汽車后消聲器布置優(yōu)化方案設(shè)計

王榮

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

在汽車后端模塊研發(fā)中，消聲器的方案影響后懸、行李箱容積、備胎形式等關(guān)鍵參數(shù)。在給定后端模塊布置及設(shè)計邊界條件下，短后懸如何實現(xiàn)大行李箱容積目標(biāo)，是急需解決的問題。在架構(gòu)開發(fā)階段，針對消聲器的不同方案，對周邊零部件、后懸尺寸、行李箱容積、車身成型等影響分析，并根據(jù)備胎策略、后懸尺寸等特點，確認(rèn)最優(yōu)方案，對開發(fā)同架構(gòu)不同車型的后端模塊將具有參考意義。

1 消聲器的設(shè)計及布置要求

1.1 設(shè)計要求

1）具有良好的消聲性能，即要求消聲器具有較好的消聲頻率特性，在所需要的消聲頻率范圍內(nèi)有足夠大的消聲量；

2）具有良好的空氣動力性能，要求消聲器對氣流損失要小，達(dá)到裝上消聲器后，所增加的阻力損失不影響設(shè)備的工作效率，保證進(jìn)排氣通暢；

3）在結(jié)構(gòu)性能上，要求消聲器體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于加工、經(jīng)濟(jì)實用、無再生噪聲等；

4）消聲器容積與發(fā)動機(jī)排量、發(fā)動機(jī)額定功率下的轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)沖程數(shù)、發(fā)動機(jī)缸數(shù)有關(guān)；

5）由于布置空間和外觀需要等原因，往往將消聲器做成各種形狀，常見的有圓形截面、橢圓形截面等。依據(jù)一維平面波理論，只要擴(kuò)張比相同，不同形狀的消聲器性能是一樣的。但實際上，由于高次諧波的存在，不僅消聲器的形狀，而且進(jìn)出氣管的位置等對消聲器性能都有一定的影響。通過用有限元法對不同形狀的消聲器性能進(jìn)行數(shù)值模擬，在頻率較低的平面波范圍內(nèi)，消聲器的性能僅與擴(kuò)張比有關(guān)，而與截面形狀無關(guān)。而當(dāng)頻率較高時，由高次諧波的影響，在擴(kuò)樁比相同的條件下，不同截面形狀的消聲器的性能是不一樣的。在各種不同的截面形狀中，截面為圓形的消聲器性能最優(yōu)。在截面面積相同的條件下，消聲器越扁平，其性能越差。因此，在不影響消聲器安裝空間尺寸的條件下，截面形狀應(yīng)盡量取圓形，考慮到汽車排氣系統(tǒng)總布置，可以選擇類跑道式。

圖1為典型的消聲器及其周邊零部件示意圖，選擇正確的消聲器方案，可以對后懸、行李箱容積、備胎形式、備胎布置要求等產(chǎn)生最優(yōu)的布置效果。

圖1 消聲器及周邊零部件示意圖

1.2 布置要求

消聲器的布置要求如表1所示。

表1 消聲器的布置要求

2 消聲器布置方案

考慮某車型有2種發(fā)動機(jī)配置，對消聲器容積要求不同，一種要求14 L，另一種要求20 L，并且考慮出口國外大備胎要求，從布置的角度來看，20 L消聲器搭配大備胎組合是對空間要求最苛刻的，因此，僅針對該組合進(jìn)行方案設(shè)計。

2.1 異想天開的創(chuàng)新方法

采用異想天開的創(chuàng)新方法解決消聲器大容積、短后懸、大行李箱容積、大備胎的布置空間困難問題。例如，隨機(jī)選取一個詞，棒球運動，根據(jù)自身特點可以幫助我們找到新的關(guān)聯(lián)素材。通過棒球運動可以聯(lián)想到棒球的形狀、棒球落地時的形變、棒球材料、傳球擊球的動作傳遞等因素。進(jìn)行創(chuàng)新聯(lián)想后，上述棒球的因素可轉(zhuǎn)變?yōu)橄暺鞯男螤睢?yīng)備胎坑的形狀、消聲器材料、前中后消聲器的容積等設(shè)計概念。

2.2 TRIZ矛盾創(chuàng)新方法

利用TRIZ矛盾創(chuàng)新方法分析解決消聲器布置困難、空間不足的問題，如圖2所示。TRIZ是一組獨立于行業(yè)、最有效的解決技術(shù)問題的方法。消聲器布置最困難的問題是需要滿足消聲器熱分析，最直接的方法是降低備胎坑溫度，這一項確認(rèn)為改良參數(shù)，在矛盾表中查出為第17行：溫度?？紤]降低備胎坑溫度的方式有4種，這4種方式實施會產(chǎn)生5項變差的結(jié)果。變差參數(shù)對應(yīng)在矛盾表列項分別是4、8、2、13、8。查矛盾表，在改良參數(shù)和變差參數(shù)相交處找到發(fā)明法則。

圖2 TRIZ矛盾創(chuàng)新方法開發(fā)分析解決消聲器布置困難問題

改善備胎坑溫度滿足熱分析，從而改善備胎坑與消聲器間隙、改良參數(shù)、變差參數(shù)，發(fā)明法則如表2所示，并考慮每條法則應(yīng)用在消聲器方案的新想法。

表2 TRIZ在消聲器方案上的應(yīng)用

采用異想天開法和TRIZ法，剔除不可控因素，創(chuàng)造新想法如表3所示。

表3 消聲器布置創(chuàng)造新想法匯總

2.3 開發(fā)設(shè)計方案及對比

通過異想天開、TRIZ開發(fā)分析等方法，得到各種創(chuàng)新方案，并融合成以下6個20 L消聲器、大備胎開發(fā)設(shè)計方案：

1）消聲器沖壓縱置，并旋轉(zhuǎn)，布置在備胎坑左右側(cè)，消聲器主體材料設(shè)計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

2）消聲器沖壓橫置，并旋轉(zhuǎn)，布置在備胎坑X向前側(cè)，消聲器主體材料設(shè)計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

3）消聲器卷包縱置，并旋轉(zhuǎn)，布置在備胎坑左右側(cè)，消聲器主體材料設(shè)計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

4）消聲器卷包橫置，并旋轉(zhuǎn)，布置在備胎坑X向前側(cè)，消聲器主體材料設(shè)計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

5）消聲器沖壓，備胎外掛；

6）消聲器卷包，備胎外掛。

剔除不滿足項目定義邊界條件的想法，結(jié)合客戶呼聲及成本、時間、質(zhì)量、風(fēng)險等要求對6個開發(fā)概念進(jìn)行普氏分析。其中第1列為基準(zhǔn)方案列，第2～6列均為與第1列相應(yīng)方案的比較，優(yōu)于第1列基準(zhǔn)方案的用“＋”表示，劣于基準(zhǔn)方案的用“－”表示，無變化的用“S”表示。分析結(jié)果見表4。

表4 20 L消聲器，大備胎方案開發(fā)設(shè)計方案及對比

經(jīng)過普氏分析，方案4、5、6均增益優(yōu)于其它方案，但是方案5和方案6備胎外掛，X向?qū)π欣钕淙莘e影響比較大，且該平臺所開發(fā)的車型暫時沒有備胎外掛應(yīng)用，技術(shù)風(fēng)險略高于其他方案，同時考慮備胎坑鈑金與其他方案（比如14 L消聲器和小備胎組合）共用，因此20 L消聲器、大備胎，選擇方案4。

3 設(shè)計方案總結(jié)及影響分析

3.1 消聲器設(shè)計方案總結(jié)

考慮14/20 L、大/小備胎多種組合、后地板鈑金共用策略，最終確認(rèn)的方案為14/20 L、大小備胎均采用卷包消聲器橫置，抬高并旋轉(zhuǎn)消聲器，增加隔熱罩，消聲器材料耐熱、結(jié)實，且備胎坑共用的方案，示意圖如圖3所示。

圖3 消聲器設(shè)計方案示意圖

3.2 消聲器方案對后端模塊影響分析

消聲器布置影響后端模塊最主要因素有工藝和布置方式：1）卷包消聲器，滿足消聲器卷包成型性要求，對布置空間要求高，優(yōu)點是成本低，如果布置空間充裕，從成本角度出發(fā)，一般采用卷包消聲器方案；2）沖壓消聲器，可與周邊零件保證間隙的同時隨形周邊零部件，布置更方便，相對于卷包消聲器,沖壓形式的成本和質(zhì)量都略高，對于緊湊型車型又要求配有大備胎方案，可以在成本、質(zhì)量、技術(shù)風(fēng)險上評估后確認(rèn)是否采用沖壓消聲器；3）橫向消聲器，布置在備胎坑的下方或者X負(fù)向側(cè)方，在保證了離地間隙和路緣區(qū)域要求后，需要上抬消聲器,對行李箱容積影響較大，對后懸尺寸影響較大；4）縱向消聲器，左右受備胎坑和縱梁間隙影響，在滿足離地間隙及容積要求前提下，對后懸尺寸影響比較大，另外有從汽車尾端看到消聲器的風(fēng)險。

文章在方案選擇的時候，考察了沖壓、卷包、橫置、縱置的不同組合策略，并針對布置要求最為苛刻的組合（20 L消聲器、大備胎）進(jìn)行了普氏分析，考慮14/20 L、大/小備胎多種工況下后地板鈑金共用策略。依據(jù)普氏分析結(jié)果，行李廂容積表征看起來是弱項，可以通過消聲器的參數(shù)優(yōu)化平衡各評價指標(biāo)，最終確認(rèn)最優(yōu)參數(shù)消聲器的最佳方案。