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毕业设计论文排气系统的分析与设计
排气系统的分析与设计
摘要
随着城市车辆的增多,噪声污染已经严重地干扰人们的生活。
汽车排气噪声是汽车的主要噪声源之一,而汽车排气系统的性能决定着排气噪声的水平。
故而,一套好的排气系统配备一个好的消声器是更好地降低发动机排气噪声的有效途径,因此对排气系统中消声器的设计越来越受到重视。
本文通过对汽车排气系统的全面分析,评价该排气系统的整体性能,同时也研究了消声器以及排气系统的开发设计方法。
建立排气系统分析模型,应用有限元分析软件对汽车排气系统的声场特性进行计算,得到系统的声场分布情况,归纳出穿孔管的结构参数与消声器消声性能的影响关系。
其仿真分析结果对排气系统整体性能的优化具有重要指导意义。
经过研究分析,总结出排气消声器的开发设计流程、典型消声结构的计算方法等,为下一步开发出可用于排气消声器设计与性能预测的软件提供了重要依据。
关键词:
汽车,排气系统,声学分析,噪声控制,消声器设计
Analysisanddesignoftheexhaustsystem
ABSTRACT
Alongwiththecityvehicleincreasing,noisepollutionhasseriouslydisruptpeople'slives.Automobileexhaustnoiseisoneofthemainnoisesourceofautomobile,andtheautomobileexhaustsystemperformancedeterminestheexhaustnoiselevel.Therefore,agoodsetofexhaustsystemwithamufflerisbetterforreducingengineexhaustnoiseeffectively,sotheexhaustsystemmufflerdesignisbeingpaidmoreandmoreattention.
Inthispaper,basedonthecomprehensiveanalysisoftheautomotiveexhaustsystem,theexhaustsystemperformance,butalsoonthemufflerandexhaustsystemdesignmethod.Establishmentoftheexhaustsystemanalysismodel,usingfiniteelementanalysissoftwareforautomotiveexhaustsystemcharacteristicsofsoundfieldcalculation,systemfielddistribution,summarizesthestructureparametersandtheperforatedtubemufflerperformanceinfluence.Theresultsofsimulationanalysisonexhaustperformanceofthewholesystemhasimportantguidingsignificanceforoptimization.Throughresearchandanalysis,summedupthedevelopmentofexhaustmufflerdesignprocess,typicalanechoicstructurecalculationmethodaswellastheexhaustsystemdesignmethodsandprocessdevelopmentforthenextstep,whichcanbeusedforexhaustmufflerdesignandperformancepredictionofsoftwareprovidesimportantbasis.
KEYWORDS:
Automotive,exhaustsystems, acousticanalysis, NoiseControl, thedesignofmuffler
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
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作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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作者签名:
日期:
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
目 录
前 言
汽车工业的快速发展和交通的日益发达使得汽车保有量大幅增加,带+来的交通噪声污染也日益严重。
据资料表明,城市噪声的80℅来源于机动车辆,各种机动车辆已成为环境噪声的最大污染源。
为了限制交通噪声污染,各国大都制定了严格的相关法规,而且每隔几年就要修改一次。
并且随着汽车市场竞争越来越激烈,低噪声已经成为乘坐舒适性的一部分,与动力性、经济性和排放性一起成为了评价汽车品质的重要指标。
发动机噪声是汽车的主要噪声源,要降低整车噪声,应首先从降低发动机噪声入手。
排气噪声有事发动机的最大噪声源,它往往比发动机的其他噪声高10—15dB。
可见,控制排气噪声是重中之重。
作为降低和控制汽车排气噪声的一种有效途径,消声器在汽车发动机排气系统中得到了广泛的应用。
但消声器在降低排气噪声的同时增加了排气阻力,提高了排气背压,从而影响了发动机的动力性和经济性。
因此,研究消声量高、功率损伤小的排气系统消声器便成为降低汽车噪声,从而控制环境噪声的主要措施。
传统的排气系统内消声器设计主要是一维平面波理论,但该理论难以正确模拟三维波动效应等实际因素的影响,分析结果相对不准确。
随着日益严格的噪声和排放法规的规定,排气系统的功能已不仅仅是单纯的将废气导出。
对排气系统的要求是:
在尽可能低的排气流动阻力下,排出尽量少的有害物质;并在车辆的特定部位,以尽可能低的热辐射,尽可能少的噪声排气。
排气管表面不仅要光滑,流通断面不要突出,外形尽量符合气流流线。
排气噪声是汽车及发动机中能量最大最主要的噪声源,除基频噪声及其高次谐波噪声外,排气噪声还包括排气总管和排气歧管中存在的气柱共振噪声、气门杆背部的涡流噪声、排气系统管道内壁面的紊流噪声等,此外,排气噪声还包括废气喷射和冲击噪声。
排气噪声的控制策略主要是:
(1)从排气系统的设计方面入手,如合理设计排气管的长度与形状,以避免气流产生共振和减少涡流。
(2)废气涡轮增压器的应用可降低排气噪声,但最有效的方法还是采
用高消声技术,使用低功率损耗和宽消声频率范围的排气消声器。
本文对汽车排气消声器进行性能分析与设计,对设计高性能的消声器,降低汽车排气噪声有一定的重要意义。
第1章绪论
.1.1汽车排气系统的国内外研究状况
排气系统在汽车的发动机上起着重要的作用,而消声器作为排气系统的一部分,作用更是不言而语。
消声器是一种既能降低噪声又能使气流顺利通过的设备。
经过众多前人长期的研究,消声器的结构形式和计算方法都得到了不断完善。
最早出现的是无源消声器,它包括阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器。
其中抗性消声器又发展为扩张式消声器、共振式消声器、无源干涉消声器以及近几年我国学者研究出来的微穿孔板消声器等。
二十世纪五十年代,国际上提出有源消声器的概念。
但在我国应用最多的还是无源消声器。
消声器的理论研究最早可追溯到1922年,美国学者Stewart率先应用声学滤波理论指导抗性消声器设计,利用集中参数近似算法分析消声器元件。
这种原理只在声波远大于消声器尺寸时才成立。
五十年代中期,Davis等人采用以为波动方程,利用截面突变处声压和体积振动速度的连续性,计算了单级和多级膨胀腔和侧支共振腔。
五十年代后期,Igarashi等人利用等效电路的方法计算了消声器的传递矩阵。
这种以四极参数为基础的传递矩阵法在不考虑流速和温度梯度的平面波范围内计算结果比较准确。
针对气流对消声器性能的影响,各国学者导出了存在气流时的声传递矩阵,这就是线性声学的声波分析法。
这些声传递的矩阵的建立依赖于以下五个假设:
1、线性化假设;2、无损耗假设;3、均匀流动假设;4、均匀参数假设;5、平面波假设(一维近似理论)以上都是基于一维平面波理论对消声器内部声场做近似的理论分析。
当声波长远大于截面几何尺寸,且噪声频率不太高时,平面波假设与实际情况比较一致。
但随着消声量要求的加大,消声器的结构形式都比较复杂,截面几何尺寸一般都不会远小于声波波长,这时在扩张腔内出现了高次模式波,采用平面波与线性化家社会产生较大偏差,特别是当声波频率较高、波长相应较短时,这种偏差更明显。
消声器在国内的研究也经历了由早期的实验方法到一维平面波理论的辅助分析以及现在的三维数值模拟分析,从单纯考虑声学特性到考虑流速温度的影响过程。
1994年江苏理工大学的蔡超等用有限元方法计算了轴对称抗性消声器的传递损失,通过实验验证和声传递矩阵计算结果对比发现有限元具有较高的精度。
1998年大连理工大学的季振林等使用传递矩阵和边界发计算了整个排气消声系统的四极参数,使用双负载法和特征线法确定发动机的声源阻抗和强度,实现内燃机排气噪声和消声器插入损失预测,并与实测结果相吻合良好。
2003年吉林大学的丁万龙用边界法对摩托车排气消声器进行了数值仿真分析,在实验验证的基础上提出了切实可行的方案。
综上所述,在消声器声学特征和空气动力特性预测分析方面前人已做了大量的工作,在形成了很多好的理论和方法供我们借鉴和参考。
相对来讲,我国在这方面起步较晚,要缩短我国和国外的差距,在提高消声器实验技术和试验设备,完善数值模拟方法方面我们都有待发展。
1.2本课题的主要研究目的与内容
不同类型汽车的排气系统大都一样,但不同类型汽车发射的噪声功率和频谱特性有很大差异。
由于物理性能上的差异,以及文化、传统和生活方式的影响,人们对噪声的接纳已经更多地加入了主观因素,对消声器的性能提出了更高的要求。
性能的影响因素。
本文对单扩张腔消声器进行分析研究,总结了消声器结构参数、气流温度、流速等对消声器综合性能的影响情况,为消声器的设计与改进提供为了设计出高性能的排气消声器,研究消声器综合消声依据。
本文针对某一典型发动机排气系统,设计了消声器,预测了其综合性能。
本文的具体内容如下:
1)总结当前排气系统的理论基础和消声器的设计理论方法,分析消声器声学性能及空气动力学性能的影响因素。
2)采用基于相关声学分析的方法,分析消声器结构参数等对消声器内部流场、声场等的影响,从而研究消声器中的流场、压力损失、再生噪声等对消声器性能的影响,为消声器的设计与改进提高依据。
3)针对某典型发动机,利用当前消声器的设计方法,确定消声器的结构尺寸和基本参数。
4)预测分析各改进消声器的综合性能,选择综合最优的消声器结构,并绘制排气系统装配图和零件图。
第2章汽车排气系统理论基础
2.1汽车排气系统理论
2.1.1汽车排气系统的基本要求
1)必须满足发动机的有关要求,如排气背压、功率损失等。
2)排气系统中的元件不得承受由于重量、惯性力、元件的相对运动或由于过热膨胀产生的直径变化而引起的过大应力。
3)排气系统必须能防止由于路边飞溅、下雨、冲洗或其他任何途径的水进入发动机或增压器。
4)排出的废气必须扩散,以免对进气的清洁功能、冷却系统的效率、发动机合适的环境和运转产生不良影响。
5)排气系统必须能使由于发动机产生的噪声降低到符合相关法规要求的程度。
2.1.2汽车排气系统的结构组成及其功能
排气系统是客车底盘一个重要的组成部分。
它的主要作用是将发动机工作时产生的废气排出,并且降低排气时所产生的噪声,减少环境污染和产生辅助制动。
它的设计质量直接关系到客车的动力性、舒适性和安全性能。
另外,它对发动机的使用寿命也会产生重要影响。
排气系统从靠近发动机的方向开始,由排气歧管、前管、挠性管、催化转换器、中心管、主消音器和末端管等7个零部件构成。
根据车种的不同,有的安装了数个催化转换器,有的安装了副消音器。
客车排气系统是主要是排放发动机工作所排出的废气,同时使排出的废气污染减小,噪音减小。
客车排气系统主要用于轻型车、微型车和客车,摩托车等机动车辆。
1)排气歧管
排气歧管,又叫排气支管,是发动机的一个重要组件,它的设计是一项很专业化的工作。
排气歧管与发动机的匹配由发动机厂完成。
作为客车生产厂家,只要买进发动机总成就可以了。
发动机在工作过程中所产生的废气通过排气歧管进入排气管。
它与排气管之间通过挠性法兰或者弹性波纹管联接。
图2-1排气系统的组成
2)前排气管
排气管的主要作用是将发动机工作过程中所产生的废气排除。
排气管不能因为自身的重量及产生的惯性、弯矩和相对运动或因其受热膨胀产生形变而影响排气歧管和涡轮增压器的正常工作,以至于过载产生附加应力,造成损坏。
所以设计时要在其满足其刚度、强度的前提条件下,要尽量使排气管的质量减轻,其材料可以选薄壁中碳钢钢板或者不锈钢钢板。
当排气管过长时,要考虑增加辅助支撑来固定排气管,减少因排气管过长所产生的弯矩、扭矩对发动机排气歧管涡轮增压器产生影响。
但是从另一方面来看,这样做又会影响排气歧管连接法兰的运动自由度。
同时,为了减轻排气管的热膨胀应力,在排气管路采用热补偿装置。
常用的热补偿装置一一般有两种形式:
一种是采用弹性的波纹管;另一种是挠性连锁式接管。
这两种方式各有特点。
弹性波纹管的的密封性能比较好,但它的热补偿性较差,使用寿命不长,而且它的价格相比也较贵,相比之下,挠性连锁式接管的热补偿性和使用寿命都好于弹性波纹管,但它的密封新不太好。
在设计时,应根据具体要求来选择。
3)催化反应器
为减少汽车排出的废气对空气的污染,安装了被称作“催化转换器”的排气净化系统。
催化转换器安装在排气歧管下面或底盘下面等,因此要能够经受住高温和振动等苛刻条件的考验。
对于催化载体,在使用了铁素体系不锈钢箔材制作的金属载体。
使用铁素体系不锈钢箔材的原因是它的热冲击特性小且热容量小的缘故。
金属载体由采用不锈钢钢箔制作的蜂窝状型芯和采用不锈钢钢板制作的外壳构成。
蜂巢上的型芯是把平箔材和波浪状箔材卷起后通过钎焊等焊接结合而成的。
外壳要求具有高温强度、耐高温盐害性加工性。
4)消声器
排气消声器是一种既能让气流通过,又能消除或减弱排气噪声的有效装置,是控制气流噪声的主要装置。
它是控制气流噪声的一种主要方法。
一个好的消声器在其工作气流的温度、压力环境下,在需要的频率范围内应有效的消声效果和较小的阻力损失。
也就是说,其插入损失要大,功率损失要小。
另外,在消声器空腔内,一般要发生许多共振,因而在高频区域要产生较多的通过频率,消声器的效果也就变得复杂起来。
考虑到柴油机排气噪声中高频程(250Hz~400Hz)上的噪声最高,所以,对消声效果要求较高的消声器可以在内腔衬以吸声材料。
同时,消声器体积要小,结构要简单合理、坚固耐用。
因此,需合理选择消声器的形式和主要参数。
5)排气尾管
发动机的末端管的设计必须合理,必须保证客车排出的尾气不至于吹到车身上,也不能是排出的尾气被吸进空气滤清器,影响发动机的工况。
末端管设计的合理性和美观性将影响客车整体的设计质量和外观性。
在设计排气尾管的时候,为了有效控制排除尾气的排出方向,可以将尾气排器口设计成“鸭嘴”行或者是朝下45度开斜口。
2.1.3汽车排气系统设计中的材料分析及其选择
1)排气歧管
汽车排气歧管使用的氏球墨铸铁,但随着发动机性能的提高,排气温度会上升,且由于对减轻零部件重量的需要,因此不锈钢的使用量正不断增加。
排气歧管所用的不锈钢有奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢。
奥氏体系不锈钢的高温强度好,但容易发生氧化皮剥落,因此在抗氧化性方面不如铁素体系不锈钢。
另一方面,铁素体系不锈钢的抗氧化性好,但高温强度不如奥氏体系不锈钢。
热膨胀系数小的铁素体系不锈钢在热疲劳特性方面是有利的。
因此,铁素体系不锈钢钢种主要可用作排气歧管。
初期为适应排气温度为800℃左右的需要,使用的是YUS409D(11Cr-TI)。
其后,由于排气规定的强化,为适应排气温度的升高,采用了高温特性好、添加19%Cr-Nb的YUS180(19Cr-Nb)。
再后来,由于在高温特性的基础上又对经济性提出了要求,于是开发了优化成分的YUS450-MS(14Cr-0.5Mo-Nb-Ti)。
另一方面,近年来随着排气规定的强化,排气温度变得更高,如果达到950℃,以往的材料就无法适应,因此开发了增加Cr和Nb添加量、再添加Mo,以此提高抗氧化性和高温强度的YUS190-EM(19Cr-2Mo-Nb-Ti)。
新日铁生产的排气歧管材料(YUS450-MS和YUS190-EM)的特征在于Nb-Ti的混合添加。
由此可以提高高温特性,尤其是可以提高热疲劳特性。
根据合金元素对铁素体系不锈钢在950℃时0.2%屈服强度的影响可知,Nb、Mo、W和Ta有助于提高屈服强度,尤其是添加少量的Nb,效果更好。
另外,Mo和Nb在固溶状态下有助于高温强度化。
但是,Nb在高温下长时间使用过程中会析出碳化物和莱夫斯相,固溶Nb会随着时间推移而下降,高温强度也会下降。
因此,为抑制这种固溶Nb量的下降造成高温强度下的下降,研究了Nb-Ti混合添加的作用。
根据Nb单独添加钢和Nb-Ti混合添加钢在900℃时的0.2%屈服强度随900℃时效变化的曲线可知,Nb-Ti混合添加钢伴随时效的强度下降小。
这是由于添加Ti可抑制粗大Nb碳化物(M6C)析出的缘故。
具有高温强度的14Cr系Nb单独添加钢和Nb-Ti混合添加钢在约束率变化后热疲劳试验的结果表明,在100%约束的情况下,Nb-Ti混合添加钢有时高温强度低,热疲劳寿命比Nb单独添加钢的短。
但是,当约束为50%时,Nb-Ti混合添加钢的热疲劳寿命会大大延长,超过Nb单独添加钢的热疲劳寿命。
可以认为这是由于当约束率降低时,热疲劳强度在总体上会提高,由于延长在高温下的保持时间,如果是在采用上述Nb-Ti混合添加钢,它能通过添加Ti抑制Nb碳化物的析出,使高温下热疲劳强度下降变小的缘故。
实际汽车排气系统零部件材料会因周围部件的影响而在约束状态下承受反复的热滞后,所以
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