлена пластина из пористого материала типа пеноалюминия. Открытоячеистая воздухопроницаемая структура пеноалюминия способствует вентиляции пространства приводных шкивов и ремня и обеспечивает частичное поглощение шума генерируемого приводом. Данная конструкция, обладая весьма ограниченными шумопонижающими характеристиками теряет их в процессе эксплуатации вследствие закупорки пор пеноалюминия частицами пыли, смазочного масла и т.п., что является ее недостатком.

В качестве прототипа заявляемого устройства привода ГРМ ДВС может быть выбрано техническое решение по заявке ФРГ N 3141627, кл. F 01 L 1/04, публ. 24.06.1982 г. В указанном устройстве кожух привода ГРМ ДВС выполнен из мягкого демпфирующего материала типа цельноформованного волокнистого материала (технического войлока), пропитанного фенольной смолой и пенополиуретаном. При этом, конструкция кожуха на своей наружной поверхности может содержать усилительные элементы типа вогнутых желобков и гофров для увеличения жесткости конструкции кожуха. Такая конструкция кожуха обеспечивает достаточно высокое поглощение шума излучаемого под кожухом элементами привода ГРМ, в том числе (и преимущественно - средне- и высокочастотного шума), однако пористая структура стенок кожуха в процессе эксплуатации теряет свои первоначальные характеристики (запыление, загрязнение, влекущее потерю звукопоглощающих свойств пористых звукопоглощающих материалов, как волокнистых, так и пенистых). Воздействие переменных высоких и низких температур также отрицательно сказывается на шумодемпфирующих характеристиках таких материалов. Все это и обусловило отсутствие в современных конструкциях ДВС транспортных средств кожухов привода ГРМ указанной концепции (выполненных из волокнистых и пенистых полимерных материалов).

Конструкция кожуха привода ГРМ должна удовлетворять как минимум трем основным требованиям: защитой привода от внешних воздействий - попадания грязи, пыли, влаги, т.е. тех неблагоприятных внешних факторов, которые могут привести к повышенному износу и, следовательно, снижению долговечности элементов привода, теплоотводом наружной поверхности и низким уровнем шума, излучаемым непосредственно стенками кожуха в окружающую среду (низким корпусным звуком).

Решение технической задачи подразумевает повысить эффективность демпфирования структурных вибраций и шума, излучаемого кожухом ГРМ, преимущественно в средне- и высокочастотной области (выше 600 Гц), за счет реализации эффективного механизма необратимого преобразования средне- и высокочастотной механической колебательной энергии стенок в тепловую.

Сущность изобретения заключается в том, что в известную конструкцию привода ГРМ ДВС, состоящего из шкивов, зубчатого ремня, кожуха, на поверхность последнего адгезионно устанавливается ужесточающий и демпфирующий элемент, состоящий из вязкоупругой прокладки и ограниченного ужесточающего ребра, которое выполняет функцию снижения амплитуды колебаний стенки кожуха в низкочастотной области и демпфирования колебаний стенки кожуха в средне- и высокочастотной области, причем соотношение модуля упругости E плотности ρ и толщины h материала вязкоупругой демпфирующей прокладки определяется выражением Названная прокладка на присоединительной поверхности стенки кожуха под одним ребром может быть размещена дискретно, т.е. в виде отдельных составных частей и может иметь различную толщину и/или тип материала.

Сущность изобретения поясняется на рисунках (чертежах) - на фиг. 1 показана конструкция привода ГРМ с ужесточающим и демпфирующим элементом кожуха; - на фиг. 2 показан вид сбоку на привод ГРМ с ужесточающим и демпфирующим элементом кожуха; - на фиг. 3 показан характерный спектр шума, излучаемый приводом ГРМ ДВС в зоне кожуха; - на фиг. 4 показан схематично механизм подавления низкочастотных колебаний за счет наличия ужесточающего ребра; - на фиг. 5 показан схематично механизм подавления высокочастотных колебаний за счет наличия ужесточающего ребра; - на фиг. 6 показано сечение ужесточающего и демпфирующего элемента на стенке кожуха ГРМ; - на фиг. 7 показана частотная зависимость коэффициента потерь в устройстве шумодемпфирования согласно заявляемой конструкции;
- на фиг. 8, 9 и 10 показаны варианты конструктивного исполнения заявляемого устройства, которые охарактеризованы, соответственно п.3, п.4 и п.5 формулы изобретения.

Привод ГРМ, фиг. 1, смонтирован на передней стенке блока цилиндров ДВС 1 и содержит шкивы 2, приводной зубчатый ремень 3, кожух 4, вязкоупругую демпфирующую прокладку 5 и ограниченное ужесточающее ребро 6. На фиг. 2 показан вид сбоку на данную конструкцию, из которого видно, что ребро расположено в направлении длинной (наименее жесткой на изгиб) части кожуха, что обеспечивает ослабление возбуждения его первых продольных мод колебаний.

С точки зрения обеспечения требуемой степени демпфирования колебаний, данная конструкция предназначена непосредственно для снижения структурного шума вибрирующих стенок кожуха ГРМ возбуждаемых преимущественно через зоны крепления его к блоку и головке цилиндров двигателя. На фигуре 3 показан характерный спектр шума, излучаемый приводом ГРМ ДВС в зоне кожуха. Видно, что основная доля звуковой энергии сосредоточена в средне- и высокочастотной области звукового спектра. В то же время, в спектре шума присутствуют интенсивные гармоники и в низкочастотной области.

Суть предлагаемого технического решения состоит в реализации шумопонижающей конструкции, обеспечивающей как подавление амплитуды колебаний в низкочастотной области за счет введения ужесточающего элемента и демпфирование колебаний в средне- и высокочастотной области (выше 600-800 Гц) за счет реализации эффективного механизма необратимого преобразования колебательной энергии в тепловую, использованием ужесточающего ребра с деформирующей прокладкой под ним. Фигура 4 схематично показывает механизм подавления низкочастотных колебаний стенки кожуха за счет наличия ужесточающего ребра, предотвращающего изгибные деформации высоких амплитуд за счет существенного увеличенного момента сопротивления изгибу. При изгибных колебаниях стенки кожуха 4 ужесточающее ребро 6, присоединенное адгезионно (термоадгезив, липкий клеевой слой) через вязкоупругую прокладку 5, за счет своей существенно большей жесткости изгибу ограничивает виброперемещения стенки кожуха 4 и, таким образом, снижает низкочастотное звукоизлучение кожуха в окружающую среду.

В качестве примеров применения материалов вязкоупругой демпфирующей прокладки могут являться: пластифицированный поливинилхлорид, нитрильный каучук, бутилкаучук, низкомолекулярная эпоксидная смола с полиэфирным пластификатором, наполненная графитом, модифицированные эпоксидные смолы и пр.

По основным составным элементам предлагаемая шумопонижающая конструкция (фиг. 6) принципиально не отличается от конструкции, содержащей, например на своей поверхности слой шумовибродемпфирующего материала как это, например, отражено в выложенной заявке ФРГ N 3141627 кл. F 16 F 15/02 публ.24.06.82 г. Основным отличием заявляемой конструкции является использование вязкоупругого демпфирующего материала прокладки 5, адгезионно соединяющей поверхность стенки кожуха и ужесточающее ребро и имеющего модуль упругости, плотность и толщину, преднамеренно заданные для обеспечения высокого акустического качества конкретной конструкции привода ГРМ ДВС.

Механизм эффективного демпфирования средне- и высокочастотных колебаний в данной конструкции следующий. Если в механической колебательной структуре, показанной на фигуре 5, содержащей тонкостенную полимерную стенку кожуха, вязкоупругий демпфирующий слой прокладки и ужесточающий армирующий элемент в виде ребра жесткости в низкочастотной области колебаний (изгибных деформаций) реализуется преимущественно механизм демпфирования трехслойной конструкции типа сэндвич (см. фиг. 4): "пластина - вязкоупругий материал - жесткий усилитель", причем необратимое преобразование энергии механических колебаний в тепловую энергию происходит за счет работы сдвиговых деформаций структуры вязкоупругого демпфирующего слоя, то предлагаемая конструкция, основанная на другом механизме демпфирования, базирующимся на реализации преимущественно средневысокочастотных деформаций "растяжение-сжатие" вязкоупругого слоя (см. фиг. 5). Изгибноколеблющаяся пластина на более высоких модах возбуждает колебания и соответствующие деформации демпфирующего материала прокладки по структуре которого в направлении его толщины распространяются упругие волны. За счет внутренних (молекулярных) потерь в структуре вязкоупругого демпфирующего материала, после многократных отражений волн от жестких структур пластины и усилителя, происходит необратимое преобразование колебательной (деформационной) энергии элементов механического узла в тепловую энергию, рассеянную в структуре вязкоупругого демпфирующего слоя. Величина таких необратимых потерь зависит от скорости (с_p) распространения поперечной волны в демпфирующем материале, которая определяется по формуле (1).

где E - модуль упругости демпфирующего материала, ρ - плотность материала.

Частотная зависимость коэффициента потерь (η) для конструкции, использующей данный принцип демпфирования колебаний представлена на фигуре 7. Резонансная частота f_r, на которой коэффициент потерь имеет максимальное значение, определяется при условии равенства толщины материала (h) 1/4 длины распространяемой в ней поперечной волны λ:

и, следовательно
f_r = с_p/4h
Для эффективного демпфирования колебаний тонкостенных панелей из полимерных материалов, типа стенок кожуха привода ГРМ ДВС, в частотной области выше 600 Гц в такой конструкции узла предлагается выдерживать соотношение значений модуля упругости, плотности и толщины материла (параметров E, ρ и h) таким образом, чтобы резонансная частота, определяема по формуле (2) находилась в пределах 800 - 1000 Гц. Далее, преобразовывая формулу (2) с учетом заданных f_r = 800...1000 сек^-1 имеем:
с_p/4h 800. . . 1000 sec^-1, с учетом имеем или
В случае выполнения соотношения (3) реальные значения добротностей резонансов такой колебательной системы перекроют требуемый частотный диапазон начиная с 600 Гц и обеспечат, таким образом, наиболее эффективное демпфирование средне- и высокочастотного звукового излучения кожуха привода ГРМ ДВС, решая, таким образом, актуальную проблему улучшения виброакустических качеств энергетических установок автотранспортных средств. С другой стороны, в сравнении с нерезонансным демпфированием, характерным для стенок с вибродемпфирующим покрытием, максимальное рассеивание механической колебательной энергии на частотах, соответствующих максимальным амплитудам деформаций вязкоупругого слоя, обусловлено реализацией большей механической работы, преобразуемой в теплоту. В то же время, демпфирование колебаний конструкции (стенок кожуха привода ГРМ) в высокочастотной области позволяет увеличить потери в системе (по сравнению с низкочастотной областью) также за счет совершения и преобразования большей работы, совершаемой в системе (благодаря большому числу колебаний за единицу времени).

В случае, если для необходимой демпфирующей эффективности достаточно введение вязкоупругой демпфирующей прокладки с ребром жесткости только на части поверхности (наиболее виброактивной), ограниченной ребром и стенками кожуха, то такое введение оправдано и с точки зрения снижения себестоимости устройства.

Для сохранения шумовибродемпфирующей эффективности, из компоновочных соображений, шумовибропоглощающая конструкция может быть выполнена не только в виде единого узла, но и нескольких отдельных узлов, распределенных по поверхности кожуха привода ГРМ, в том числе и "утопленных" вариантов, как это показано на фигуре 8.

Для увеличения ужесточающего эффекта и, соответственно, увеличения эффективности конструкции, в первую очередь в низкочастотной области, конструкция ребра может быть выполнена в виде гофра, причем эффект демпфирования в средне- и высокочастотной области будет достигаться преимущественно за счет максимальной толщины h₂ вязкоупругой демпфирующей прокладки, размещенной в центральной части (полости) ребра, как это показано на фигуре 9.

В зависимости от конкретной конструкции кожуха привода ГРМ (его размеров, толщины и материала стенок, модуля упругости) для ужесточения стенок кожуха, может потребоваться большая площадь контакта между стенками и ребром, и ужесточающее ребро может присоединяться гофрой к стенке кожуха ГРМ, как это показано на фигуре 10. В этом случае центральная часть узла (с тонким слоем h₂ демпфирующего материала), в основном обеспечивая жесткостные характеристики, подавляет низкочастотное излучение, а периферические зоны ребра (с толстым слоем демпфируещего материала h₁) - средне- и высокочастотное подавление излучения звука.

Формула изобретения

1. Привод газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, содержащий зубчатые приводные шкивы, зубчатый приводной ремень, закрытые полимерным кожухом с устройством шумовибродемпфирования, отличающийся тем, что устройство шумовибродемпфирования выполнено в виде ограниченного ужесточающего ребра, адгезионно связанного с поверхностью стенки кожуха через промежуточный слой вязкоупругой демпфирующей прокладки с соответствующим соотношением модуля упругости E, плотности ρ и толщины h материала вязкоупругой демпфирующей прокладки, которое определяется выражением

2. Привод газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что вязкоупругая демпфирующая прокладка размещена на зоне между ужесточающим ребром и поверхностью стенки кожуха в виде нескольких дискретных накладок.

3. Привод газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что устройство шумовибродемпфирования размещено на поверхности кожуха газораспределительного механизма в виде нескольких дискретных элементов.

4. Привод газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что сечение ужесточающего ребра устройства шумовибродемпфирования выполнено в виде гофра.

5. Привод газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания по пп.1 - 4, отличающийся тем, что ужесточающее ребро установлено широкой частью к стенке кожуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10