汽車二級(jí)消音器整體設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用

陳雪琴（合肥匯凌汽車零部件有限公司，安徽 合肥 230601）

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汽車二級(jí)消音器整體設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用

陳雪琴
（合肥匯凌汽車零部件有限公司，安徽 合肥 230601）

通過(guò)對(duì)二級(jí)消音器建模，并對(duì)照設(shè)計(jì)目標(biāo)，將具體要求依次分解到各階段的設(shè)計(jì)過(guò)程中。對(duì)不同布置結(jié)構(gòu)的消音器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和分析，研究結(jié)果表明：由二級(jí)消音單元組成的排氣消音系統(tǒng)，消音單元的排列位置不同，獲得的系統(tǒng)整體消音效果也不同；合理布置消音單元可以獲得較大的插入損失和較小的排氣壓力，使消音器整體設(shè)計(jì)更為合理。

汽車NVH；二級(jí)消音器；消音單元；插入損失；排氣壓力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.014

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-42-03

引言

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，需要及時(shí)將廢氣排出，此時(shí)的廢氣處于高溫高壓狀態(tài)，直接排放會(huì)帶來(lái)噪音污染和廢氣污染，通常采用排氣消音系統(tǒng)來(lái)降低排氣噪音。排氣消音系統(tǒng)在降低排氣噪音的同時(shí)，由于排氣通道阻力的增加，還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率出現(xiàn)不同程度的降低。因此，排氣消音系統(tǒng)的整體性能對(duì)汽車整車NVH性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的效率起著重要的作用。

對(duì)乘座舒適性有較高要求的當(dāng)今，汽車排氣消音系統(tǒng)一般由二級(jí)消音器單元甚至多級(jí)消音器單元串聯(lián)組成，每級(jí)消音器單元又是由若干個(gè)消音元件組成。當(dāng)前，在對(duì)車輛排氣消音系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中存在著兩類問(wèn)題：一是偏重于對(duì)每個(gè)單元消音器的性能設(shè)計(jì)，忽視對(duì)消音系統(tǒng)整體的性能的設(shè)計(jì)；二是偏重于對(duì)消音器的消音量的設(shè)計(jì)，輕視對(duì)排氣消音系統(tǒng)排氣壓力的設(shè)計(jì)。

事實(shí)上，在對(duì)每個(gè)消音器單元進(jìn)行設(shè)計(jì)后，還需要對(duì)不同的消音器單元布置進(jìn)行綜合分析，以確定系統(tǒng)的整體性能。但在已有的資料中，對(duì)這方面的研究頗少。為解決排氣消音系統(tǒng)中各單體消音器在不同組合情況下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)消音量和排氣壓力的影響效果，本文針對(duì)某輕型客車排氣消音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，總結(jié)出一套有效設(shè)計(jì)方法，便于同行借鑒；同時(shí)對(duì)整車排放噪音及其排氣壓力等性能指標(biāo)的測(cè)試分析，得出消音單元的排列位置對(duì)消音效果的影響。

1、數(shù)學(xué)模型和原理分析

對(duì)于由n個(gè)單元消聲器組成的消聲系統(tǒng)，其聲學(xué)模型可以用圖2所示的四端網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示[2]。在圖2中，p0、u0分別是系統(tǒng)輸入端的聲壓和輸入端質(zhì)點(diǎn)速度，pn、un分別是系統(tǒng)輸出端的聲壓和輸出端質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)n=2時(shí)，輸入端參數(shù)p0、u0與輸出端參數(shù)p2、u2之間存在如下關(guān)系：

式(1)是單元1作為第一級(jí)消聲器和單元2作為第二級(jí)消聲器時(shí)的表達(dá)式。

如果把單元1作為汽車消聲器系統(tǒng)第二級(jí)消聲器，而把單元2作為第一級(jí)消聲器，即把2個(gè)消聲器單元在消聲器系統(tǒng)中的位置對(duì)調(diào)時(shí)，其表達(dá)式應(yīng)如式(2)所示：

一般來(lái)說(shuō)，由于2個(gè)消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不一樣，即每個(gè)消聲器的消聲作用不一樣，一級(jí)消聲器一般是抗性消聲器，主要是消除對(duì)一些特定的噪音頻率；二級(jí)消聲器可以是的抗性消聲器，也可以是阻抗復(fù)合性消聲器。它們各自的傳遞矩陣也不一樣，因此：

由式(3)可看出，當(dāng)把兩級(jí)消聲器組成的消聲系統(tǒng)中2個(gè)消聲單元對(duì)調(diào)時(shí)，其消聲效果是不一樣的。對(duì)于消聲系統(tǒng)的排氣壓力也有同樣的分析結(jié)果。

2、排氣系統(tǒng)的性能要求及其設(shè)計(jì)

在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，作為設(shè)計(jì)師在關(guān)注消音器布置設(shè)計(jì)的同時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注汽車消聲器的性能要求，根據(jù)性能的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)：

2.1消聲量（插入損失）

消聲量的大小是以消聲器的插入損失來(lái)評(píng)價(jià)的，以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試為主要手段，通過(guò)分別測(cè)試空管及消聲器的噪音值，求出其差值，即得到插入損失，抗性消聲器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3所示。

2.1.1抗性消聲器

通過(guò)管道形狀、尺寸的變化，使聲波在管道和共振腔內(nèi)發(fā)生反射從而抑制聲音，對(duì)中低頻噪音有很好的消聲效果。

2.1.2阻性消聲器

在消聲器內(nèi)放置吸聲材料，聲能被吸聲材料吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到消聲目的，主要用于消除高頻噪音，吸聲材料安裝在消聲器的內(nèi)表面，且在吸聲材料內(nèi)部聲能轉(zhuǎn)換為熱能，見(jiàn)圖4。

2.2消聲器功率損失（背壓）

消聲器功率一般用發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失比評(píng)價(jià)，定義為在額定功率點(diǎn)的r等于不裝消聲器時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率p1與裝消聲器時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率p2的差值，除以不裝消聲器時(shí)功率p1。

由于消聲器消耗率較小，發(fā)動(dòng)機(jī)工況不穩(wěn)定等因素影響，功率損失比不易準(zhǔn)確測(cè)量獲得，一般直接用消聲器的排氣背壓來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表1。

表1　標(biāo)準(zhǔn)［3］對(duì)不同車型的功率損失比的規(guī)定

2.3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

消聲器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有以下四個(gè)方面組成。

2.3.1振動(dòng)耐久性

用來(lái)評(píng)價(jià)消聲器排氣管抗拒振動(dòng)的能力。汽車排氣系統(tǒng)在使用中，要經(jīng)受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、車體、高溫氣流帶來(lái)的振動(dòng)[1]。汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是模擬裝車狀態(tài)，在給定振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度的情況下，檢測(cè)耐振動(dòng)的時(shí)間，具體見(jiàn)表2。

表2　檢測(cè)消音器耐振動(dòng)條件

耐振性設(shè)計(jì)主要是加強(qiáng)筋、折邊、凸臺(tái)、翻邊、縫焊等等，增加消音器整體剛度，改變消音器整體自共振頻率，以達(dá)到耐振動(dòng)要求，見(jiàn)圖4。

2.3.2密封性

將消聲器安裝在密封性試驗(yàn)臺(tái)上，消聲器內(nèi)相對(duì)壓力保持在30kp時(shí)，漏氣量不大于100l/min。[5]

2.3.3防火性能

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的高溫氣體通過(guò)排氣系統(tǒng)排出，整個(gè)排氣系統(tǒng)的外表面溫度很高，其中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管溫度高達(dá) 700℃以上，在尾管處溫度 在300℃左右。因此，消除排氣系統(tǒng)對(duì)周圍零件的熱影響成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。一般在排氣系統(tǒng)的前部及車體部位加裝隔熱罩。

2.3.4耐腐蝕性能

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的高溫氣體經(jīng)過(guò)催化器化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生高溫水汽通過(guò)排氣系統(tǒng)排出，整個(gè)排氣系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高溫潮濕的環(huán)境，尤其是處于尾端的消聲器，水汽凝結(jié)于此，對(duì)消聲器的防腐蝕性能提出很高的要求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，多選用耐腐蝕性能高的材料，以及排水結(jié)構(gòu)使凝結(jié)的水盡快排出減少銹蝕。

3、試驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)試方法

試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架室和半消聲室內(nèi)進(jìn)行。

見(jiàn)圖5、圖6，二級(jí)消聲器安裝在位于臺(tái)架室相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載由測(cè)功機(jī)提供。消聲器位于半消聲室內(nèi)，傳聲器位于同消聲器尾管軸線成45°的夾角處，距尾管500mm，測(cè)點(diǎn)距地s面高度大于1.2m。

試驗(yàn)依照標(biāo)準(zhǔn)[5]、[6]要求，對(duì)排氣系統(tǒng)的插入損失、功率損失比和排氣背壓等性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)對(duì)象分別為空管、原狀態(tài)排氣系統(tǒng)、互換消聲單元的排氣系統(tǒng)。

測(cè)試系統(tǒng)由聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)功機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其中聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)由1型傳聲器與前置放大器、動(dòng)態(tài)分析儀等組成[3]。除傳聲器和前置放大器位于半消聲室內(nèi)以外，其余都位于測(cè)試控制室內(nèi)。測(cè)試時(shí)利用動(dòng)態(tài)分析儀的1/3倍頻程功能和聲級(jí)計(jì)功能分別測(cè)量各試驗(yàn)對(duì)象的排氣噪音聲壓級(jí)。

對(duì)三種試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)按 GB/T18297中的規(guī)定標(biāo)定工況，即在額定功率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。待轉(zhuǎn)速、功率及排氣溫度穩(wěn)定1min后進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　消聲單元不同排列狀況下的性能

4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從表3可以看出，按圖1所示的原來(lái)排列方式，消聲單元1位于第一級(jí)，消聲單元2位于第二級(jí)，排氣消聲系統(tǒng)的平均插入損失為 18.76dB(A)，排氣壓力隨著轉(zhuǎn)速的提高由10.7kPa增加到37.1kPa。

當(dāng)把原來(lái)排列方式的兩個(gè)消聲單元進(jìn)行對(duì)調(diào)后(即消聲單元2位于第一級(jí)，消聲單元1位于第二級(jí))，此狀況下排氣消聲系統(tǒng)的平均插入損失增加為 21.73dB(A)，并且在2000r/min以上的高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排氣壓力也有所變小。

5、結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)分析得出以下結(jié)論：同體積的消聲器僅通過(guò)合理布置消聲元件，就可以獲得更大的插入損失，并可以獲得較小的排氣壓力。在二級(jí)消音單元組成的排氣消音系統(tǒng)中，消音單元的排列位置不同，獲得的系統(tǒng)整體消音效果也不同。

[1]劉晨，季振林，郭小林，等.汽車排氣消聲器結(jié)構(gòu)形式對(duì)壓力損失的影響［J］.汽車工程，2008(12).

[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)［M］北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]黃長(zhǎng)藝，嚴(yán)普強(qiáng).機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]M.L.Munjal.Acoustica of Ducts and Mufflers with Application to Exhaust System and Ventilation System Design M］.John wiley& Sons Inc.1978.

[5]QC/T631汽車排氣消聲器總成技術(shù)條件和試驗(yàn)方法 [S].

[6]GB/T18297汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法[S].

Research and application of the overall design on car secondary muffler

Chen Xueqin
(Hefei hui ling auto parts co.,LTD,Anhui Hefei 230601)

Based on the secondary muffler model,and reference to the design goal,we put the specific requirements to each phase of the design process.By comparing the different arrangement of the structure of the silencer,the results show that: the system of deadened the noise of exhaust by the secondary units muffler,in different arrangement position of the mute unit,the sound effects of the overall system are also different; reasonable arrangement can obtain larger insertion loss and low exhaust pressure,this overall design is more reasonable.

Automobile NVH; Secondary muffler; Mute unit; Insertion loss; Exhaust pressure

U463

A

1671-7988（2016）08-42-03

陳雪琴（1969-），女，就職于江淮汽車集團(tuán)，設(shè)計(jì)主師，一直從事汽車消音系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。