乘用車排氣系統(tǒng)消聲器的優(yōu)化設計

劉繼光，石愛娟

(安徽文達信息工程學院 機械與汽車工程學院，合肥 231201)

為滿足人們對低噪聲生活環(huán)境的需求，各國不斷修訂汽車相關的噪聲法規(guī)和標準，要求變得越來越嚴格[1]。有關數(shù)據(jù)資料表明，交通噪聲為整個城市環(huán)境噪聲能量的主要組成，約占75%以上，而交通噪聲主要來源為汽車噪聲，會嚴重污染城市的生活環(huán)境，影響人們的健康、生活及工作。只有控制汽車噪聲，才是緩解城市環(huán)境噪聲、優(yōu)化生存環(huán)境的的重要途徑之一。

1 排氣系統(tǒng)噪聲研究概況

發(fā)動機動力總成系統(tǒng)作為汽車的心臟，在為車輛提供動力的同時，也將振動、噪聲通過懸置系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、車架等路徑傳遞到駕駛室內，嚴重影響了車內噪聲水平，影響著乘員的舒適度。有關數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機排氣噪聲往往比其整機輻射噪聲高10～15 dB(A)。合理匹配排氣系統(tǒng)，將排氣系統(tǒng)連接在發(fā)動機車出口，除了凈化發(fā)動機運轉過程中產(chǎn)生的廢氣外，另一個主要作用是降低發(fā)動機排氣出口的噪聲[2]，因此對排氣系統(tǒng)進行噪聲研究具有重要意義。

2 我國汽車排氣系統(tǒng)噪聲治理概況

關于排氣系統(tǒng)的研究國外發(fā)達國家起步較早，我國關于此方面的研究相對較晚，研究內容也相對較少，這主要由于國內汽車工業(yè)起步較晚，加上各大汽車主機廠在科研、試驗方面投入精力不足所導致[3]。

從排氣系統(tǒng)研究模式來說，國內對于排氣噪聲、振動的研究主要依賴于經(jīng)驗設計和試驗調試，從實踐中積累經(jīng)驗。近年來，隨著有限元技術的廣泛應用，排氣系統(tǒng)整車裝配狀態(tài)研究愈來愈多，國內不少專家做出較大貢獻，取得了豐富的研究成果。

總結國內排氣NVH整改方面的經(jīng)驗可得出，降低排氣系統(tǒng)噪聲、振動可以從以下幾個方面入手[4]：第一，在空間滿足的條件下，盡量增大消聲器容積，不得已情況下再改變消聲器結構。第二，通過改變排氣尾管的形狀、長度，可有效降低排氣管口噪聲。第三，正確合理地設計波紋管長度、各向剛度，有效隔離發(fā)動機振動向排氣系統(tǒng)熱端的傳遞。第四，設計初期，對排氣系統(tǒng)進行自由模態(tài)分析，將懸吊點的位置布置在上模態(tài)振型節(jié)點附近，且整個排氣系統(tǒng)的懸掛點數(shù)量不宜過多。第五，保證排氣系統(tǒng)懸吊安裝后處于自由狀態(tài)，避免排氣系統(tǒng)安裝時出現(xiàn)別死現(xiàn)象，導致吊耳隔振效果無法發(fā)揮。第六，由于懸吊點被動端安裝在車體地板上，要保證車體地板對應部位的動剛度足夠大，才能保證地板連接點衰減振動效果滿足要求。

在排氣系統(tǒng)中，起到關鍵消聲作用的部件為消聲器，它是一種降噪裝置，降噪原理是阻止聲音傳播，但允許氣流通過。消聲器聲學性能的設計好壞直接關系到整個排氣系統(tǒng)降噪水平，進而直接影響排氣尾管噪聲大小，所以也有必要對消聲器進行研究。

對于汽車排氣系統(tǒng)，最簡單、有效的措施是在排氣系統(tǒng)中設計合適的消聲器。對于消聲器聲學性能的研究，目前我國只側重于對標、試驗、整改試制，在設計理論方面建立了一維平面波理論和非聲波法的特性線理輪，同時利用聲學邊界元法建立了二維聲學邊界元消聲器設計模型，雖已取得了一定成果，但還沒有達到國外的研究深度。

對比來看，國外某些發(fā)達國家對排氣消聲器消聲性能的研究已超前許多，他們主要偏向研究消聲器內聲場和流場分布對消聲特性的影響，并建立二維和三維有限元及邊界元設計模型。

計劃采用一維平面波理論，設計階段利用GT-power軟件對某款排氣系統(tǒng)消聲器進行傳遞損失分析，根據(jù)分析結果找出消聲器消聲性能不足頻率段，綜合運用試驗方法進一步確認該排氣系統(tǒng)消聲器需要優(yōu)化，并根據(jù)分析結果提出消聲器傳遞損失優(yōu)化方案。

3 排氣系統(tǒng)設計流程

由于國內汽車發(fā)展起步較晚，開發(fā)模式相對落后，自主品牌汽車排氣系統(tǒng)的設計過程仍是采用對標開發(fā)模式，不具備外資企業(yè)正向開發(fā)設計能力。圖1為現(xiàn)階段國內自主品牌汽車排氣系統(tǒng)常用的設計流程圖。

圖1 國內自主品牌排氣系統(tǒng)設計流程圖Fig.1 Flow chart exhaust system design of China’s self-owned brand

其設計模式為：設計前期，根據(jù)提供的發(fā)動機相關技術參數(shù)、底盤總布置的幾何約束條件、國家對排氣噪聲及污染物排放的要求、公司對發(fā)動機功率損失等要求，進行排氣系統(tǒng)布置及設計，并凍結數(shù)據(jù)，此時方案一般對標標桿或根據(jù)以往車型設計經(jīng)驗來設計，無正向設計能力。后期根據(jù)匹配的發(fā)動機及附件系統(tǒng)進行實車確認噪聲、背壓等性能，由供應商協(xié)同進行不斷修改與試制，直至排氣尾管噪聲、背壓達標，再開發(fā)工裝樣件，至此完成排氣系統(tǒng)開發(fā)。

在數(shù)模設計段進行消聲器內部方案詳細設計，借助CAE工具仔細校核各方案性能達標情況，減少后期試驗驗證周期，縮減開發(fā)成本，從而減少排氣系統(tǒng)設計開發(fā)后期所需時間，所以后續(xù)排氣系統(tǒng)開發(fā)設計有待借鑒該種開發(fā)類型。目前國內排氣系統(tǒng)技術水平仍較落后，無法達到正向設計的高度，值得探索。

4 研究意義

由于排氣系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的原因眾多，與發(fā)動機轉速、扭矩、功率、溫度有關[5]，同樣也與排氣系統(tǒng)自身降噪能力有關，所以研究排氣系統(tǒng)消聲性能特性對后續(xù)消聲器結構的正向設計格外有意義。