Hałas, wibracje i szorstkość (Focus 1)

Wstęp

W tym rozdziale przedstawiono krótki przegląd tego, jak parametry hałasu, wibracji i szorstkości (NVH) manifestują się w pojeździe oraz jakie są możliwe środki zaradcze.

Co oznacza termin NVH w przemyśle motoryzacyjnym?

• N = Hałas – dźwięk, który można usłyszeć
• V = Wibracja - Wibracje, można wyczuć
• H = Twardość, jej działanie można usłyszeć i poczuć

Rodzaje hałasu w technologii NVH

• Hałasy w samochodach klasyfikuje się według ich tonu:
  • Niski ton – ryk, szum
  • Ton średni - brzęczy, trzeszczy
  • Wysoki ton – wycie, gwizd, pisk
• Głośne wycie i gwizdanie powodują ból w uszach.

Jak inny hałas dostaje się do samochodu:

• Niski dźwięk jest wytwarzany głównie przez silnik.
• Hałas o niskim tonie jest również powodowany przez nawierzchnię drogi, szczególnie jeśli jest ona nierówna. Jest to rodzaj buczenia, który pasażerowie pojazdu mogą odczuwać jako wibracje.
• Jednakże wysokie dźwięki odbierane jako wycie lub gwizd są często szumem przepływu powietrza (szumem wiatru) lub pochodzą z takich elementów, jak alternator, pompa wspomagania układu kierowniczego lub pasek napędowy.
• Podczas jazdy po nierównych drogach może również wystąpić odgłos grzechotania. Odgłosy szarpnięcia powstają na przykład w amortyzatorach, elementach podwozia lub luźnych częściach wewnątrz pojazdu.

Rozchodzenie się fal dźwiękowych w powietrzu

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Źródło dźwięku, takie jak silnik
2	-	Fala dźwiękowa
3	-	Amplituda

Dźwięk to rozchodzenie się fal podłużnych w postaci zmian ciśnienia powietrza.

Transmisja dźwięku przez ciało

Dźwięk przenoszony jest przez ciecze lub ciała stałe, takie jak nadwozie samochodu.

Prędkość transmisji (prędkość dźwięku) w cieczach lub ciałach stałych zależy od materiału, ale generalnie jest większa niż prędkość w powietrzu (około 5 razy większa).

Połączenie transmisji powietrznej i stałej

UWAGA: Przenoszenie dźwięku przez powietrze i ciała stałe ma pierwszorzędne znaczenie w zastosowaniach motoryzacyjnych.

Transmisja hałasu w samochodzie

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Przechodzenie dźwięku przez powietrze
2	-	Wibracje dźwiękowe

Przykład:

• Źródłem hałasu jest silnik. Odgłosy silnika:
• przejść prosto w powietrzu
• przenoszone w postaci drgań z silnika na nadwozie i "wypromieniowywane" do wnętrza samochodu poprzez powietrze, na przykład przez przegrodę.

Wibracje

• Częstotliwości poniżej 20 Hz (niskie częstotliwości) i powyżej 20 kHz (wysokie częstotliwości) nie są słyszalne dla ludzkiego ucha.
• Silnik jest zamontowany w taki sposób, że na skutek nierówności nawierzchni oscyluje pionowo na elastycznych wspornikach.
• Niedostrojone mocowania silnika będą przenosić wibracje na nadwozie, a tym samym na pasażerów pojazdu.
• Obowiązują następujące podstawowe zasady:
  • W zastosowaniach motoryzacyjnych należy brać pod uwagę nie tylko częstotliwości audio, ale także częstotliwości niesłyszalne (niskie).
  • Zwykle można zaobserwować wibracje o niskiej częstotliwości (duże amplitudy).
  • Wibracje o wysokiej częstotliwości będą słyszalne, ale będą również odbierane jako wibracje podłogi, kierownicy lub siedzenia.

Rezonans

• Każde ciało ma swoją własną częstotliwość wibracji.
• Jeśli układ zdolny do wibracji zostanie wzbudzony z własną częstotliwością wibracyjną, zacznie rezonować.
• Nierówna praca silnika ma miejsce na przykład po osiągnięciu częstotliwości rezonansowej (krytycznej prędkości obrotowej silnika).
• Po zwiększeniu obrotów silnika powyżej tej wartości, silnik bardzo szybko zaczyna znowu pracować równo.

Tłumienie

• Jeżeli amortyzator jest zamontowany równolegle do sprężyny, charakterystyka tłumienia ma na celu ograniczenie ruchów nadwozia.
• Amortyzator w samochodzie również działa.
• Tłumienie wpływa na rezonans obiektu lub systemu.
• Ruchoma masa jest tłumiona przez prawidłowo działający amortyzator, co natychmiast zapobiega kołysaniu się nadwozia.
• Amortyzator w samochodzie to amortyzator (tłumik drgań), który umożliwia drgania nadwozia ze stopniowym tłumieniem drgań.

Wahanie

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Nietłumione oscylacje (nietłumione)
2	-	Tłumione drgania

Izolacja

W technologii wibracyjnej termin "izolacja" odnosi się do separacji elementów i układów. Przykład:

• Silnik osadzony jest na elementach sprężystych tak, aby jak najmniej drgań było przenoszonych na samochód.
• W przemyśle motoryzacyjnym jako izolację prawie zawsze stosuje się gumową poduszkę (podporę). Elastyczność gumy działa jak sprężyna.
• Skuteczność tego typu separacji zależy od konstrukcji elementu.

Kierunkowe obciążenie gumowej poduszki w celu zapewnienia optymalnej izolacji

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Silnik
2	-	Mocowanie silnika

Wchłanianie

• Fale dźwiękowe odbijają się od twardych powierzchni
• Jeśli napotkają miękkie powierzchnie, zostają wchłonięte. Tutaj ważną rolę odgrywa zarówno materiał, jak i grubość materiału.

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Odbicie fal dźwiękowych
2	-	Absorpcja fal dźwiękowych

Przykład:

• Wszystkie elementy wygłuszające, takie jak tapicerka drzwi, dywaniki, podsufitki, schowki i siedzenia są zdemontowane z pojazdu.
• W rezultacie dźwięk jest bezpośrednio odbijany (wzrasta poziom dźwięku) i powstaje efekt sali koncertowej.

Charakter hałasu i wibracji w samochodzie

Pasażerowie pojazdu odbierają dźwięki lub hałasy na różnym poziomie, w zależności od tego, gdzie się znajdują.

Fala dźwiękowa/hałasowa (fala stojąca) w samochodzie

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Kierowca znajduje się w martwym punkcie
2	-	Pasażer z tyłu znajduje się w strefie "szybu fali"

Charakter hałasu i drgań w układach dolotowym i wydechowym

Układ dolotowy pojazdów jako źródło dźwięku powietrznego i stałego



Układ wydechowy pojazdu jako źródło dźwięku powietrznego i stałego





Drogi, którymi przenoszony jest dźwięk

• Górna ilustracja przedstawia drogi, którymi może być przenoszony dźwięk z układu dolotowego i wydechowego.
• Oprócz dźwięku przenoszonego przez powietrze, w obu systemach dominuje dźwięk przenoszony przez ciała stałe. Aby ten stosunek był jak najmniejszy, tego typu elementy oscylacyjne wymagają połączenia ich z korpusem za pomocą sztywnych połączeń.
• Układ wydechowy jest elementem szczególnie wibrującym i wymaga optymalnej izolacji poprzez połączenie go z podłogą, a także dobrych miejsc prowadzenia i montażu, aby ograniczyć przenoszenie dźwięku z nadwozia stałego.

Układ dolotowy

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Kolektor dolotowy
2	-	Wąż łączący
3	-	Element mocujący (mocowanie za pomocą gumy)
4	-	Filtr powietrza
5	-	Rezonator

• Objętość i długość układów dolotowych są dokładnie dopasowane. Podczas konserwacji lub naprawy nie można wprowadzać żadnych zmian. Łącząc elementy (węże i rurociągi) należy zwrócić uwagę na szczelność wszystkich połączeń.
• Powierzchnie wszystkich elementów układu dolotowego narażone na duże zmiany ciśnienia są szczególnie narażone na silne drgania.
• Wpływy temperatury, takie jak nagrzewanie się obudowy filtra powietrza, mogą powodować zmiany twardości powierzchni.
• Aby zapobiec przenoszeniu dźwięku spowodowanego drganiami powierzchni układu dolotowego na nadwozie pojazdu, podczas konserwacji należy zwrócić uwagę na następujące punkty:
  • Cały układ dolotowy musi być odizolowany od nadwozia i zabezpieczony gumowymi tulejami tak, aby nie powodowały naprężeń.
  • Kanały powietrzne układu dolotowego nie mogą stykać się z elementami nadwozia.
  • Wstawiona izolacja piankowa w miejscu styku z ciałem lub innymi elementami.

Projekt układu wydechowego

Poz.	Nr części zamiennej	Nazwa
1	-	Katalizator
2	-	Element dzielący
3	-	Tłumik przedni
4	-	Tłumik tylny

• Układy wydechowe należy montować bez żadnych deformacji.

UWAGA: Gumowe mocowania układu wydechowego również przenoszą wibracje i w pewnych warunkach mogą powodować problemy z hałasem. Z tego powodu ważne jest, aby układ wydechowy został zamontowany bez deformacji.

• Poduszek gumowych nie należy "rozciągać".
• Kolektor wydechowy i katalizator (jeśli są montowane bezpośrednio do silnika) muszą być połączone na sztywno z silnikiem (bez złączy we wspornikach).
• Prosta kontrola problemu:
  • Usuń wszystkie podpory, na których zawieszony jest układ wydechowy.
  • Zawiesić układ wydechowy na linkach maksymalnie w dwóch miejscach.
  • Sprawdź poziom hałasu wewnątrz pojazdu podczas testu drogowego.
  • Jeśli to rozwiąże problem, przyczyną hałasu są mocowania układu wydechowego.
  • Zamontuj mocowania układu wydechowego na swoim miejscu, pojedynczo i po zamontowaniu każdego z nich wykonaj jazdę próbną pojazdu.
  • Kontynuując krok po kroku w ten sposób, możesz znaleźć wsparcie, które jest przyczyną hałasu w samochodzie.

Montaż korpusu

Zamiar

• Karoserii samochodu stawiane są różne wymagania, zwłaszcza gdy samochód jest w ruchu. Dominujące drgania powodowane są głównie przez inne elementy samochodu, takie jak silnik i zawieszenia. Dlatego nadwozie jest jednym z najważniejszych elementów samochodu pod względem parametrów NVH.
• Opisane elementy samochodu, zgodnie z pełnioną funkcją, były indywidualnymi, niezależnymi źródłami hałasu. Ale nadwozie łączy i mieści wszystkie elementy samochodu.
• Ciało podlega drganiom powodowanym przez dźwięk przenoszony przez powietrze i ciała stałe.
• Zmontowane nadwozie musi pochłaniać wszelkie drgania i impulsy pochodzące od wszystkich elementów i w miarę możliwości nie przenosić ich do wnętrza pojazdu.
• Najwyższymi parametrami NVH nadwozia charakteryzują się stalowe panele dachowe, boczne i podłogowe. Są ściśle stymulowane przez budowę ciała i działają jak głośnik przenoszący hałas.

Dodatkowe wymagania ciała

• Dobre zachowanie podczas kolizji
• Duża przestrzeń wewnętrzna
• Odporność na korozję
• Lekka
• Dobry aerodynamiczny kształt

Należy osiągnąć kompromis pomiędzy tymi punktami. Jednym z przykładów jest wysoka sztywność nadwozia zapewniająca dobre parametry NVH i dobre pochłanianie energii zderzenia dzięki zastosowaniu stref odkształcalnych.

Przykład:

• Wodoodporność nie oznacza dźwiękoszczelności, dlatego należy wziąć pod uwagę następujące punkty:
  • Prawidłowy montaż okien.
  • Prawidłowy montaż uszczelek.

• Dodatkowe punkty
  • Dziury w komorze silnika
  • Uszczelki drzwi i okien
  • Otwory grzewcze i wentylacyjne
  • Węże spustowe szyberdachu

• Dźwigary nadwozia i poprzeczki są często kanałami transmisji dźwięku. Możliwe środki naprawcze:
  • Montaż przegród w krytycznych miejscach, takich jak połączenia między podłużnicą ramy a słupkiem A, w celu zapewnienia dobrej izolacji akustycznej przed dźwiękami przenoszonymi przez powietrze.
  • Instalowanie zatyczek piankowych w obszarach problematycznych.
  • Wypełnienie pustych profili pianką.

UWAGA: Elementy piankowe i wyściółki piankowe stosowane są w samochodach do uszczelniania punktów przenoszenia dźwięków powietrznych. Jeśli problemem jest wiatr, opony, hałas silnika lub nawierzchni, należy sprawdzić położenie elementów piankowych.