基于虛擬計算的汽車排氣系統(tǒng)聲學性能研究

董禾卿　李桂琴

【摘 要】針對某車型排氣系統(tǒng)消聲器的開發(fā)設計受到發(fā)動機及整車資源的限制，難以在規(guī)定時限內達到噪聲目標要求的問題，文章采用數(shù)值仿真方法進行先期方案評估，利用邊界條件建立系統(tǒng)聲學仿真模型，使用一維計算流體力學的有限體積法進行模擬分析，并通過試驗驗證方法的有效性和實用性。此方法能夠實現(xiàn)排氣系統(tǒng)消聲器的提前開發(fā)，減少項目后期試驗頻次，并為開發(fā)排氣系統(tǒng)消聲器提供一種新的方法。

【關鍵詞】排氣系統(tǒng)；消聲器；設計；仿真

【中圖分類號】U467.493 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0066-03

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車數(shù)量日益增多造成的噪聲污染，已經(jīng)嚴重影響人們的日常生活。如何降低汽車噪聲逐漸引起人們的重視。國外學者Dmitry M.Stadnik[1]使用邊界元法研究三通穿孔管，國內學者張揚[2]等使用有限元法研究排氣系統(tǒng)聲學性能快速預測方法。為了搶占市場，如今新車型開發(fā)時間越來越短，僅憑經(jīng)驗及簡單的計算公式來計算消聲器性能的辦法已經(jīng)跟不上現(xiàn)代項目開發(fā)節(jié)奏，為此各種聲學仿真軟件應運而生。本文使用基于計算流體力學的有限體積法軟件GT-power，對排氣系統(tǒng)的聲學性能進行仿真計算，以期達到排氣系統(tǒng)消聲器預開發(fā)的目的，從而提供一條產(chǎn)品開發(fā)的新途徑。

1 排氣系統(tǒng)的模型建立

本文采用3D軟件進行建模，基于汽車企業(yè)提供的底盤邊界數(shù)據(jù)及動靜態(tài)包絡條件。

排氣系統(tǒng)傳統(tǒng)設計方法是對一款新車進行排氣系統(tǒng)開發(fā)，往往要經(jīng)過設計、試制、試驗、改進設計、試制、試驗等二次或多次循環(huán)的過程，反復修改、完善設計后才能定型投產(chǎn)，設計周期長，消耗大。

1.1 聲學仿真模型

由于本車型只有排氣冷端為全新開發(fā)項目，發(fā)動機仿真模型、排氣熱端仿真模型、進氣系統(tǒng)仿真模型均由汽車企業(yè)提供。使用仿真軟件GT-power建模，整個聲學仿真模型如圖1所示。

1.2 排氣系統(tǒng)仿真模型

排氣系統(tǒng)仿真模型主要由管路和消聲器組成。管路的參數(shù)設置比較簡單，主要有以下4個參數(shù)。

（1）管徑（內壁）：影響背壓[3]，管徑越大，背壓越低。增加管徑可以降低氣流流速，從而降低高頻噪聲。

（2）管子直線段長度。

（3）彎管的折彎半徑及中心線長度。

（4）彎管的折彎角度：折彎角度越大，甚至大于90°時，一方面氣流通過不順暢，排氣系統(tǒng)背壓增高；另一方面氣流會沖擊管壁，甚至影響氣流流動均勻性的湍流，影響發(fā)動機性能并增加高頻噪聲。

1.3 消聲器仿真模型

設計開發(fā)初始，由汽車底盤邊界極限得出消聲器的最大輪廓，消音容積決定了尾管噪聲的整體水平，體積越大，效果越好。所以，一般情況下使用經(jīng)驗公式：消聲器體積/發(fā)動機功率>0.25。

某車型消聲器聲學模型建模方案如圖2所示。

2 計算結果及分析

主要考量指標為階次噪聲[4]和尾管噪聲[5]。

2.1 階次噪聲

發(fā)動機的聲音是由一系列階次聲音組成。1個四缸發(fā)動機的發(fā)火階次是第二階，諧頻階次為四階、六階等。1個六缸發(fā)動機的發(fā)火階次是第三階，諧頻階次為六階、九階等。聲音階次的調節(jié)主要靠進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的設計。

2.2 尾管噪聲

尾管噪聲一般用聲壓級來評判。尾管口的噪聲與發(fā)動機轉速有關。一般來說，轉速在3 500 r/min以下，發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的階次噪聲占主要成分；在3 500 r/min以上，氣流高頻噪聲占主要成分；中心頻率一般在500 Hz以上。低轉速下的噪聲頻率比較低，而摩擦噪聲的頻率較高，頻帶也比較寬。

一般汽車企業(yè)在項目開發(fā)初期就給定一個聲學目標值，如圖3的虛線所示。初始方案在鎖定消聲器輪廓后，2～3種方案并行，先找到消音結構較優(yōu)的方案，通過仿真結果，觀察階次噪聲及尾管噪聲曲線與預設目標的差距。

由圖3可知，所有的仿真方案均未能完全滿足客戶的條件，包括在非常高的背壓下，整體沒有太大變化。其中，中消聲器A+后消聲器1方案綜合最佳。以最佳的第1組方案為藍本，繪制相關零件圖紙，并進行加工制造，準備試驗測試驗證。

3 試驗及結果驗證

3.1 試驗設備及參數(shù)設置

試驗及設備采用轉轂實驗室與麥克風。試驗在配備整車的情況下，評判更為直觀有效的尾管噪聲。

在整車轉轂實驗室，某車型為前驅2.0排量車型。前輪放置在轉轂上，后輪位置鎖定，麥克風放置在距尾管45°的500 mm處。參考標準為GB 1495—2002《汽車加速行使車外噪聲限值及測量方法》。

測試過程：①室溫，Order bandwidth=0.5，frequency resolution=1 Hz；②預熱車5 min，轉速為4 000 r/min；③三檔全油門（1 300～6 000 r/min）。

3.2 試驗結果分析

由圖4可知，仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合度較好。在最關注的低轉速下，仿真數(shù)據(jù)的趨勢與實測基本一致。

4 結語

本文通過GT-power軟件進行虛擬仿真計算，得出尾管噪聲較好的消聲器方案；經(jīng)過試驗驗證，仿真結果與試驗結果吻合度較好，為企業(yè)開拓了新的項目開發(fā)手段。

通過仿真得出，排氣系統(tǒng)背壓大小和尾管噪聲整體效果無明顯關聯(lián)；通過試驗得出，虛擬計算方法得出的結果與試驗結果相比誤差較小，此方法適用于消聲器無發(fā)動機及整車情況下的前期方案開發(fā)。

參 考 文 獻

[1]Dmitry M.Stadnik，Alexander A.Igolkin，Victor Y.Sv-

erbilov，Kirill M.Afanasev.The Muffler Performance Effect on Pressure Reducing Valve Dynamics[J].Procedia Engineering，2017，176.

[2]張楊，鄧兆祥，溫逸云.汽車排氣系統(tǒng)聲學性能快速預測方法的研究[J].汽車工程，2018，40（2）：170-173，

191.

[3]陳琪，蘭鳳崇，陳吉清，等.汽車排氣消聲器聲學性能改進研究[J].機械設計與制造，2018（4）：172-175.

[4]吳杰，王明亮，羅玉濤.采用橫流穿孔管消聲器的車輛尾管怠速噪聲優(yōu)化[J].汽車技術，2017（5）：24-29.

[5]肖生浩，劉志恩，顏伏伍，等.基于階次設計的汽車排氣噪聲品質運動感調校[J].華中科技大學學報（自然科學版），2016，44（10）：53-58.

[責任編輯：鐘聲賢]