摘 要
随着城市车辆的增多，噪声污染已经严重干扰了人们的生活，世界各个国家也对车辆噪声提出越来越严格的限制要求。发动机排气噪声是车辆的主要噪声源之一，使用排气消声器则是降低发动机排气噪声的最有效的方法，根据以上目的本设计对已选发动机进行匹配设计，根据发动机所给出的相关参数计算，利用CATIA三维绘图软件进行三维建模，GT-POWER软件进行噪声指标分析，最终设计出满足国家法规的尾管噪声排放系统。
关键词：排气系统匹配；噪声；CATIA；GT-POWER
I
太原理工大学现代科技学院（论文）
Abstract
With the number of vehicle increasing in the city, noise pollution has disturbed citizen’s life seriously．Many governments have brought forward more and more strict limits to the noise of vehicle．The noise produced by out-take system of engine is the main noise origin of vehicle．Using exhaust muffler is the main approach to decrease the noise level of engine．Base on the above objectives we have carried out some research on the matched designing system of exhaust muffler, calculating correlation parameters given by the engine, then make a good design of exhaust system. Using CATIA software, I establish a model to suffice the requirement in industry.
Key words: engine match; exhaust muffler system; establish a model
II
目 录
1 绪论 ...................................................................................................................................... 1
1.1 课题研究的意义 ....................................................................................................... 1 1.2 排气系统设计研究的现状 ....................................................................................... 1 1.3 本文研究的主要内容 ............................................................................................... 2 2 排气系统 .............................................................................................................................. 3
2.1 排气系统的构成 ....................................................................................................... 3
2.1.1 排气管 ............................................................................................................ 3 2.1.2 三元催化器 .................................................................................................... 4 2.1.3 消声器 ............................................................................................................ 5 2.1.4 补偿器 ............................................................................................................ 5 2.2 设计说明 ................................................................................................................... 5
2.2.1 尺寸及重量 .................................................................................................... 5 2.2.2 排气背压 ........................................................................................................ 5 2.2.3 功率损失比 .................................................................................................... 6 2.2.4 净化效率 ........................................................................................................ 6 2.2.5 加速行驶车外噪声 ........................................................................................ 6 2.2.7 尾管噪声 ........................................................................................................ 7 2.2.8 定置噪声 ........................................................................................................ 7 2.2.9 振动 ................................................................................................................ 8
3 排气系统零部件的匹配设计 .............................................................................................. 9
3.1 所匹配发动机 ........................................................................................................... 9
3.1.1 发动机简介 .................................................................................................... 9 3.1.2 基本参数 ........................................................................................................ 9 3.2 排气消声器的参数设计 ......................................................................................... 10
3.2.1 确定消声器的消声量 .................................................................................. 10 3.2.2 计算消声器的排气流量 .............................................................................. 10 3.2.3 确定消声器的出口气流速度 ...................................................................... 11 3.2.4 消音器结构参数的选择 .............................................................................. 11
III
3.3 系统布置 ................................................................................................................. 14
3.3.1 布置原则 ...................................................................................................... 14 3.3.2 间隙要求 ...................................................................................................... 15 3.3.3 吊钩位置的选取 .......................................................................................... 15 3.4 补偿器 ..................................................................................................................... 16 3.5 催化器转化器 ......................................................................................................... 17 3.6 橡胶吊环 ................................................................................................................. 18 3.7 排气系统材料选择标准与连接方式 .................................................................... 19
3.7.1 排气系统材料选择 ...................................................................................... 19 3.7.2 排气管路连接方式 ...................................................................................... 20
4 排气系统零部件的逆向建模 ............................................................................................ 22
4.1 排气系统建模软件介绍 ......................................................................................... 22 4.2 排气系统消声器建模 ............................................................................................. 23 5 排气系统参数分析 ............................................................................................................ 26
5.1 分析软件简介——GT-POWER ............................................................................. 26 5.2 排气系统传递损失分析 ......................................................................................... 26
5.2.1 借助GT对消声器建模 ............................................................................... 26 5.2.2 消声器传递损失分析 .................................................................................. 27 5.3 排气系统插入损失分析 ......................................................................................... 29
5.3.1 带等长度直管排气口声压级分析模型 ...................................................... 29 5.3.2 带消声器排气口声压级分析模型 .............................................................. 30 5.3.3 插入损失（TL）分析 ................................................................................. 31 5.4 排气系统尾管噪音分析 ......................................................................................... 32 5.5 排气系统压力损失分析 ......................................................................................... 33 总结 .......................................................................................................................................... 34 致谢 .......................................................................................................................................... 35 参考文献 .................................................................................................................................. 36 附录A ...................................................................................................................................... 37 附录B ...................................................................................................................................... 42
IV
1 绪论
1.1 课题研究的意义
随着国民经济的飞速发展，各种交通工具数量日益增多，由此带来的排放污染和噪声污染已成为干扰和破坏国民生活的一大公害。特别是在人口密集的城市，由于汽车行驶速度日益加快，使用功率日益增强，汽车导致的空气污染和噪声污染弥漫于城市的每个角落，时刻破坏着城市的安宁，影响居民的身心健康[1]。
发动机作为车辆的心脏，通过燃烧燃料提供动力，使车辆成为满足人们需求的动力系统。发动机在向车辆提供动力的同时，燃烧燃料产生大量的尾气，包含 CO(一氧化碳)、HC＋NOx(碳氢化合物和氮氧化物)、PM(微粒和碳烟)等有害气体，对大气造成污染。目前世界各国也制定了相关的排放标准和法规，要求也越来越高。我国在GB 18352.3—2005中有明确指出具体限值[2]。
为了控制噪声污染，世界各国都制定了许多相关的噪声控制标准和法规[3]，并且越来越严格。如1989年，欧共体中型客车的行驶噪声限值为80dB，日本为83dB，瑞士为80dB，而中国是86dB。近年来，我国制定了新的车辆噪声标准，2002年1月，国家环保总局发布了新的汽车噪声控制法规GB 1495-2002，其规定车外最大噪声级不应超过法规中规定的限值，限值规定为74dB[4]。
在如今，“能源与环保”已悄然成为当今社会不拥自立的主题，人类的科技发展如今也时刻被这一主题所牵绊，当然汽车行业的技术发展也不例外，如此一个围绕着“能源与环保”的汽车科技发展战略毅然打响。汽车技术在环保方面的改善无非就两点：一是使用清洁能源，二便是此刻要研究的课题——排放问题。在当今，新能源技术仍然处于不成熟阶段，所以在这个问题存在的前提下，我们只有通过对汽车的排气系统进行优化设计能更好的降低汽车的排放以及环境中噪音的污染。
1.2 排气系统设计研究的现状
排气系统的匹配设计涉及到流体力学、声学、热力学以及发动机理论，因此具有一定的复杂性。发动机排气噪声的研究及消声器声学性能的计算是发动机排气系统设计的理论基础，所建立的物理模型将直接影响计算结果的精度。因此，对于排气系统匹配设计，所选择的理论模型对于设计的结果至关重要。
过去，在这方面的研究主要有两种方法：线性声学的声波分析法和一维不稳定流动
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分析法。在线性声学的声波分析法中，将发动机和排气系统一起用模拟电路来表示，将发动机看作是具有一定强度和阻抗的声源，将排气系统看作是被动元件的组合，周围环境用尾管辐射声阻抗表示。这种方法的主要缺点是不适用于发动机变转速变负荷工况。在一维不稳定流动分析中，用特征线法在时域内逐步对排气系统内的气体不稳定流动方程组和相应的边界方程求数值解，此法的优点是较好地考虑了各种非线性因素和流动的影响。其缺点是需较多的边界条件，以致很难解析计算复杂消声装置的声学性能[5]。
目前，国内外主流的排气系统匹配仿真主要从数值分析方法考虑，即从波动方程着手，以数学和力学为基础来寻求媒质振动和噪声的关系。它的设计方法具体分为：传递矩阵法、边界元法、有限元法和有限容积法。我国长期以来，汽车排气系统的开发仍然停留在各部件单一设计，依赖简单理论估算、经验设计和大量试验的基础上，这样不仅费时费力，给排气系统结构和性能的进一步优化带来困难；而且，单独对消声器或催化器局部分散设计不能完全反映排气系统的整体耦合特征，难以设计出令人满意的产品。随着计算机软硬件技术以及计算流体力学(CFD)等仿真分析软件的飞速发展 ，一些商用软件逐渐完善，成为研究设计人员的有效工具。例如通过对催化器和消声器进行数值模拟研究其阻力特性等，这一方面为结构优化提供充分的理论指导，另一方面也大大降低了实际试验的工作量，缩短设计周期，并且可以探索多种可能设计。
GT-SUITE是目前较优秀的一款发动机性能模拟与仿真软件，用于发动机的性能、排放和噪声的计算，特别是该系列软件为消声器设计提供了图形界面前处理程序（GEM3D），并能实现各种声学与动力性能模拟分析。
1.3 本文研究的主要内容
首先在了解轻型货车排放要求及排气系统结构形式及基本原理的基础上对轻型货车排气系统进行初步的匹配设计。参数确定后再通过CATIA软件建立三维数字模型，再通过GT-POWER软件对设计的排气系统进行分析，分析结果是否达到国家标准。最后绘制轻型货车排气系统总成图及系统装置图。
2
2 排气系统
2.1 排气系统的构成
排气系统包括排气歧管、排气管、排气净化装置、排气消声装置等。排气系统设计是匹配发动机的一个重要组成部分。典型的发动机排气系统如图2.1所示。
1-排气管；2-挠性连接管；3-氧传感器；4-副消声器；5-执行器；6-排气控制装置；7-主消声器；
8-中间管；9-高温传感器；10-三元催化器；11-前管
图2.1 排气系统
它的主要作用是将发动机工作时产生的废气引导排出，并降低排气时所产生的噪声和废气温度、净化尾气等。其匹配设计优劣直接影响到车辆的动力性、经济性、舒适性和安全性，并对发动机的使用寿命也会产生很大影响。下面将就各部分分别介绍。 2.1.1 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出。排气管不能因为自身的重量及所产生的惯性、弯矩和相对运动或者因其受热膨胀产生形变而影响排气歧管和蜗轮增压器的正常工作，以致于因为过载产生附加应力，造成损坏。所以设计时，在满足其刚度、强度的前提条件下，要尽量使排气管的质量减轻，其材料可以选择薄壁中碳钢钢板或者不锈钢板。
如果当排气管过长的时候，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或蜗轮增压器产生影响。但是，从另一个方面来看，这样做又会影响排气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，在排气管路中采用热补偿装置。常用的热补偿装置一般有两种形式：第一种是采用弹性的波纹管；另一种是挠性联锁式接管。
3
这两种方式各有所长。弹性波纹管的密封性能比较好，但是它的热偿性能较差，使用寿命不如挠性联锁式接管，同时它的价格也比较贵。相比之下，挠性联锁式接管的热补偿性能和使用寿命都好于弹性波纹管，但它的密封性能不大好。在设计时，要根据具体的要求来选择。
除排气管应力之外，排气管背压也是设计过程中应该考虑的一个重要因素。排气背压的产生也将直接影响发动机的工况。当背压到达一定的程度以后，哪怕是有一点细微的增减，也会对发动机的输出功率产生很大的影响。在设计时，要将排气背压控制在汽车发动机所允许的范围内，以避免对发动机工况造成影响，可以从以下几个方面采取措施：
(1)不要使排气管过长，并尽量使消声器布置在发动机排气歧管出口一侧； (2)排气管采用薄壁管，管径尽量大一些，为了不增加排气管的重量，通常采用薄壁中碳钢卷管或者是不锈钢卷管。这些材质既可有效地减轻排气管重量，又具有很好的防腐蚀性；
(3)尽量减少排气管的弯折，尽量避免90。的折弯，在过渡折弯时，可以设计成大圆弧过渡，以减少排气阻力；
(4)要合理地选择消声器。 2.1.2 三元催化器
三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
三元催化器性能稳定、质量可靠、寿命长，其产品广泛适用于本田、奥德赛、别克、奥迪、帕萨特、桑塔纳、现代、别克、奥拓、昌河、捷达等车型。三元催化器的载体部件是一块多孔陶瓷材料，安装在特制的排气管当中。称它是载体，是因为它本身并不参加催化反应，而是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵重金属。它可以把废气中的HC、CO 变成水和CO2, 同时把NOx分解成氮气和氧气。HC、CO是有毒气体，过多吸入会导致人死亡，而NOx会直接导致光化学烟雾的发生。经过研究证明，三元催化器是减
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少这些排放物的最有效的方法。通过氧化和还原反应，一氧化碳被氧化成二氧化碳，碳氢化合物被氧化成水和二氧化碳，氮氧化合物被还原成氮气和氧气。三种有害气体都变成了无害气体。三元催化剂最低要在350℃的时候起反应，温度过低时，转换效率急剧下降；而催化剂的活性温度( 最佳的工作温度) 是400℃到800℃左右，过高也会使催化剂老化加剧。在理想的空燃比(14.7：1) 下，催化转化的效果也最好。 2.1.3 消声器
排气消声器是排气系统的主要部件，主要起到降噪作用，它既要满足车辆噪声的要求，又要满足排气阻力的要求，还要满足消耗功率尽可能少的要求。排气消声器的容积应根据发动机最大排气流量来确定。排气消声器的具体选型和参数设计在下一章中将详细给出。 2.1.4 补偿器
供热上，为了防止供热管道升温时，由于热伸长或温度应力而引起管道变形或破坏，需要在管道上设置补偿器，以补偿管道的热伸长，从而减小管壁的应力和作用在阀件或支架结构上的作用力。
补偿装置是排气系统减振降噪的一个重要部件，同时也是提高排气系统使用寿命的重要部件。它把由发动机引起的振动及扭转进行吸收，从而降低排气系统的振动传递，同时改善排气系统的受力，提高使用寿命。补偿器的具体选型和参数设计在第4章将详细给出。
2.2 设计说明
2.2.1 尺寸及重量
尺寸和重量需根据产品所要达到的性能要求以及底盘空间位置来确定，但是在满足性能要求的基础上，做到尽量小为最好。 2.2.2 排气背压
排气背压指发动机装上整套排气系统后，按QC/T 524-1999设定测点测得的压强(离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口下游75mm 处，在排气连接管里测量，测压头
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与管内壁齐平，误差不大于0.2kPa)。排气背压越高，排气阻力越大，充气效率也就越低，发动机功率、扭矩损失也越大。一般来说，考虑到发动机的功率和扭矩要求，会对排气系统提出一个具体的排气背压要求。
对自然吸气发动机，排气背压一般设定在305kPa。 对增压发动机，排气背压一般设定在4010kPa。
一般认为消声器的压力损失由两部分构成：一是局部压力损失；二是管壁沿程摩擦阻力损失，两者都是由于流体运动时克服粘性切应力做功引起的。局部阻力损失发生在消声器内收缩、扩张等截面突变的地方，大小取决于局部结构型式、管道直径和气流速度，与消声器截面扩张比有关，即m=S2/S1。沿程阻力损失发生在消声器管道壁面，其大小取决于管壁粗糙度及气流速度V的大小，而管道直径和气流速度是密切相关的，所以管径的选取至关重要。所以，通常排气系统应该尽可能地设计成简单的走向，而避免过度弯曲的形状。 2.2.3 功率损失比
消声器的功率损失比是发动机在标定工况下，使用消声器前后的发动机功率的差值和没有使用消声器时功率值的百分比。
γ＝[（P1－P2）/ P1]×100％
(2.1)
对于γ值，QC/T 631－1999《汽车排气消声器技术条件》规定为<8％，我们一般设定为<5％。 2.2.4 净化效率
根据尾气排放标准的要求，一般要求排气系统对发动机排气的净化率（净化前后排气的污染物HC、CO、NOx 含量之比）要求在90%以上。 2.2.5 加速行驶车外噪声
汽车加速行驶车外噪声需满足现行中华人民共和国的法规规定要求，其具体测量方法和限值见GB1495－2002《汽车加速行使车外噪声限值及测量方法》和QC/T 58－93《汽车加速行使车外噪声测量方法》。汽车加速行使车外噪声是一个整车噪声衡量标准，影响汽车加速行使车外噪声的因素主要有三/四个：发动机本体噪声，进气系统噪声、排
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气系统噪声和车胎-路面摩擦噪声，并且将来车胎-路面摩擦噪声会越来越重要。各系统在满足各自的要求的基础上尽量做到更好的噪声水平。
现行标准规定2005.1月以后生产的M1类汽车加速行驶车外噪声限值是74dB(A)，以下几点要特别说明：
1、M1类汽车如果装用直喷式柴油机，其限值增加1dB(A)
2、对于越野汽车，其最大总质量大于2t，如果额定功率＜150kW，限值增加1dB(A)，如果额定功率≥150kW，限值增加2dB(A)。
3、M1类汽车，变速箱前进档多于四个，P＞140kW，P/GVM＞75kW/t，并且用第三档测试时其尾端出线的速度大于61km/h，其限值增加1dB(A)。
通过噪声在汽车产品开发中非常重要，针对不同的市场，要达到不同的通过噪声标准，所以在产品概念设计阶段就必须要确定通过噪声的目标值。同时还要考虑到未来几年的规定变化，这方面可参照欧美法规，欧共体的标准是最严格的，不远的将来汽车通过噪声标准可能为71dB(A)。 2.2.7 尾管噪声
排气系统尾管噪声是衡量排气系统消声效果的一个主要性能指标。测量方法见图2.2所示。
图2.2 尾管噪声监测方法
2.2.8 定置噪声
定置噪声限值按国标GB16170－1996《汽车定置噪声限制》执行，要求定置噪声≤85dB(A)。试验方法按国标GB14365-93《声学 机动车辆定置噪声测量方法》进行；定置是指车辆不行使，发动机处于空载运转状态，定置噪声可评价、检查机动车辆的排气
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噪声水平，不能表征车辆行使最大噪声级。 2.2.9 振动
排气系统一端与发动机相连，一端通过挂钩与车体相连。发动机的振动传递给排气系统，然后在通过挂钩传给车体。车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给顾客，同时车体的振动也会辐射出去，在车内产生噪声，所以控制传到车体的力是排气系统振动控制的最重要的目标之一。
排气系统的振动源主要有四个：发动机的机械振动、发动机的气流冲击、声波激励和车体的振动，车体的振动传递方向与前面三种相反，车体振动会通过挂钩传递到排气系统，这种传递会逆向传递到发动机，从而加大了发动机的振动。
为了控制排气系统的振动，在进行排气系统设计时要注意以下几点：
（1）要避免与整车固有频率范围重合，应尽量做到差距越大越好，一般地，车身固有频率在25Hz－34Hz之间，因此排气系统振动频率不能设计在这个范围内；
（2）在设计排气系统时，要使得其模态越少越好。如果模态太多，那么系统某些频率很容易被激励起来，振动容易被传递到车体。通常排气系统应该尽可能地设计成一条直线，而尽量避免弯曲的形状；
（3）合理选择挂钩的位置，且挂钩的刚度要满足下面的要求： 支架频率≥发动机最大转速×发动机气缸数目/120；
（4）波纹管和橡胶吊块的设计对排气系统的振动控制至关重要，这部分内容将在第4章节中进行介绍。
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3 排气系统零部件的匹配设计
3.1 所匹配发动机
3.1.1 发动机简介
SQR684V发动机是由奇瑞公司二厂生产线承担制造生产，该生产线主要采用德国Cross-Huller、Heller、Gerhing、Junker、Mauser等世界一流厂家提供的生产设备，Hommel和Marposs提供的量仪和检具。发动机都经过冷试、热试，其性能进行全面检测和存储。从下图的参数表我们可以看到，这款3.0LV6的发动机采用了全铝合金缸体、四凸轮轴和单缸4气门的布置，同时还采用了CBR可控燃烧速率和VVT可变气门正时技术。从技术方面来讲，应该说这款发动机是目前奇瑞在高端发动机上的代表了。 3.1.2 基本参数
本文研究课题所匹配的发动机参数图如图3.1。
汽车排量 整备质量 发动机 标定功率/转速 排气净化 最低耗油率 整车排放 图3.1 动力参数图
1.8L 1500kg 480Q 90kw/6000r/min 三元催化转化器 260g/kw•h 欧Ⅳ 3.2 排气消声器的参数设计
3.2.1 确定消声器的消声量
设计消声器时首要确定降低排气噪声的目标值，即由发动机排气噪声大小、频谱特性和消声器所匹配车辆的噪声标准限值来决定消声器消音量的大小。根据整车噪声限值
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来计算消声器出口噪声限值。假设声源特性属线性声源，声衰减量L为：
L=10lg(R1/R2) (dB) (A) (3.1) 式中：R1——消声器出口处噪音限值点到声源点距离； R2——整车噪声限值测点到声源点距离。
此处要研究的是轻型货车，故车外加速行驶噪声限值La=84dB（A），R1=0.5m（按消声器实验规范），R2=7.5m（按整车噪声实验规范），L=10lg(R1/R2)=10lg（7.5/0.5）=11.6(dB)
消声器出口噪声限值Lm=L+La=95.6（dB）（A）[6]。
轻型车发动机排气声压级为120dB（A），那么消声器的消声量应大于
120-95.6=24.4（dB）（A）
3.2.2 计算消声器的排气流量
进口处排气流量可以通过发动机进气流量Qi公式估算：
Qi=Vd*Smax*Vc/K
式中：Vd——发动机总排量，L； Smax——发动机最高转速，rpm； Vc——充气效率，一般取Vc=0.8。 排气流量计算公式：
Q=(Tb+273) ψQi/(Tδ+273)
式中：Tb——进口处排气温度，一般Tb=300℃； Tδ——进气温度，一般Tδ=25℃； ψ——取0.98。
根据图3.1中给出的该车的发动机参数和经验公式可得：
(3.3) (3.2)
Q=178.6 (L/s) (3.4)
3.2.3 确定消声器的出口气流速度
当气流速度超过一定限值，气流所产生的再生噪声将大大减小消声量。一般控制气流速度的原则是，消声器出口管径应尽量与进气管径一致，不许过小。
表3.1 气流速度为70-80m/s时各频率的减噪量
频率H2 125 250 500 1000 2000 4000
10
减噪量dB
10- 15
18-1 8
30-3 5
35-4 0
40-4 5
30-3 5
由表3.1可知取气流速度为75（m/s）时，再很广泛的频率段内能满足减噪量大于24.4（dB）的要求。
3.2.4 消音器结构参数的选择 1、消声器容积
消声器内部结构通过膨胀腔、干涉腔、共鸣腔及阻性材料实现消声效果，其具体结构型式由厂商依降低排气噪声的目标值（由发动机排气噪声大小、频谱特性、消声器所匹配车辆的噪声标准限值确定）进行设计，整体上消声器容积须有合理取值。消声器容积的计算公式为：
V=Q×n×Vst/1000×.i (3.6)
V——消声器容积； n——发动机转速，r/min； i——缸数； τ——冲程数； Vst——发动机排量；
Q——与消声效果有关的修正系数。 代入数据得消声器容积为29L。
根据厂商提供的实际试验数据，计算如下： 发动机排量 VSt=3.0(L)
主消声器 S1=30(L) (消声器容积尽量取大一些) 排气管器容积 S2=15.3(L)
S1/VSt=10
(S1+S2)/VSt=15.1 (3.7)
上述比值均在合理范围内，容积匹配可行。 2、消声器扩张比
消声器截面积与消声器进口截面积之比称为扩张比（M）。对消声器插入损失要求越高，扩张比选择值越大， 扩张比M的选择如下表（3.2）所示。
表3.2 各车型扩张比选择范围表
11
车型 M
重型车 6～7
中型车 9～10
轻型车、轿车 12～15
由于研究的车型是轻型货车，故选择扩张比在12~15范围内选取，根据上文得该车队消声器插入损失的要求较高故初选扩张比为M=14。 3、消声器进口直径
当气流速度超过一定限值，气流产生的再生噪声将大大减小消声量，应尽量使消声器进出管直径一致，气体流速应小于75m/s。
Di=1.27×103×Q/V(mm) (3.8)
式中：Q——为进口处排气流量，L/s；
V——为允许最大气流流速，m/s。
当Q选定为178.6（L/s）时D约为59mm，因此进口直径应大于59mm。 在此选择管径为Di=64mm。 4、消声器直径
当扩张比M、消声器进口直径Di确定后，可根据扩张比定义，直接计算出圆形消声器直径Dm：
Dm=Di•M1/2
由上文中给出的M、Di值可得出Dm=270mm。 5、消声器长度
已知Dm=270mm，消声器容积V=30L，由公式：
L=1.27*106*V/Dm
得： L=614mm。 6、消声器类型和级数确定
对于轻型汽车，选择单级抗性消声器，外壳多采用双层钢板，管道用柔性金属波纹管连接，以减振，本文研究的车辆为轻型货车，对于上文计算得出的初步设计数据而言，从结构空间上考虑布置为单级消声器比较合理。 7、消声器总成设计
消声器一般要求有大的消声量和消声频率范围，小的排气阻力(即排气背压)和良好的耐久性（3年或者10万公里无异常）。
（1）消声器的截面形状
消声器的截面形状尽量避免扁平状，并尽可能往圆形靠近，其设计方案的选择如图
（3.9）
12
3.2所示的规则。
图3.2 消声器截面方案
根据上图可知我们选择第一种方案。 （2）消声器的内部结构
按消声器的消声机理，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器阻性消声器是利用在管道内适当的布置吸声材料，部分的吸收管道中传播的声能，类似电路中的电阻的作用。这类消声器的特性是在中、高频范围内有良好的消声效果。
抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道或共振腔内发生反射或干涉，从而降低所输出的声能。抗性消声器的消声频带较窄，在中、低频消声效果较好，高频较差。
阻抗复合型消声器是将阻性和抗性消声器结合起来，故从低频到高频都有较好的消声效果[7]。
目前的汽车消声器的设计中，主要结构采用抗性消声原理，而在其中某些结构则采用阻性原理。典型如图3.3所示。
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图3.3 消声器内部结构
3.3 系统布置
3.3.1 布置原则
对一个完整的排气系统，从前到后，一般布置次序是：预催化器、补偿器（波纹管）、主催化器、前消声器、后消声器。
排气管用于连接以上不同部件。排气管分段以及连接方式主要根据安装和维修方便确定。
如果补偿器采用球面法兰，一般不把球面法兰布置在催化器之前。
对于满足欧Ⅱ及以下排放标准的排气系统，由于欧Ⅱ标准不涉及冷启动阶段的排放限制，所以一般可不采用预催化器而只采用一个主催化器。对于满足欧Ⅲ及以上排放标准的排气系统，一般在排气歧管出口处布置预催化器（即CCC，Closed Couple Catalyst）或者在预催化器前的排气管段采取良好的保温措施。主催化器一般布置在车身底板下，所以又叫底板下催化器（Under Floor Catalyst）。
消声器有一级、二级、三级之分。二级消声应用最多，SUV、跑车等追求动力性的车辆一般才采用一级消声器。对于二级消声，我们将其分别称为前消声器和后消声器。根据声学原理，消声器摆放在不同的位置，将产生不同的消声效果，一般地，推荐如下的消声器摆放位置如图3.4所示。
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图3.4 推荐消声器摆放位置
3.3.2 间隙要求
各相邻部件耐温在150℃以下的越远离排气系统越好，相对产生运动部件最少保证与排气系统的间隙大于25mm。
排气系统与周围零部件间隙要求如图3.5所示。
图3.5 排气系统与周围零部件间隙要求
3.3.3 吊钩位置的选取
排气系统吊钩位置的选择遵循以下原则： 1)吊钩应该位于振动的节点上； 2)吊钩应该在纵向能够延伸； 3)吊耳应该位于车身结构的刚性处。
对于排气系统吊钩位置的选取必须借助CAE分析来进行，首先对排气系统进行各
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阶模态分析如图3.6中所示来确定排气系统上的最佳吊钩位置，根据此位置来确定车身吊钩位置，并增加车身吊钩位置处的刚性。
图3.6 部分振型示意图
3.4 补偿器
补偿装置是排气系统减振降噪，延长使用寿命的重要部件，常见的补偿器有波纹管和球形连接两种形式。本毕业设计选用波纹管。
波纹管是一种挠性、薄壁、有横向波纹的具有伸缩功能的器件，它由金属波纹管与构件组成。波纹管补偿器的工作原理主要是利用自身的弹性变形功能，补偿管道由于热变形、机械变形和各种机械振动而产生的轴向、角向、侧向及其组合位移，补偿的作用具有耐压、密封、耐腐蚀、耐温度、耐冲击、减振降噪的功能，起到降低管道变形和提高管道使用寿命的作用。
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波纹管的悬挂系统分为断耦式和半断耦式两种。断耦式采用柔性极高的波纹管（如采用0.25mm/层×2层的波纹管结构或者波纹管相当长）将发动机与排气系统的振动和晃动完全阻隔开。断耦式的波纹管不起承载作用，所以波纹管后段的排气系统需设计前后左右上下六方向位移皆有极好限制作用的悬挂。半断耦式采用强度较大的承载式波纹管（如采用0.4mm/层×2或3层的波纹管结构），发动机的振动和晃动有部分传递到排气系统。采用半断耦式的排气系统，吊环一般设计的偏软，并且对前后位移的限制作用不是很明显。通过比较，选择波纹管悬挂系统为断耦式
典型的波纹管如图3.7所示。
图3.7 典型的波纹管
波纹管的主要技术参数主要有：压力、温度、补偿量、刚度、使用寿命、工作介质、连接形式。由于波纹管的设计过程过于专业，这里不对波纹管设计做过多说明，实际设计工作中，波纹管的参数在供应商介入之后由供应商提供。
3.5 催化器转化器
催化转化器的选择一般个分为单级，二级或多级，对于该车的排量，为了使排放达到标准所以决定用二级催化转化器。根据经验分析催化转化器的入口设计成喇叭口形状，这样既能使入口端气流流动更均匀，又能减小整个排气管路的排气背压，减小发动机的功耗。催化转化器的入口形状，如图3.8所示。
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图3.8催化器入口形状
3.6 橡胶吊环
图3.9所示为汽车排气系统常用橡胶吊环。
图3.9 汽车排气系统常用橡胶吊环
橡胶吊环有如下作用：
将排气系统与车身相连尽可能的将排气系统的振动隔离，使之尽可能少的传递到车身上。鉴于此，一般地，橡胶吊环采用材料为EPDM,其特性选择见表3.3。
表3.3 橡胶吊环采用材料的特性选择
振动条件 方向 静态弹性系数 弹性动态系数 Z 8.6 1W0.05mm X 1.6 Y 2.4 Z 8.6 1W0.40mm X 1.6 Y 2.4 见附图3.10和3.11 18
图3.10 振动条件1W0.40mm
图3.11 振动条件1W0.05mm
3.7 排气系统材料选择标准与连接方式
3.7.1 排气系统材料选择
排气管路材料热端零件重点要求高温性能，如高温氧化、腐蚀、疲劳性能；冷端零件主要要求耐尾气冷凝液腐蚀性能。随着汽车排放法规日益严格，为改善催化效率，降
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低排放，不断地提高发动机排气温度，排气歧管工作温度由750～800℃提高到900～950℃，甚至更高，为提高燃油经济性，也需减轻车重，排气管路由镀铝钢板及卷管转换为耐热、重量更轻的不锈钢。
不锈钢分为铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢，排气系统80%采用的是铁素体不锈钢。两者区别在于：铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢生产成本低、线膨胀系数小和导热系数大，以及更优良的耐高温性能。
排气管路采用不锈钢的种类应根据零部件工作条件。 一般来说，排气管路选择的不锈钢牌号见表3.4所示。
表3.4 排气管路零部件的材料选择表
零部件名称 排气岐管 前管 催化转化器 中管 消声器 尾管
铁素体不锈钢
441 409，441 409，441 409，430Ti 409，430Ti，434，436
409，430Ti
奥氏体不锈钢
304，308 304，321 304，308Si
304 304 304
排气密封垫材料：多为耐高温石棉板或者多层耐热金属衬垫。 排气波纹管材料：耐高低温、力学、化学等应变，化学腐蚀等。 3.7.2 排气管路连接方式
排气管路连接方式应以结构简单，布置、制造、安装和维修方便，重量轻、成本低，有足够的结构刚度，密封性好为原则。
排气管路连接方式可以采用平面双孔（或三孔）法兰、平面密封垫片或凹坑加平面密封圈的方式，也可以采用球面或锥面密封，用单侧活动法兰等结构。
常用的连接方式有：法兰连接，插入式卡箍连接，止口连接。见图3.12所示： 止口式通常是用来连接增压器，插入式通常用在消声器的进出口连接，法兰式的连接使用比较广泛，可以用在真个管路的任何地方，而且连接的强度和可靠程度比其他两种连接都要高。插入式连接应该顺着气流方向，采用小管插入大管的方式，且管子内外径为等直径为宜，内外径之差不应大于1mm。法兰连接中两法兰之间必须使用密封垫来密封，另外法兰连接也可以做成活动式的。
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同时由于排气系的工作温差大，紧固力易下降，所以初始轴向力的设定是重要的。排气管螺栓布置原则首先要保证密封性，另一方面要允许法兰面相对滑移。一般采用双螺母或锁片锁紧。
为减小发动机的振动对排气系统的影响和管道连接时的精度要求，可以在管道中采用金属编织层波纹软管及柔性管件。
图3.12 排气管路常用的连接方式
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4 排气系统零部件的逆向建模
4.1 排气系统建模软件介绍
CATIA是法国达索飞机公司在70年代开发的高档CAD/CAM软件，是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。CATIA是英文Computer AidedTri- Dimensional Interactive Application（计算机辅助三维交互式应用） 的缩写。目前在中国由IBM公司代理销售。
CATIA的产品开发商Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业，成立于1981年。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。而如今其在CAD/CAE/CAM以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。雇员人数由20人发展到2，000多人。
CATIA是CAD/CAE/CAM一体化软件，位居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户在使用共13万套以上的CATIA为其工作，大到飞机、载人飞船和汽车，小到螺丝钉和钓鱼杆，CATIA可以根据不同规模、不同应用定制完全适合本企业的解决方案。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括在世界制造业中具有举足轻重的地位一大批知名企业，如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等。在中国，CATIA也得到了广泛的应用。哈尔滨、沈阳、西安、成都、景德镇、上海、贵阳等都选用CATIA做为其核心设计软件。包括一汽集团、一汽大众、沈阳金杯、上海大众、北京吉普、武汉神龙在内的许多汽车公司都选用CATIA开发他们的新车型。
CATIA应用的几个主要项目例如波音777，737等均成功地用100%数字模型无纸加工完成。波音飞机公司还使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。在汽车行业使用的所有商用CAD/CAM软件中，CATIA已占到了60%以上。CATIA在造型风格，车身及引擎设计等具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了广泛的支持。CATIA
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在摩托车行业的应用也非常普及，包括Honda、BMW、Suzuki在内的许多国际知名的摩托车厂家使用CATIA作为他们的新车型的开发平台。CATIA的电子样机设计环境使得摩托车厂家能够快速及时的响应和满足客户的需求，向市场推出各种型号的摩托车，满足不同消费层次。
从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX 平台，V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。CATIA软件运行在工作站的版本系列为4版本，由于其许多造型工具能利用不同的方法实现类似的造型效果，使用户必须在严格掌握各种工具的细微差别的基础上才能正确的选择。所以对于工作站版本，往往需要专业的培训才能掌握。达索公司也通过推出一些更专业的软件包方便用户使用。
令人高兴的是现在达索公司推出了CATIA V5版本，该版本能够运行于多种平台，特别是微机平台。这不仅使用户能够节省大量的硬件成本，而且其友好的用户界面，使用户更容易使用。为了使软件能够易学易用，Dassault System 于1994年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。从CATIA软件的发展，我们可以发现现在的CAD/CAM软件更多的向智能化、支持数字化制造企业和产品的整个生命周期的方向发展 [8]。
4.2 排气系统消声器建模
根据第二章节的消声器参数设计，结合奥杰公司的建模规范开始进行排气消声器的建模工作。
由上文可知计算设定的消声器进气口直径为64mm，故建模型如图4.1所示。 初步设定的排气消声器出口直径为55mm，如图4.2所示。
由上文分析计算得出的消声器参数为：L=614m、Dm=270mm，选择消声器外形为椭圆形可建出三维数模如图4.3所示。
由供应商介入后提供的参数建模后得出催化器的三维数模如图4.4所示。 建立好排气系统总成件之后开始设计布置管路，基于上文的管路布置原则得到的总成图如图4.5所示。
整个排气管路总成由焊接，螺栓连接而成。
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图4.1 消声器进口直径
图4.2 消声器出口直径
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图4.3 消声器模型
图4.4 催化器模型
图4.5 排气管路模型
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5 排气系统参数分析
5.1 分析软件简介——GT-POWER
GT-POWER是发动机工作过程模拟计算软件,功能和AVL BOOST相似,例如作一个多缸增压柴油机的计算。GT-power是一款由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真工具，现在被世界上大多数发动机和汽车制造厂家及供应商使用。 GT-Power是GT-Suite系列软件中的一部分，涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六个方面。该软件采用有限体积法进行流体的计算，计算步长自动可调，有强大的辅助建模前处理工具，自带有丰富的燃烧模型，具有丰富的控制功能，能与SIMULINK进行耦合求解，能与三维的CFD软件进行耦合计算，自带有优化设计功能，能进行直接优化、DOE设计/优化，能进行进、排气系统噪音分析，能对进、排气系统的消音元件进行优化设计[9]。
GT-POWER功能很强大,但对专业背景要求高一些,要求设置一些较为深入的参数.比如,它的涡轮增压器模型就挺复杂,通常做发动机工作过程计算时对涡轮增压器只要知道总效率、当量面积、流量系数，采用喷管模型就可以了，而GT-Power中没有简单的喷管模型，一定要给出涡轮、压气机各个曲线[10]。
5.2 排气系统传递损失分析
5.2.1 借助GT对消声器建模
借助GT-POWER软件来对排气系统消声器进行插入损失分析，首先要在GEM3D模块内进行三维建模。建完的三维模型如图5.1所示。
根据上文中消声器内部结构介绍的参考，做出GT消声器三维模型，根据研究的排气消声器的CATIA建模参考得如上图，进气由一个60mm直径的管路导入，出口由两个60mm直径的管路导出。考虑到消声器的抗性消音效果，决定直接将导入管路的端点设在消声器的中间空腔部位，导入管路由一块带孔的薄板焊接支撑；出口处也由一块带孔的薄板来支撑导出管路，考虑到消声器的阻性消音效果，决定在第一块挡板到前端面之间的空腔内填充消音材料，在出口管上包裹消音材料。这样不管在低频范围内，还是在中高频范围内都能起到很好的消音效果。
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图5.1 消声器模型
5.2.2 消声器传递损失分析
建模完成后，我们将模型集成为二维模块的消声器概括图。集成之后的二维图如图5.2所示。
图5.2 消声器GT二维模型
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再导入GTise中进行传递损失分析，分析结果如图5.3所示。
图5.3 消声器传递损失分析模型
根据以上分析步骤得出的分析结果如图5.4所示。
图5.4 传递损失分析结果
由上图的分析结果可知，设计的排气系统消声器在低频段和中高频段很大范围内都能使达到很好的消音效果，故这样设计消声器的内部结构比较合理。
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5.3 排气系统插入损失分析
排气系统插入损失的分析主要是针对整段排气管路，由上文可知该文研究的是6缸发动机，故将5.2中的排气消声器模型导入GT-POWER中的6缸发动机排气插入损失模型中，对该排气系统进行排气系统插入损失分析。 5.3.1 带等长度直管排气口声压级分析模型
等长度直管排气口声压级的分析模型导入后如图5.5所示。
图5.5 等长度直管排气口声压级分析模型
根据上文提供的数据设置直管的参数长度为610mm，直径为60mm，运行“start simulation”，输出结果，如图5.6所示。
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图5.6 等长度直管排气口声压级分析结果
5.3.2 带消声器排气口声压级分析模型
带消声器排气口声压级分析模型导入后如图5.7所示。
图5.7 带消声器模型的排气口声压级模型
将排气消声器模型导入上图模型中，运行“start simulation”，输出结果如图5.8所示。
图5.8 带消声器模型的排气口声压级分析结果
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5.3.3 插入损失（TL）分析
分析出以上两种数据之后我们将其进行对比分析，起两者结果的差值(带消声器模型的排气口声压级-等长度直管的排气口声压级=插入损失)就是我们所要的插入损失。故经比较如图5.9所示，最后得到的差值如图5.10所示。
图5.9 两条件下试验数据比较
图5.10 排气系统插入损失
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根据上图可知，该排气管路在中、高、低频上都有比较均匀的声压差值，即其在广泛的频率范围内都有很好的消音效果，故以上设计的模型比较符合要求。
5.4 排气系统尾管噪音分析
现今社会噪音污染在人们的日常生活中显得日益突兀，为了使汽车的排放达到标准，排气系统尾管噪音也被纳入了排气系统评定指标。
要对排气系统进行分析首先得把上文中集成好的排气消声器模型导入到GT排气系统尾管噪音分析的模型中。如图5.11所示。
图5.11 排气系统尾管噪声分析模型
将消声器的GT模型导入上图的模型中分析出尾管噪声，如下图5.12所示。
图5.12 排气系统尾管噪声分析结果
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根据上图可知红线的值为95.6dB（改限值在3.1中有介绍）只有很少一段频率内超过该限值故改排气系统的设计能满足要求。
5.5 排气系统压力损失分析
把5.2中建好的排气系统模型导入到分析排气系统压力损失的分析模型中，如图5.13所示。
图5.13 排气系统压力损失分析模型
带入图5.13中的模型中，得到以下的数据，如图5.14所示。
图5.14 排气系统压力损失分析结果
根据以上分析结果可知，压力阻力在整个试验频率范围内都小于0.55bar，所以该排气系统的设计符合要求。
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总 结
通过本次毕业设计我收获颇丰，从专业知识上来看，我对排气系统的匹配设计的了解更深入。了解到设计排气系统应该注意的指标——排气系统的传递损失、插入损失、排气尾管噪声。并且在对消声器的设计中我学习到了一个消声器消音效果的好坏主要取决与这个消声器的阻性消音效果和抗性消音效果，从这两方面去考虑设计消声器就很好的来完成设计并且能使设计结果达到设计指标。
再从软件方面来看，在学校中学习的CATIA软件在这次毕业设计中起到了很大的作用。在本次毕业设计中加固了我队CATIA软件的了解和操作能力，对CATIA的很多模块的使用有个质的进步。而且在对排气管路的建模过程中学习了很多管路及钣金的加工工艺技术，知道如何来布置设计管路，如何设计钣金的冲压参数。
本次学习中还接触了一个我以前从未接触的软件——GT-POWER。在对后期的排气管路分析中学会使用该软件，这是我首次接触的对声学及流体学的分析软件。在软件的学习过程中学会使用该软件建立排气系统消声器的三维模型，学会了如何导入建好的三维模型来进行排气传递损失、插入损失及排气尾管噪声分析。并且能对该软件处理之后的数据来进行评定，确定设计的排气管路是否达到标准。
总之，在此次毕业设计过程中，对排气系统匹配设计的专业知识和三维建模软件及分析软件的了解和使用能力有了根本上的提升。
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致 谢
本论文是我在苏州奥杰汽车技术有限公司孙传涛及苏永华工程师的悉心指导以及校内戴超老师的教导下完成的。
历时三个月的毕业设计的完成让我感觉到受益匪浅，因为它不仅是在对以前所学知识的一次大阅兵，更是扎实补充回顾所学科目的一次好机会。利用这次毕业设计，我重新认真学习了汽车构造，虽然排放系统只是汽车构造中的一个章节，但是想要深入学习来完成这篇论文的确不容易。在此感谢孙传涛工程师所提供的论文设计意见和苏永华工程师提供的排气系统设计规范及GT-POWER的教学资料及教学指导，由于有了孙传涛工程师和苏永华工程师的指导，我才能在排气系统匹配中有了自己的方向。其次、排气系统是与发动机匹配的重要系统，由于国内技术有限，国内暂时还无法在修改发动机构造的基础上来最根本地减少噪声的产生，这也给毕业设计的研究加大了难度。在此我也得特别感谢校内的戴超老师给我的毕业设计的精心指导和耐心帮助。
在此我还得感谢奥杰人力资源部，在我们在奥杰培训实习期间由于有了人力资源部对培训及实习计划的有效安排，我们才能一边接受公司的项目任务，一边能常常与自己的指导老师联系，接受指导。
当然，这次论文得以顺利完成，要感谢我的导师戴超老师在我做毕业设计期间对我的精心指导和耐心帮助。
同时我也得感谢自己的父母给了我来之不易的求学机会以及所有帮助我的人。
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参考文献
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