1、洛阳理工学院毕业设计（论文）I毕业设计论文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
2、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，消声器设计洛阳理工学院毕业设计（论文）IIAnalysis and design of the exhaust systemABSTRACTAlong with the city vehicle increasing, noise pollution has seriously disrupt peoples lives .Automobile exhaust noise is o
3、ne of the main noise source of automobile, and the automobile exhaust system performance determines the exhaust noise level. Therefore, a good set of exhaust system with a muffler is better for reducing engine exhaust noise effectively, so the exhaust system muffler design is being paid more and mor
4、e attention.In this paper, based on the comprehensive analysis of the automotive exhaust system, the exhaust system performance, but also on the muffler and exhaust system design method. Establishment of the exhaust system analysis model, using finite element analysis software for automotive exhaust
5、 system characteristics of sound field calculation, system field distribution, summarizes the structure parameters and the perforated tube muffler performance influence .The results of simulation analysis on exhaust performance of the whole system has important guiding significance for optimization.
6、 Through research and analysis, summed up the development of exhaust muffler design process, typical anechoic structure calculation method as well as the exhaust system design methods and process development for the next step, which can be used for exhaust muffler design and performance prediction o
7、f software provides important basis.KEY WORDS: Automotive， exhaust systems, acoustic analysis, Noise Control， the design of muffler洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 绪论 .3.1.1 汽车排气系统的国内外研究状况.31.2 本课题的主要研究目的与内容.4第 2 章 汽车排气系统理论基础 .62.1 汽车排气系统理论.62.1.1 汽车排气系统的基本要求 .62.1.2 汽车排气系统的结构组成及其功能 .62.1.3 汽车排气系统设计中
8、的材料分析及其选择 .92.2 汽车排气系统的声学分析.112.2.1 排气系统噪声发生机理 .112.2.2 影响排气噪声的主要因素 .122.2.3 降低排气噪声的主要方法 .13第 3 章 汽车排气系统消声器的开发设计 .153.1 消声器的基础理论.153.2 汽车排气消声器分析设计方法.163.2.1 排气噪声的频率特性 .163.2.2 消声器的设计指标的确定 .173.3 消声器结构的确定.183.3.1 消声器的结构类型的确定 .183.3.2 排气消声器进、出气管内径 1d、 2的确定 .183.3.3 消声器容积及截面形状的确定 .193.3.4 消声器外形尺寸 L 和 D
9、 以及消声器腔数 n 的确定 .213.3.5 消声器各腔长度 il的确定 .223.3.6 消声器穿孔管扩张腔结构参数确定 .233.3.7 消声器内各腔连接的确定 .243.4 消声器声学性能分析方法.243.4.1 一维平面波理论分析 .25洛阳理工学院毕业设计（论文）IV3.4.2 三维数值仿真分析方法 .253.5 消声器空气动力性分析计算.273.6 消声器的改进设计.29第 4 章 汽车排气系统消声器的设计 .304.1 消声器结构基本参数的确定.304.1.1 排气消声器进、出气管内径 1d、 2的确定 .304.1.2 消声器容积及截面形状的确定 .304.1.3 消声器外形
10、尺寸 L 和 D 以及消声器腔数 n 的确定 .304.1.4 消声器各腔长度的确定 .314.1.5 消声器结构参数确定结果 .324.1.6 内插管布置方式及长度确定 .334.2 消声器结构模型的建立.334.3 消声器最终结构的确定.34结 论 .35谢 辞 .36参考文献 .37洛阳理工学院毕业设计（论文）1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
11、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 1015dB。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
12、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
13、)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。洛阳理工学院毕业设计（论文）2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。洛阳理工学院毕业设计（论文）3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
14、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。
15、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
16、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洛阳理工学院毕业设计（论文）4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
17、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
18、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
19、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。洛阳理工学院毕业设计（论文）54）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。洛阳理工学院毕业设计（论文）6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
20、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。
