В 1990 году Toyota запустила бренд Lexus с трюком, который до сих пор воспринимается как демонстрация превосходства. Автомобиль LS 400 находился на беговой дорожке, развивая скорость более 140 миль в час. На его капоте стояла пирамида из 15 бокалов для шампанского. Двигатель набирал обороты. Бокалы не шатались. Это было доказательством точности. Это также было доказательством того, что роскошь означает тишину.
Эта рекламная кампания сработала. Покупатели, которые раньше мечтали о BMW или Mercedes, увидели японский автомобиль, который не стучал зубами. Но действительно ли этот трюк доказал инженерное превосходство? Или он просто показал, что люди глубоко ценят то, как ощущается автомобиль?
Он показал, что покупатели премиум-сегмента измеряют качество по вибрации. А именно: чем меньше вибрация двигателя проникает в салон, тем лучше. Любой водитель, сидевший в дешевом экономичном автомобиле, знает разницу. Трясущиеся руки. Усталость. Дискомфорт.
Это относится к NVH — шуму, вибрации и жесткости (Noise, Vibration, and Harshness). Это показатель, который решает, покупаете ли вы автомобиль или просто уходите. И вибрация двигателя заслуживает особого внимания. Она влияет на комфорт. Она истощает выносливость. Она снижает долговечность, вызывая преждевременный износ.
Давайте посмотрим, как инженеры борются с ней. Начнем с пяти инноваций.
Гибкие элементы двигателя
Двигательные опоры — это первая линия обороны. Они предотвращают распространение тряски по всему автомобилю.
Но сначала, почему двигатели вообще вибрируют? Внутреннее сгорание — это серия контролируемых взрывов. Они мощные. Внутри блока насосные и вращающиеся детали имеют массу. Когда они движутся, они реагируют на блок двигателя с равной и противоположной силой. Умножьте эти реакции на тысячи в минуту, и вы получите вибрацию.
Это естественно. Мы просто не хотим этого чувствовать.
Опоры представляют собой металлические фланцы, прикрепленные к двигателю и стенкам моторного отсека. Они содержат толстые втулки или блоки из полиуретана или резины. Они поглощают энергию вибрации. Если вы чувствуете новую тряску в салоне, проверьте опоры. Изношенные опоры очевидны — треснувшая резина. Порванный материал. Иногда резина разрушается изнутри без визуальных признаков. Квалифицированный техник может это заметить.
Также проверьте опоры трансмиссии. Они выполняют ту же работу для коробки передач. Сильная тряска от трансмиссии также требует изоляции.
Методы усиления кузова
Поддержание вибрации под контролем начинается с прочного фундамента. Рама. Скелет.
Жесткая рама сопротивляется изгибам. Она сопротивляется деформации. Она предотвращает распространение раздражающих вибраций. Добавление поперечных балок — также называемых стабилизаторами — помогает уменьшить изгиб кузова. Это делает автомобиль более жестким.
Скрипы и дребезжание часто возникают из-за слабо собранных рам. Широкие допуски в конструкции усугубляют ситуацию. В автомобильной промышленности это называется «качеством сборки и отделки» (fit and finish). Это вопрос: сколько внимания к качеству и точности уделили строители?
Плохая сборка и отделка в сочетании с изгибающейся рамой усиливают вибрацию двигателя. Шум кажется хуже. Ощущения — резкими.
Чтобы найти источник вибрации, иногда приходится обращаться к самому источнику. Наш следующий «боец» может вызвать узнавание у опытных автомехаников.
Анатомия вибрации двигателя
NVH делится на два вида. Воздушные и структурные. Вы слышите воздушные возмущения. Вы чувствуете структурные.
Воздушные возмущения — это звуки высокой частоты. Они находятся в диапазоне 300 Гц и выше. Инженеры противодействуют им, устраняя их в источнике или глуша с помощью звукопоглощающих материалов в дверных и кузовных полостях.
Структурные возмущения происходят на низких частотах. Вы чувствуете их больше, чем слышите. Они передаются через сиденье, рулевое колесо и пол. Инженеры должны измерять и смягчать эти неприятные ощущения. Энергия вибрации передается вашим рукам, ногам и даже в сиденье ваших штанов.
Жесткость обычно является оскорблением для людей. Для автомобилей это комплимент.
Пропуски воспламенения остаются главной причиной дрожания двигателя. Современные системы зажигания и впрыска топлива, оснащённые улучшенными свечами зажигания и интеллектуальными компьютерами управления двигателем, значительно надёжнее устаревших систем с распределителем.
Тем не менее, пропуски воспламенения случаются. Во время пропуска одна или несколько свечей зажигания не воспламеняют топливную смесь в запрограммированный момент. Этот сбой в одной или нескольких камерах сгорания нарушает ритм работы поршней. Коленчатый вал ощущает этот «кашель». За ним следует вибрация. Характерны рывки. Возможна остановка двигателя.
Если вы не можете отличить спазматические вибрации неисправного двигателя от просто старой и вялой работы, технологии придут на помощь. Неисправный цилиндр или faulty свеча зажигания почти наверняка активируют контрольную лампу проверки двигателя на любом современном автомобиле. Далее вы можете использовать недорогой диагностический сканер для выявления проблемы. Либо обратитесь в местный автосервис. Специалист точно определит причину неисправности.
Нежелательная вибрация двигателя — это, по сути, отсутствие гармонии. Внутреннее сгорание — это бурный процесс. Наше следующее нововведение пытается навести порядок в этом хаосе.
Роль демпфера коленчатого вала
Внимательно рассмотрите автомобильный коленчатый вал. Он тяжёлый. Он прочный. Он должен быть таким. Он выдерживает тысячи взрывных ходов поршней в минуту.
Несмотря на свою долговечность, коленчатый вал скручивается и изгибается под ударами поршней и шатунов. Он передаёт нежелательную вибрацию по всему двигателю и остальной части автомобиля. При определённых оборотах коленчатый вал может войти в резонанс. Это состояние, при котором он вибрирует с частотой, способной вызвать катастрофическую поломку. Вспомните рекламные ролики, где певец разбивает бокал для вина высоким звуком. Это и есть резонанс.
В 1911 году Фредерик Ланчестер изобрёл решение. Он разработал устройство, которое крепится к вращающемуся коленчатому валу. Цель заключалась в устранении или снижении этих проблем. Так родился демпфер коленчатого вала. Его также называют вибрационным демпфером или шкивом коленчатого вала.
Демпфер гасит сдвигающие и крутящие силы, передаваемые поршнями. Чтобы поглотить колоссальную энергию коленчатого вала, демпфер включает в себя секцию из резины или заполненную жидкостью, рассеивающей энергию.
Мы рассмотрели пассивные методы предотвращения или глушения вибраций двигателя. Следующее нововведение использует другой подход. Оно переходит в наступление, чтобы не допустить плохих вибраций.
Уменьшение веса и риск тряски
Демпферы коленчатого вала по необходимости тяжёлые. Они должны противодействовать значительной вращающейся массе коленчатого вала. Однако в кастомизации высокопроизводительных автомобилей вес убивает мощность.
Многие любители скорости заменяют заводские демпферы более лёгкими аналогами от сторонних производителей. Некоторые полностью демонтируют эти устройства. Цель — ехать быстрее.
Цена этого компромисса высока. Вы получаете более тряскую езду. Вы потенциально сокращаете срок службы двигателя.
Активный контроль вибраций
Вспомните те дорогие наушники с функцией шумоподавления, которые можно встретить в каждом каталоге электроники. Они не просто блокируют звук; они активно ему противостоят. Крошечный микрофон улавливает фоновый гул, создает идентичную звуковую волну, но сдвигает ее на 180 градусов по фазе. Когда эта инвертированная волна попадает в ваш ушной канал, она гасит исходный шум. Результатом становится либо кристально чистое аудио, либо просто абсолютная тишина.
Автомобили используют этот же принцип для активного управления вибрацией.
Это не магия. Это физика, примененная к шасси. Компания Trelleborg Automotive разработала систему, в которой микрофон отслеживает определенные частоты вибраций внутри салона. Обнаружив гул, бортовой компьютер генерирует равную, но противоположную контрвибрацию. Электромагнитный актуатор, технически называемый «вибратором» (shaker), излучает эти контрволны в стратегически важных точках крепления. Обычно это рулевое колесо или пространство для ног.
«Электромагнитный актуатор, называемый „вибратором“, передает контрвибрации в выбранные точки крепления, например, в рулевое колесо или в область для ног на полу кузова».
Цель проста: уменьшить стук, дребезжание и гул, проникающие в салон от двигателя.
Безопасно ли активное управление вибрацией?
Есть один недостаток, который стоит учитывать. Если система работает слишком эффективно, она может маскировать симптомы реальной механической неисправности. Вы не будете чувствовать легкую дрожь, которая обычно предупреждает о неисправной опоре или пропуске зажигания в цилиндре.
Но вот в чем дело: автомобиль не слеп. Если что-то пойдет не так, вы все равно получите сигнал «Check Engine» или другое предупреждение на приборной панели. Управление вибрацией не скрывает внутренние проблемы двигателя; оно просто делает езду более плавной для вас.
Вибрации двигателя возникают по многим причинам. К счастью, эти инновации дают нам эффективные способы борьбы с нежелательным шумом и тряской.
Часто задаваемые вопросы о вибрации двигателя
Как остановить вибрацию двигателя?
Один из методов — активное управление вибрацией. Система реагирует равной, но противоположной контрвибрацией. Электромагнитный актуатор, называемый «вибратором», передает контрвибрации в выбранные точки крепления, например, в рулевое колесо или в область для ног на полу кузова.
Нормально ли, когда двигатель вибрирует?
Да, нормально, когда двигатель вибрирует во время работы. Но если вибрация превышает нормальные уровни или сопровождается дребезжащим шумом, это может быть признаком неисправности двигателя.
Что вызывает вибрацию в двигателе?
Пять причин, по которым ваш двигатель может вибрировать, включают изношенные свечи зажигания, ослабленные или отсоединенные шланги, сломанные опоры двигателя, неисправную систему регулировки подачи топлива или неисправный ремень ГРМ.
Может ли низкий уровень масла в двигателе вызывать вибрацию?
Да. Низкий уровень масла в двигателе может вызывать вибрацию, так же как и масло низкого качества.
Как вибрация двигателя влияет на водителей?
Из всех причин, по которым автомобиль может трястись и дребезжать во время движения, вибрация двигателя заслуживает особого внимания, поскольку она может влиять на комфорт водителя и пассажиров, выносливость водителя и долговечность автомобиля — поскольку вибрация вызывает преждевременный износ.
