基于絕對坐標(biāo)的商用車排氣管設(shè)計(jì)

李小潤，田大慶，李光耀，偶建磊，陳青松

基于絕對坐標(biāo)的商用車排氣管設(shè)計(jì)

李小潤1，田大慶1，李光耀1，偶建磊1，陳青松2

（1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065；2.一汽解放柳州特種汽車有限公司，廣西 柳州545006）

針對常規(guī)設(shè)計(jì)方法容易引起的排氣管漏氣、排氣管難以加工及整車排氣系振動(dòng)較大的問題，文章使用CAD、CATIA和EXCEL工具，提出利用絕對坐標(biāo)對商用車排氣管進(jìn)行精確化設(shè)計(jì)的方法，使設(shè)計(jì)、計(jì)算和檢驗(yàn)一體化，大大縮短設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)周期，已在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用。

排氣系統(tǒng)；精確化設(shè)計(jì)；絕對坐標(biāo)；一體化設(shè)計(jì)

商用車排氣系統(tǒng)承接發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的噪聲及振動(dòng)動(dòng)力，又傳遞尾氣的處理，對整車動(dòng)力性、環(huán)保性和舒適性起到重要的影響。我國已在2013年7月正式實(shí)施國四排放，國五排放實(shí)施正緊張跟進(jìn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)雖有油耗低、動(dòng)力強(qiáng)、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，然而工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)冒黑煙和振動(dòng)的問題，產(chǎn)生較大的機(jī)械噪聲、氣體動(dòng)力噪聲和燃燒噪聲［1］。在提倡清潔無污染、無噪聲的當(dāng)今社會(huì)，排氣系統(tǒng)的精密化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。目前常用的商用車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法難以解決由上述難題引起的漏氣、振動(dòng)和排氣管難以加工的問題，對整車性能影響較大［2］。文章提出一種新思路，利用CAD、CATIA和EXCLE，建立絕對坐標(biāo)貫穿整個(gè)排氣管設(shè)計(jì)、計(jì)算和檢驗(yàn)，將三個(gè)必要步驟集于一體化，提供一種簡易可行并高效的設(shè)計(jì)方法。

1　商用車排氣管設(shè)計(jì)難題及準(zhǔn)則

1.1排氣管的設(shè)計(jì)難題

商用車排氣管因整車配置變化而彎曲跨度很大，設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)遇到如下難題：

1）排氣外形的設(shè)計(jì)誤差較大，會(huì)增加排氣內(nèi)應(yīng)力和背壓值。

2）復(fù)雜配置的車型，排氣的走向往往特別崎嶇，需避開各類細(xì)微的干涉。

3）市面上大量使用的彎管機(jī)加工的排氣管，由于模具的限制而不能確定何種彎曲程度能順利將排氣管精確加工出來。

4）排氣管連接的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響排氣系整體密封性，出現(xiàn)漏氣情況，造成整車的動(dòng)力性不足和對環(huán)境的污染。

1.2排氣管的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

排氣管的設(shè)計(jì)除了滿足必須的國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)之外，還應(yīng)注意潛在的設(shè)計(jì)隱患。筆者通過對前人設(shè)計(jì)的總結(jié)和市面上商用車排氣管出現(xiàn)的問題，提出以下應(yīng)注意的主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1）在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，應(yīng)盡量減少彎曲的數(shù)量，避免引起排氣背壓的增大和增加工藝成本，一定程度上也會(huì)影響排氣管的安裝和維修。

2）為了保證排氣管中氣體流動(dòng)順暢、減小背壓，排氣管的彎曲幅度不宜太大，一般彎曲角度必須大于90°，控制在135°～180°左右為宜［3］。角度彎曲偏差過大對排氣管本身的強(qiáng)度也有很大影響。

3）若安裝國四排放標(biāo)準(zhǔn)的排氣系，尿素噴嘴應(yīng)置于直段較長的排氣段，并要靠近尿素箱位置，以節(jié)省尿素管較長帶來的成本壓力，且噴嘴方向應(yīng)與排氣直段相差3°～5°以保證與氣體充分混合［4］。

4）排氣管本身工藝，外表需噴涂耐高溫油漆，內(nèi)部管壁也需要光滑，以免尿素或者水分堆積結(jié)晶，影響排氣性能。

5）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意排氣制動(dòng)閥應(yīng)置于波紋管的前方以防振動(dòng)，而波紋管置于尿素噴嘴的前方以防腐蝕；排氣管管身和消聲器由于溫度過高必須離油箱至少50 mm的距離防止意外事故的發(fā)生。排氣出口方向應(yīng)避開燃油箱、散熱器、中冷器、空濾器進(jìn)氣口及駕駛室艙等。

2　排氣管設(shè)計(jì)

2.1排氣管徑的計(jì)算

排氣管的設(shè)計(jì)必須考慮管徑的大小，排氣管管徑不僅對排氣背壓有著重要的影響，而且影響排氣的流量、溫度和油耗。一般而言，總管直徑和外形對總體性能影響較大，喉口收縮率次之，排氣入流角的影響甚微［2］。若排氣管徑越小，則排氣噪聲越小，然而整車的經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力性能會(huì)降低；若增大排氣管徑，則排氣性能增加，而噪聲變得更大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)兼顧排氣系整體性，在排氣管、波紋管和消聲器之間找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn)［5-6］。

1）排氣流量的計(jì)算。Q=（Tb+273）ψQi/（Ts+273）。其中：Tb為排氣溫度，℃；Ts為進(jìn)氣溫度，℃；ψ取0.98；Qi為進(jìn)氣流量。

2）排氣管徑的計(jì)算。排氣氣流的速度為V，則V=Q/A。設(shè)排氣管的直徑為d，則排氣管的截面積為A=πd2/4，從而求得排氣管直徑，進(jìn)而選擇接漏合適的消聲器。

2.2排氣走向的設(shè)計(jì)

確定排氣管的管徑后，可設(shè)計(jì)排氣管管路走向。商用車排氣管走向主要與車輛的驅(qū)動(dòng)型式和發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)決定排氣出口點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)型式則對后處理器或消聲器以及其他部件的位置有重要影響，隨之決定排氣管走向。以6×4的車型、一汽錫柴發(fā)動(dòng)機(jī)為例，使用絕對坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要步驟包括取點(diǎn)、建模和計(jì)算與檢驗(yàn)。

2.2.1取點(diǎn)

首先，確定坐標(biāo)零點(diǎn)：商用車布置設(shè)計(jì)以前軸的中心點(diǎn)為坐標(biāo)x、y零點(diǎn)，以車架下翼面為z零點(diǎn)，如圖1所示，建立三維絕對坐標(biāo)，0點(diǎn)位于CAD二維平面圖x=0，y=0處（即坐標(biāo)原點(diǎn)，相應(yīng)的CATIA也是坐標(biāo)原點(diǎn)處）。布置發(fā)動(dòng)機(jī)后，則可確定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口的絕對坐標(biāo)A，設(shè)A的三個(gè)坐標(biāo)值分別為Ax、Ay、Az，如圖2所示。

打開排氣出口點(diǎn)的屬性對話框就可以知道Ax= 176.22，Az=620.92（此處取z=y，取點(diǎn)值的單位均為mm）。由發(fā)動(dòng)機(jī)外形參數(shù)得Ay=573.85。故所得A點(diǎn)的排氣出口點(diǎn)為A（176.22，573.85，620.92）。此處為排氣出口點(diǎn)，將波紋管和排氣制動(dòng)閥按要求布置上之后，可得排氣管設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)B（240.39，573.85，343.24）。這樣，根據(jù)設(shè)計(jì)需要和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，利用上述獲取點(diǎn)的方法，依次得點(diǎn)為C（324.34，573.85，-20.00），D（740.00，573.85，-250.00），E（1050.00，365.00，-180.00），F(xiàn)（1535.00，365.00，-180.00）（點(diǎn)B、C、D、E、F的具體設(shè)計(jì)位置見圖3）。如此取點(diǎn)過程全部完成，即排氣管在這些點(diǎn)進(jìn)行彎曲。

2.2.2CATIA建模

取點(diǎn)過程完成后，同樣，利用所獲取點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，一一對應(yīng)地可將排氣管在CATIA中建模，如圖3所示。

如此可得到利用CAD及CATIA基于絕對坐標(biāo)建立的排氣管模型。排氣管相對于原點(diǎn)的位置，對應(yīng)于整車中排氣管相對于整車零點(diǎn)的位置，這也便于對整車的建模和空間干涉驗(yàn)證。

2.2.3計(jì)算與驗(yàn)證

基于已獲取的各點(diǎn)三維坐標(biāo)，在EXCEL上編輯函數(shù)計(jì)算排氣管段，求取排氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過使用函數(shù)和公式將各段的直段長度和彎轉(zhuǎn)角算出，這樣可檢驗(yàn)是否容易引起排氣背壓過大，或者由于剩余直段不足導(dǎo)致排氣管不能加工。例如，取一彎曲處進(jìn)行分析：在EXCEL表格中，分別將BC、CD舉例算出記為L1、L2，并編輯函數(shù)隨之算出∠BCD，記為∠α1，得出相應(yīng)彎轉(zhuǎn)角；將因倒角占去的直段得出為S1、S2；用H表示剩余直段，所以得H1=L1-S1。以此類推，可得H2=L2-S1-S2；H3=L3-S2-S3；H4=L4-S3……

據(jù)之前已獲得排氣管段的5點(diǎn)即B、C、D、E、F，將坐標(biāo)輸入表1左側(cè)的深色填充欄，相應(yīng)的參數(shù)通過EXCEL自身函數(shù)計(jì)算得右方區(qū)域的值。可以看到，中間和右端深色區(qū)域兩直段之間的角度也在合理的范圍之內(nèi)，且所有直段都大于模具允許的設(shè)計(jì)直段長度，則設(shè)計(jì)時(shí)是可行的。

表1　排氣管參數(shù)計(jì)算與驗(yàn)證表格

這樣，對任意確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，都能立即直觀判斷出設(shè)計(jì)的合理性，更能精確和快速地將產(chǎn)品進(jìn)行建模，減少許多不必要的步驟。

2.3排氣系的裝配

排氣管的設(shè)計(jì)和裝配都對整個(gè)排氣系統(tǒng)有重要影響。排氣系從前到后主要包括排氣制動(dòng)閥、波紋管，此處的安裝必須增加密封墊片，并使用螺栓緊固；之后通過與法蘭焊接的排氣管連接。在排氣管與消聲器連接處，要避免使用法蘭等固聯(lián)結(jié)構(gòu)，應(yīng)使用夾箍等活動(dòng)元件，以便調(diào)整裝配過程中出現(xiàn)的偏差［7］。螺栓擰緊順序應(yīng)從前往后，避免應(yīng)力集中在前段，對排氣制動(dòng)閥或發(fā)動(dòng)機(jī)造成內(nèi)應(yīng)力沖擊［8］。若裝配國四、國五排放標(biāo)準(zhǔn)的排氣系，應(yīng)注意保護(hù)尿素噴嘴、氧傳感器、氮氧化物傳感器等重要功能部件。

3　結(jié)束語

通過對現(xiàn)階段排氣管設(shè)計(jì)方法的研究以及對排氣管設(shè)計(jì)常見問題的分析，提出了基于絕對坐標(biāo)綜合應(yīng)用CAD、CATIA和EXCEL對排氣管一體化設(shè)計(jì)的方法。從排氣系的取點(diǎn)、建模到驗(yàn)證，均利用絕對坐標(biāo)，不需要進(jìn)行任何復(fù)雜的數(shù)值轉(zhuǎn)化。取點(diǎn)精確度高，能減小配合誤差防止排氣漏氣的產(chǎn)生，保證了設(shè)計(jì)的精度。編輯的函數(shù)表達(dá)式也能直觀得出各彎曲角度和排氣剩余直段的值，解決了排氣廠家難以加工或加工不合格的難題。提高了設(shè)計(jì)效率，而且大大縮短設(shè)計(jì)周期。事實(shí)上，本方法能對任意復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的排氣管設(shè)計(jì)均能有效地計(jì)算，并能直觀地判斷設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性，一定程度上也節(jié)省了成本。而且該方法設(shè)計(jì)的排氣管返修率低、可裝配性好，在生產(chǎn)實(shí)踐中已得到應(yīng)用，具有良好的推廣性［9-10］。

［1］祝龍林.重卡用國V發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2012，（7）：17-22.

［2］邢素芳，王現(xiàn)榮，王超，等.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)振動(dòng)分析［J］河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34（5）：109-111.

［3］強(qiáng)永平，鄭昊，徐春龍，等.排氣管特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.柴油機(jī)，2011，33（1）：11-19.

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［8］楊勝.客車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.客車技術(shù)與研究，2009，31（2）：26-28.

［9］胡效東.關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管消聲器的研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，（1）：64-66.

［10］邢素芳.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)振動(dòng)分析［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34（5）:109-101.

修改稿日期：2014-08-15

Design on Commercial Vehicle Exhaust Pipe Based on Absolute Coordinates

Li Xiaorun1，Tian Daqing1，Li Guangyao1，Ou Jianlei1，Chen Qingsong2
（1.School ofManufacturingScience and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.FAWLiuzhou special automobile Limited company，Liuzhou 545006，China）

Aiming at some problems causing from conventional forms of design methods such as air leakage，processing difficulty of the exhaust pipe and bigger vibration of the vehicle，the authors provide a special design means usingabsolute coordinates，combiningCAD，CATIA and EXCEL to design the exhaust pipe.This method makes the integration ofdesign，calculation and check，savingdesign and check time greatlyand is used in practice.

exhaust system；precision design；absolute coordinate；integrated design

U464.134+.4

B

1006-3331（2015）01-0032-03

李小潤（1990-），男，在讀碩士研究生；主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制和智能控制系統(tǒng)。