汽车排气消声器设计分析.docx
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汽车排气消声器设计分析
摘要
最近几年来,随着中国噪声法规的日趋严格,对于整车排气噪言控制的要求也愈来愈高了,可是传统的消肖器设计方式主如果基于设计经验,这必然会加大设计的工作量,增加研发本钱、延长了开发周期。
控制排气噪言最有效的途径就是设计高消肖性能、低阻力损失的排气消声器。
它已成为目前排气噪声控制的重要研究课题。
本文第一通过利用GT-POWER软件中的muffler模块成立排气消肖器的三维仿真模型从而取得它的传递损失,再通过GT-POWER软件成立某发动机工作进程与消青器的耦合仿真模型取得消言器的插入损失,并通过对消声器结构&消冑性能的分析,对消声器的设计进行改良,使其较好的知足该消声器的性能要求。
在对消肓器消肓性能设计时,应该尽可能避免消肖器的某些通过频率和消肖器振型比较猛烈的模态频率发生共振,如此既有利于提高催化剂和消吉器的靠得住性和耐久性,也能够指导消声器的设计、分析。
总之,本文通过对消声器大体的设计思路和方式的探索,为加倍合理、有效地设计和研发排气消声器提供了参
关键词:
消声器模拟仿真传递损失插入损失结构优化
Abstract
ThemosteffectivemeasuretocontrolexhaustnoiseisusingmufflerisexhaustamufflerwithhighanechoicperformanceandlowresistancelosshasbecomeanimportantsubjectonexhaustarticletakesadvantageofthemufflermodelthatestablishedbvGT-P()WERsoftware:
toworkoutthetransmissionlossandtakes
J
advantageofthecouplingsimulationmodelofanengine?
sworkingprocessandmufflertoworkouttheInsertionlossBasedontheanalysisofthestructureandperformanceofthemufflerthedcsigiicisimproveddesignpreferablymeetstheexhaustperformancerequirement.
Whenwedesignthewhichhassomerangesoffrequencythatcangothroughthemuffler,wcshouldavoidthepenetratedfrequencyinresponsetothemodelfrequency,Sothisresultcallgivemoreadvicetothemufflerthewhole,thisarticledocssomeresearchaboutthedesignoftheexhaustmuffler,whichgivessomeideasofthedesign.
引言
随着科学技术的进展和人们生活水品的提髙,汽车的产量和保有量也在突飞猛进的增加,由此带来的环境污染也已成为影响人们生活的一大公害,尤其是人口密集型城市,汽车的噪声污染会弥漫于城市的每一个角落,打破了城市的安宁与祥和,也影响到居民的身心健康。
噪青的髙低也成为衡量汽车性能与质量的重要标准,直接影响到汽车在国内外市场的竞争力。
针对这些问题,国家也制定和出台了更为严格的控制汽车噪言的法规和条例,而且逐年提高整车噪肖的限值。
按照《汽车加速行驶车外噪肖限值及测量方式》第二阶段(即2005年1月1日以后)生产的汽车噪言的限值为74dE,而若是由汽车引发的噪声不加以控制,其噪声值往往会高于8()dB叭另外,随着汽车行业日趋激烈的竞争,低噪声已成为汽车乘坐舒适性的重要性能指标,愈来愈受到消费者的重视。
汽车的主要噪肓源就是来自汽车的排气噪肓而降低汽车排气噪声最简单、有效的方式就是设计高消肓性能、低阻力损失的消吉器。
目前,国外发达国家开发和研究消吉器的方式是:
在发动机实际工作情形下,成立排气系统的流动和声学数学模型,通过数值模拟仿真计算技术和台架实验相结合的验证方式来设计的。
而国内消声器设计起步相对较晩,设计方式较为掉队主如果基于设计经验,没有完整的设计理论,设计周期长,无法知足快速进展的汽车行业。
现在GT-powcr软件应运而生,由于采用GT-p()wcr软件仿真模拟与台架实验相结合的方式能够减轻工作者的设计工作量,缩短设计周期、节约了研发本钱,因此在消肖器的设计和研发进程中取得了普遍的应用121o
第一章:
绪论
1.1汽车噪声的危害和控制
噪声的种类
汽车噪声产生的主要因素是由空气动力、机械传动、电磁三部份引发的。
从结构上可分为发动机噪声(即燃烧噪声),底盘噪声(即传动系噪声、各部件的连接配合引发的噪声),电器设备噪声(冷却风扇噪声、汽车发电机噪声),车身噪声(如车身结构、造型及附件的安装不合理引发的噪声)。
其中发动机噪声占汽车噪声的二分之一以上,包括进、排气噪声和发动机本身的噪声(如发动机的振动,配气轴的转动,进、排气门的开启和关闭等引发的噪声)。
因此汽车发动机噪声控制的关键是减振和降噪。
另外,汽车轮胎在高速行驶时,也会引发较大的噪声。
这是山于轮胎在地面转动时,位于花纹槽中的空气被地面挤出与从头吸入进程所引发的泵气声,和轮胎花纹与路面的撞击声。
噪声要求
汽车噪声若是得不到专门好的控制,往往会高于80dB囚,降低汽车本身的噪声,不仅能够减少环境污染,还能够降低噪声对人体的伤害。
另外,随着汽车行业竞争的日趋激烈,低噪声已经成为乘坐舒适性中的重要性能指标,因此在汽车性能的评价中,除动力性,燃油经济性和排放之外,噪声也已成为另一个重要的性能指标。
汽车的排气噪声及其控制已引发人们的普遍关注〃国外丄业发达国家自60年代起就对机动车辆噪声给予足够的重视,制定了许多控制的法规和标准,如联合国欧洲经济委员会(ECE),欧盟(EU)、日本、美国等主要国家和地域自70年代起每3-5年就修订一次相关的法规或标准,各类车辆噪声的限值有了大幅度的降低,英国早在1960年就制订了避免噪声法,而美国的纽约,芝加哥、洛杉矶等城市也接踵制订出台了噪声防治条例,欧盟从1970年起对噪声限值山原来82dB降到1995年的74dB,噪声降低了8dBo我国的汽车行业起步较晚,因此我国直到1979年才公布了机动车辆噪声限值和实验方式的国家标准GB1495一79和GB1496一79,随着时刻的推移,标准中的噪声限值愈来愈严格。
在我国加入WTO以后,为了适应国内外激烈的市场竞争环境,增强我国汽车行业的市场竞争力,我国于2002年10月1日提出了更严格的汽车加速行驶车外噪声限值GB1495-
2002叫如表所示
表1・1加速行驶噪声限值GB1495-2002
Table1.1RestrictedvalueofspeeduptravelnoiseGB1495-2002
汽车分类
噪声限值
第一阶段
第二阶段
2002.10.1-2004.12.30
2005.1.1以后
Ml
77
74
M2(GVMW3.5》或
N1(GVMW3・5t)•
GVMW2t
2t 78 76 79 77 M2(3.5t M3(GVM>3.5t) P^ISOkW PM150kW ■ 82 80 85 83 N2(3・5tVGVMW12t).或 N3(CVM>12t) P<75kW 75kW^P<150kW P>150kW 83 81 86 83 88 84 噪声的评价指标 车内、外的噪声值和振动适应性是评价汽车噪声的主要指标。 评价方式分为主观和客观评价。 汽车的舒适性、响度和肯定性是影响汽车噪声主观评价的主要因素。 在客观评价时,能够采用PCNM噪声测量装置测量实验进行分析;另外模拟技术中的有限元法和边界元法也被普遍应用。 噪声的危害 噪声对人体健康的影响主要体此刻听觉、生理健康和心理健康三个方面笫 一,对听觉系统的伤害第一是容易引发听觉疲劳,人们在较强的噪声环境中工作 或停留,听力会有明显的下降,若是长时刻在强噪声环境中工作而乂不采取保护 办法,久而久之就会发生听觉迟缓,乃至致使噪声性耳聋。 若是突然暴露在高达 140dB以上的噪声环境中,人的听觉系统可能发生急性外伤,引发耳鼓膜破裂出血而使双耳完全失听。 笫二,噪声对生理健康的危害包括对神经系统的危害因为噪声会引发神经虚弱综合症,对心血管系统的影响因为噪声可引发心跳加速、心律不齐、心电图T波升高、血压转变等症状。 对消化系统的影响因为噪声也会引发胃功能紊乱、食欲不振、消瘦等病症。 第三,噪声对人的心理健康也会产生影响令人烦躁不安、产生疲劳感,影响精力集中和工作效率⑷。 噪声的控制 按照噪声产生和传播的机理,能够把控制噪声的方式分为以下三类: 一是对噪声源的控制,二是对噪声传播途径的控制,三是对噪声接收者的保护$3。 其中对噪声源的控制是最根本、最直接的办法,包括降低噪声的激振力及降低发动机部位对激振力的响应等,即改造振源和声源。 若是对噪声源的控制较难进行时,就需要在噪声的传播途径中采取吸声、隔声、消声、减振及隔振等办法来达到降噪的效果。 汽车的减振降噪水平与整车的动力性、燃油经济性、幕得住性及其强度、刚度、质量、制造本钱和用途紧密相关。 发动机的振动与噪声 降低发动机噪声是汽车噪声控制的重点。 发动机是产生振动和噪声的本源。 发动机的噪声是由燃料燃烧,配气机构、正时齿轮及活塞的敲击噪声等组成的。 降低发动机本体噪声就要改造振源和声源,包括用有限元法等方式分析设计•发动机,选用柔和的燃烧工作进程,提高机体的结构刚度,采用周密的配合间隙,降低汽缸盖噪声。 例如在油底壳上增设增强筋和横隔板,以提高油底壳的刚度,减少振动噪声。 另外,给发动机涂阻尼材料也是一个有效的办法。 阻尼材料能把动能转变成热能。 进行阻尼处置的原理就是将一种阻尼材料与零件结合成一体来消耗振动能量。 它有以下儿种结构: 自由阻尼层结构、距离自由阻尼层结构、约束阻尼层结构和距离约束阻尼层结构。 它的采用明显地减少了共振的幅度,加速了自III振动的衰减,降低各个零件的传振能力,增加了零件在临界频率以上的隔振能力。 目前,已有一些国家的专家设计了一种发动机主动隔振系统,用于减少发动机振动,以达到降低噪声的LI的。 发动机的进气噪声是发动机的主要噪声源之一,发动机的空气动力噪声,随着发动机转速的提高而增强。 非增压式发动机的进气噪声主要成份包括周期性压力脉动噪声、涡流噪声、汽缸的亥姆霍兹共振噪声等。 增压式柴油机的进气噪声主要来自增压器的压气机。 对此,最直接、有效的方式就是采用进气消声器。 类型有阻性消声器、抗性消声器和复合型消声器。 将其与空气滤清器结合起来(即在空滤器上增设共振腔和吸声材料,例R3238型)就成为最有效的进气消声器,消声量可超过20dB。 排气噪声是汽车的主要噪声源,主要山排气压力的脉动噪声,气流通过气门座时所发出的涡流噪声、边界层气流的扰动而产生的噪声和排气口处的喷流噪声所组成。 设讣高消声性能、低阻力损失的消声器,是降低汽车噪声的重要办法之一。 通过采用有限元法和边界元法对消声器进行优化设讣,在消声器的设汁进程中要避免消声器的传递损失特性与振动特性发生耦合。 第二,降低排气噪声与提高动力性也存在矛盾,因为降低排气噪声与降低排气背压对排气管直径的设计有着相矛盾的要求,前者要求有较小的直径,而后者却相反。 对此,釆用并联流路的双功能消声器,在减小背压和降低气流噪声方面很是有效。 另外,对于发动机排气歧管到消声器入口的一段管路,采用柔性管的减振、降噪效果明显,可降低7dB左右。 底盘噪声 传动系噪声来源于变速箱齿轮啮合引发的振动和传动轴旋转振动。 一般采取的办法: 选用低噪变速器或发动机与变速箱及后桥主减速器等部件与底盘用橡胶垫进行柔性连接,从而达到隔振的U的;还能够通过控制转动轴的平衡度,降低扭转振动。 电器设备噪声 冷却风扇是噪声的发生装置,受到护风圈、水泵、散热器及传动装置的影响,但其噪声的产生主要取决于底盘。 汽车发电机噪声取决于多种来源的效应,这些来源有磁体源、机械和空气动力源。 噪声级取决于发电机的磁力和通风系统的结构,和发电机的制造和装配精度。 车身噪声 随着车速的提高,车身的噪声也就愈来愈大,空气动力噪声是其主要的起因。 因此,能够采用以下方案来改善车身噪声: 一是对车身进行流线型设计,实现滑腻过渡;二是在车身与车架之间采用弹性元件连接;三是进行室内软化,如在顶棚及车身内蒙皮间利用吸声材料。 另外,汽车在高速行驶时,轮胎也会产生必然的噪声。 山实车惰行法可知: 轮胎的轮距越大,则噪声越大。 另外,轮胎的花纹与噪声的产生也有专门大的关系,选用有合理花纹的钢丝帘布子午线轮胎是降低轮胎噪声的有效方式。 利用更富有弹性且柔软度高的橡胶制造轮胎,也能够达到降低轮胎噪声的效果。 其他办法 能够对汽车噪声进行主动控制。 就是采用以声消声技术,原理是: 利用电子消声系统产生与噪声相位相反的声波,使二者的振动彼此抵消,以达到降低噪声的LI的。 这种消声装置采用极为先进的电子元件,具有良好的消声效果,可用于降低车内噪声、发动机噪声,还能够用于主动发动机支撑系统,以抵消发动机振动噪声。 消声器的分类和消声原理 汽车消声器按消声原理与设计结构可以分为抗性消声器、阻性消声器和阻抗复合型消声器三类。 1.抗性消声器 抗性消声器,乂称为反映式消声器包括扩张室消声器、共振腔消声器、微穿孔板消声器、干与型消声器等。 它是山声抗性元件组成的消声器。 声抗性元件类似于交流电路中的电抗性元件电容或电感,是对声压的转变、声振速度转变起招架作用的元件,它们不消耗声能,但可贮蓄与反射声能。 抗性消声器对低中频范围的噪声具有较好的消声效果,它的型式有扩张室式、共振腔式、微穿孔板式和干与型等多种。 抗性消声器的特点是: 它没有利用吸声材料,而是通过在管道上连接旁接共振腔或截面突变的管段,利用声阻抗失配,使某些频率的声波在声阻抗突变的界面处发生反射和干与等现象来达到消声的U的。 1.扩张室消声器 扩张室消声器也称为膨胀室消声器,山管和腔适当组合而成,分为单节式和多节式。 它通过改变管道截面,使截面发生突变从而使沿管道传播的声波向声源反射而通不过消声器,使声能反射回原处,达到消声□的。 单节扩张室消声器只能对某些频率成份起消声作用,而让另一些频率成份顺利通过,山于噪声的频率范围较宽,因此需要改善扩张室消声的性能。 能够采用以下两种方式: 1•用多节不同长度的扩张室串联,使它们的通过频率彼此错开,以提高总消声量和改善消声器的频率特性;2.在扩张室消声器两头插入内接管,插入长度别离取为扩张室长度的1/2和1/4,也能够改善消声性能。 在工程实际中,为了取得较高的消声效果,通常将这二者结合起来应用。 共振腔消声器 共振腔消声器消声原理是当声波频率与共振腔固有频率一致时,使声能的衰减达到最大值来达到消声的LI的。 与扩张室消声器相较,共振腔消声器的消声频带较窄,在共振频率周围消声量较大,适用于具有单峰值频率、且峰值较突出的高噪声场合。 设计时要求共振腔消声器的共振频率与声波的主频率一致。 微穿孔板消声器 微穿孔板消声器是利用微穿孔板吸声结构制成的消声器,是我国噪声控制工作者研制成功的一种新型消声器。 它的消声原理实际上与共振腔消声器相同,其特点是不采用任何多孔吸声材料,而是在薄金属板上钻许多微孔起到吸声作用,故可作为阻性消声器利用。 1.干与型消声器 干与型消声器的支管长度比主管长度长,而且多出的长度正好是1/2声波波长的奇数倍,如此支管声波与主管声波在振幅上相等,而在相位上却相差180°的奇数倍,从而使支管声波和主管声波彼此干与而抵消,来实现消声的LI的。 干与型消声器适用于消减某维持不变的单一频率的噪声,对于宽频带噪声,这种消声器无效。 近代出现的电子有源消声器也是利用声波的干与来消声的,故也属于干与型消声器。 它对于低频噪声的控噪、个人防噪和局部防噪尤其适合。 1.阻性消声器 阻性消声器,乂称吸收式消声器是利用吸声材料的吸声作用使沿通道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减的装置。 把吸声材料固定在气流通过的管道周壁,或在通道中按必然方式排列起来,就组成阻性消声器。 阻性消声器对中高频范馬的噪声具有较好的消声效果,应用范围很广。 它的型式有直管式、片式、蜂窝式、折板式、声流式、弯管式和迷宫式等多种。 其消声原理是: 当声波进入消声器,便引发阻性消声器内多孔材料中的气流和纤维振动,山于摩擦阻力和粘滞阻力的影响,使一部份声能转化为热能散失掉,起到消声的作用。 阻抗复合型消声器 阻抗复合型消声器就是将阻性消声部份与抗性消声部份串联组合而形成,一般阻抗复合型消声器的抗性在询,阻性在后,即先消低频声,然后消高频声,总消声量能够以为是二者之和。 但由于声波在传播进程中具有反射、绕射、折射、干与等特性,其消声量并非是简单的叠加关系。 阻抗复合型消声器兼有阻性和抗性消声器的特点,能够在低、中、高的宽广频率范围取得较好的消声效果。 1.3排气消声器的研究方式 四端网络法 四端网络法的应用原理是基于一维平面波理论,用传递矩阵描述消声器的传播矩阵的方式。 它适用于内部平面波传播且管道细长的消声器的低频分析,特点是设计应用较成熟,简单方便,实用性强⑹。 1.边界元法 边界元法是基于二维声学理论,对所求区域的边界而进行的离散讣算。 它适用于二维和轴对称的均匀介质情形,进行内外场声学分析,特点是市场分析工作量少,计算时刻短,还不能对复杂结构的消声器进行三维分析计算⑹。 有限元法 有限元法是基于三维声学理论,对所研究区域的内部声场进行离散计算。 它 适用于均匀介质复杂结构的内场声学性能分析,特点是精度高,实用性强且计算格式规范统一,普遍用于消声器的研究中⑹。 1.有源消声法 有源消声法是基于声波干与原理改善消声器的消声效果。 它适用于降低消声器的低频噪声,特点是不仅降低低频噪声的频段,而且能够改善中、高频的噪声的消声效果⑹。 有限体积法 有限体积法是基于一维讣算流体力学来模拟复杂边界区域的流体运动,它适用于多维流体力学理论进行消声器内部流体特性研究。 它是计算流体动力学常见的离散方式,能够进一步进展为基于二维、三维流体力学的大体方程进行计算⑹O 1.基于实验的消声器研究方式 基于实验的消声器研究方式采用实验和实验分析的方式对消声器的声学性能进行分析的方式。 用实验的方式来模拟消声器内部的声波特性被普遍利用,如声波在高速、高温的介质中的传播特性。 随着消声器设计仿真技术的快速进展和日趋成熟,消声器的研究开发已逐渐形成以理论、经验相结合,以运算机软件分析为主,实验研究为辅的研究方式。 如此能够使消声器的设讣周期大大缩短,本钱也大大降低。 可是汽车消声器涉及气体流动、传热、振动、声学、发动机性能等学科,具有较高的复杂性。 目前,运算机软件分析结果还不能专门好地仿真消声器性能,需进一步改良和完善软件,使其达到更好的仿真效果。 研究排气消声器的意义 山于汽车种类、车速和质量的不同使得整车的噪声也有所不同。 一般情形下,当没有安装进、排气消声器时,排气噪声是发动机最大的噪声源,进气噪声次之,风扇噪声相较其噪声级较小。 随着制造技术和加工方式的改良和提高,发动机的机械噪声和燃烧噪声己取得了有效的控制,排气噪声成为发动机噪声的主要来源。 据统计,在发动机的噪声源中,排气噪声约占总噪声的30%左右,排气噪声往往比发动机其它噪声高10—15dB,控制汽车排气噪声最切实有效的办法就是安装排气消声器,在排气开始时,废气以脉冲形式从排气门间隙排出,并迅速从排气口进入大气,所形成的能量较高、频率较为复杂的噪声叫做排气噪声,随着发动机转速和强化程度的提高,排气系统内气流速度增加,排气噪声也随之增大。 排气噪声的降低主要依托机外降低,即安装排气消声器。 随着排放标准的日趋严格和人们对汽车噪声关注度的提高,汽车的NVH己经成为衡量产品质量的重要指标,各生产厂商也开始关注NVH问题,其中最近儿年来消声器的设计和研制受到汽车行业的普遍重视就是明显的例证,所以开发和研究新型汽车消声器并进行优化设计,对于降低汽车噪声、减少噪声污染具有重要的社会意义和实用价值。 安装消声器能够达到降低了排气噪声的U的,但也会带来负面影响,因为安装消声器后会增加发动机的排气阻力,提高排气背压,从而影响发动机的动力性和燃油经济性。 一般来讲,消声器的消声性能越好,其结构就越复杂,相应的功率损失越大,一般消声器的功率损失在3%到8%,消声量较大时允许有较大的功率损失,可是给小功率发动机匹配消声器时,功率损失要求较低。 随着我国日趋加重的能源危机和日趋严格的排放法规,使得人们的节能意识和对噪声污染的关注度不断增加,所以继续研究消声器的研究有如下意义: 第一,随着汽车的噪声排放法规的日趋严格和人们对噪声污染的不断重视排气噪声作为汽车主要的噪声源,必需严格控制,这就要求设计高消声性能、低阻力损失的高效消声器满来减少环境污染、知足消费者的要求。 第二,在不久的未来,C02排放量也将纳入尾气排放的法规和条例中,这就要求发动机要有尽可能少的能量损失。 虽然消声器的功率损失仅占白分之儿,可是,只要发动机运转,这部份能量就要损耗掉,若是发动机长时刻运作,那么这部份能量损失也相当可观。 因此,消声器的功率损失要越少越好以减少能量损失。 第二章: 排气噪声和消声器的基础知识简介 排气噪声的来源 排气噪声是山排气压力的脉动噪声,气流通过气门座时发出的涡流噪声、边界层气流的扰动产生的噪声及排气口处的喷流噪声组成的。 排气系统的噪声源包括: 空气噪声、冲击噪声、辐射噪声和气流摩擦噪声和其它的一些噪声源组成。 例如: 可燃物在排气系统中再燃烧产生的噪声,排气门杆产生的 涡流噪声,山排气脉冲压力波产生的涡流噪声,排气门落座声等Q)。 空气噪声 发动机运作时产生的压力波,在排气管道中传播而产生的噪声叫做空气噪声。 空气噪声取决于排气管道的直径,当气流量一按时,排气管道的直径越大,空气噪声就越稳固而空气噪声的大小取决于排气系统的结构。 在排气系统设计中,纯粹的声学设计就是用于降低这种噪声的。 冲击噪声 冲击噪声是由于排气管道中不稳固的气流对管道产生冲击而产生的。 当管道截面积发生突变时,也会产生相应的冲击噪声。 减小冲击噪声的途径就是加大管道的过渡圆弧和渐进地改变结构的变截面积。 辐射噪声 辐射噪声是山于排气系统的管道和消声元件受到机械振动的鼓励或受内部流体压力波动而一路振动,被鼓励的元件对外以声波的形式辐射出去而形成的。 在排气系统中,辐射噪声源来自三方面: 机械振动、稳固的空气气流和不稳固气流,其大小取决于板结构的儿何尺寸、结构形状和刚度等。 当辐射噪声的频率与薄板结构振动的频率相对应时,消声元件辐射的声音频率一般比较低,而管道辐射的频率一般比较高。 因为管道的刚度往往比消声元件的刚度高。 减少流体声波的扰动,改变其结构特征,加阻尼处置是降低辐射噪声的有效途径。 气流磨擦噪声 当管道中气体流动速度
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