Виброзащитные технологии

Демпфер крутильных колебаний – деталь нужная, но требующая тщательного контроля

В момент запуска двигателя и резкого изменения частоты вращения коленчатого вала приводной ремень навесного оборудования и система газораспределения подвергаются сильному импульсному механическому воздействию, возникает риск появления резонансных явлений, мощных вибраций. Буквально несколько лет назад разработчики предложили оснастить шкив коленвала демпфером. Шкив с демпфером стал составным, внутренняя его часть крепится к коленвалу, а внешняя представляет собой, собственно, шкив.

Наружные и внутренние части демпферного шкива изготавливаютcя обычно из стали или алюминия, а между этими деталями устанавливается резиновая вставка. Упругий элемент демпферного шкива подвергается деформации столько раз, сколько происходит воспламенение смеси в цилиндрах двигателя – до 10 000 000 раз за 1 000 км пробега. Безусловно, такой шкив защищает от рывков поликлиновой ремень, в значительной мере снижает динамические нагрузки на вспомогательное оборудование, а также способствует гашению возникающих в коленчатом валу резонансных колебаний.

Схема установки демпфера крутильных колебаний

Более широкое распространение получают автомобили с установленными в них системами «Старт-Стоп». Однако работа двигателя в таком режиме приводит к увеличению вибрации, повышению шумового фона. Поэтому специально для двигателей с этими системами ведущими производителями автокомпонентов, такими как Corteco и SWAG, были разработаны различные конструкции демпферных шкивов, гораздо более сложные, чем описанный выше. Ведь шкив, работающий в режиме «Старт-Стоп», должен выдерживать гораздо большее число пусков двигателя за время эксплуатации, чем автомобиль, не работающий с данной системой.

Еще более сложной конструкцией отличаются демпфирующие шкивы, используемые в высокофорсированных дизельных моторах. На многих дизельных двигателях применяют двойные шкивы-демпферы. Это сложное техническое изделие, состоящее из 7-8 металлических деталей и двух резиновых вставок.

Конструкторы, создавшие шкив коленвала с демпфером, добились снижения резонансных явлений, но возникли новые проблемы. Если раньше шкивы «ходили» десятки лет, то сегодня автовладелец, использующий шкив нового типа, вынужден постоянно следить за состоя­нием демпфера. Эластомер от перепадов температур, от воздействия агрессивных сред и механических нагрузок быстро теряет эксплуатационные качества и разрушается. При появлении дефектов шкив необходимо срочно менять. Нередки случаи, когда своевременно не замененный шкив просто разваливался, полностью обездвиживая автомобиль. Специалисты же советуют менять шкив поликлинового ремня с демпфером через каждые 100-120 тыс. км пробега.

Особенные муфты для карданных валов

Несмотря на то, что переднеприводные автомобили лидируют в массовом сегменте, но и классические заднеприводные автомобили не собираются сдавать свои позиции. Такие бренды, как BMW, Infiniti, Mercedes-Benz, большинство спорткаров многие годы не изменяют однажды выбранному конструктивному подходу.

Заднеприводные и полноприводные автомобили используют в конструкции карданный вал. В зависимости от рельефа местности, либо состояния дорожного покрытия карданный вал может подвергаться чрезмерным изгибам и изломам, если, конечно, фланцы карданного вала не соединены эластичными шарнирами.

Эластичная муфта крепления карданного вала – это эффективный элемент гашения трансмиссионных вибраций. Гибкая конструкция шарнирного соединения также поглощает ударные нагрузки и предотвращает угловое смещение. А кроме того, уменьшаются шумы, сглаживают­ся толчки и исчезает вибрация от трансмиссии.

Однако, как и в случае с демпферными шкивами, выигрыш в устранении вибрации оборачивается для водителя необходимостью производить регулярный осмотр гибкого соединения. Признаком износа эластичной муфты является прежде всего появление трансмиссионных вибраций, которые могут заметно возрастать при наборе скорости или переключении передач.

Качественная муфта для карданного соединения изготавливается из резины, усиленной кордовым каркасом. Для надежного крепления муфты в корпусе муфты установлены металлические втулки, прочно вваренные в резиновый корпус. Основными характеристиками гибкой муфты являются жесткость, позволяющая выдерживать действующие в разных направлениях нагрузки, и устойчивость к ударным нагрузкам, обеспечивающая длительный эксплуатационный ресурс.

Если сравнить конструкции эластичных муфт ведущего немецкого производителя автокомпонентов, компании Febi, являющуюся частью компании Bilstein Group, либо известного производителя автокомплектующих, снижающих вибрацию в автомобиле до минимума, компании Corteco, то муфты известных брендов отличаются большим количеством нитей корда внутри резинового корпуса, причем пучки корда спрессованы, отцентрированны и равномерно уложены в теле муфты, что обеспечивает прочность всему изделию. Также качественные эластичные муфты отличаются множеством силовых элементов, препятствующих разрушению муфты под воздействием торсионных нагрузок.

Предлагаемые рынком многочисленные эластичные муфты, изготовленные неизвестными производителями, характеризуются малым числом кордовых нитей, как правило неравномерно уложенных в резине корпуса муфты.

Комфортная езда – во многом заслуга опор двигателя

Возвратно-поступательное движение поршней в ДВС становится причиной вибрации, передаваемой от двигателя трансмиссии. С неприятными последствиями вибрации инженеры сегодня справляются с помощью установки двигателя на опоры, которые, с одной стороны, выполняют задачу надежного крепления двигателя, а с другой, осуществляют поглощение вибраций двигателя, предотвращая их передачу на шасси до минимального уровня.

Для удерживания двигателя в максимально статичном положении его обычно устанавливают на три опоры, но иногда используется и большее число опор. В классическом варианте двигатель крепится в трех местах снизу и двух сверху. Опоры, выполняющие функции своеобразных подушек для двигателя, соединяют двигатель и кузов машины, и принимают на себя статическую нагрузку двигателя, гасят вибрацию, передаваемую от двигателя к шасси.

Наибольшее распространение получили резинометаллические опоры. Это две пластины из стали или из иного металла, между которыми вставлена упругая прокладка. Как правило, вставка изготавливается из износостойкой резины, но в новых автомобилях все чаще используется полиуретан, поскольку этот эластомер имеет большую износостойкость. Опоры с полиуретановыми вставками используют в спортивных машинах, требующих повышенной жесткости опор. Надо отметить, что коробка передач крепится в автомобиле также, как и двигатель, на резинометаллических опорах.

Несмотря на то, что сегодня появилось довольно много конструкций опор, альтернативных резинометаллическим, тем не менее крупные производители запчастей, например, концерн ZF, успешно реализует по всему миру классические резинометаллические опоры под ТМ LEMFÖRDER. Соединенные путем вулканизации металл и резина в опорах LEMFÖRDER способны многократно передавать нажимные и толкательные усилия, обеспечивая механическую амортизацию и гася колебания и вибрации двигателя.

Однако на смену резинометаллическим и резинопластиковым опорам сегодня приходят гидравлические опоры. Производителей, предлагающих качественные гидроопоры, немало, один из них – все тот же концерн ZF. Если говорить о преимуществах продукции под ТМ LEMFÖRDER, то гидроопоры немецкого бренда настраиваются на определенные обороты двигателя и способны гасить вибрации как на малых, так и больших скоростях максимально эффективно.

Гидроопора состоит из трех элементов, а именно из двух камер, между которыми устанавливается мембрана. Работа гидроопоры представ­ляет собой компромисс между демпфированием или гашением колебаний и виброизоляцией. Камеры опоры заполняются гидрожидкостью или антифризом. Подвижная мембрана гасит вибрацию холостого хода двигателя, если же вибрации возникают на высокой скорости, или автомобиль выезжает на неровную поверхность, то гидрожидкость по специальным каналам перетекает из одной камеры в другую, придавая тем самым опоре жесткость, позволяющую гасит даже очень сильные вибрации.

Одни из наиболее распространенных – гидравлические опоры с механическим управле­нием. Такие опоры разрабатываются для каждой модели двигателя индивидуально, и уже на стадии проектирования решается, будет ли данная опора эффективно обеспечивать вибро- и шумоизоляцию на холостом ходу, или же опоры будут качественно смягчать вибрацию на скорости.

Недостатком механически управляемых гидроопор является то, что при определенных режимах работы двигателя опоры не выполняют функции демпфирования, и вибрации передаются на кузов автомобиля. Для расширения диапазона гашения вибраций с помощью опор в конструкциях дорогих автомобилей используются активные гидроопоры, которые способны менять характеристики жесткости в широких пределах с помощью электроники. Сегодня активные опоры используются в автомобилях таких брендов, как Toyota, Nissan, Honda, Hyundai, Audi, Porsche, Jaguar. Этот вид опор стал особенно востребован с появлением систем отключения цилиндров в ДВС.

Сегодня используется несколько конструкций активных гидроопор. В активных магнитореологических, конструкторами Porsche называемые динамическими, опорах используется магнитная металлизированная жидкость, а автомобильная электроника, создавая магнитное поле, регулирует вязкость этой рабочей жидкости. Электронные датчики следят за поворотами рулевого колеса и ускорениями, корректируя жесткость опор с учетом стиля вождения и качества дорожного полотна.

Схема работы гидроопоры с механическим регулированием

Схема работы гидроопопры с электронным управлением

В автомобилях Lexus используются так называе­мые электровакуумные активные опоры. Они представляют собой две камеры, разделенные диафрагмой. Одна камера заполнена гидрожидкостью, а ко второй с помощью электромагнитного клапана подводится вакуум из выпускного коллектора, либо просто воздух из атмосферы. За счет искусственно создаваемой перемены давления в воздушной камере опора начинает сама вибрировать. Электронный блок управления автомобилем, получив сигнал датчика частоты вращения коленчатого вала, за­дает вибрацию опор, которая, действуя в противофазе, гасит вибрации двигателя на холостом ходу. С началом движения электромагнитный клапан закрывает вакуумный канал, и электровакуумная опора начинает работать уже как обычная гидравлическая.

Электромагнитные опоры, поддерживающие двигатели автомобилей Audi, Honda и др., незаменимы в автомобилях, оснащенных системой отключения цилиндров. Устройство такой опоры состоит из гидравлической камеры и подвижной диафрагмы. На диафрагме надежно закреплена электромагнитная катушка, края которой входят в постоянный магнит. Катушка при подаче на нее напряжения устремляется вверх, а при отключении тока опускается вниз. Перемещаемая вместе с катушкой вверх-вниз диафрагма вызывает вибрацию опоры.

Надо отметить, что рассчитать срок эксплуатации современных опор-подушек двигателя весьма затруднительно. Однако автопроизводители ставят перед изготовителями опор требование: данный узел должен сохранять свои рабочие характеристики на протяжении не менее, чем 160 тыс. км пробега.

Наибольшие нагрузки действуют на опоры при запуске мотора, трогании с места и остановке машины. Вибрации, возникающие при движении автомобиля, не только отрицательно воздействуют на здоровье водителя и пассажиров, но и передаются через дорожное покрытие в окружающее пространство. Исследования показывают, что они могут превышать допустимый для человека уровень на удалении от проезжей части до 10 м. В соответствии с мировой тенденцией в автомобилестроении важность проблем снижения вибрации и шума с течением времени будет только возрастать.