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目錄 目 錄 摘 要 Ⅲ Abstract Ⅳ 1 概 述 1 1.1 畢業(yè)設計的任務及要求 1 1.2 本課題研究的背景和意義 1 1.3 本課題研究的內容和手段 2 1.4 本章小結 2 2 汽車排氣系統(tǒng)理論基礎 3 2.1 汽車排氣系統(tǒng)的設計要求 3 2.2 汽車排氣系統(tǒng)的結構及其功能 3 2.3 汽車排氣系統(tǒng)設計材料的選擇 6 2.4 本章小結 7 3 汽車排氣系統(tǒng)聲學分析 8 3.1 汽車排氣系統(tǒng)噪聲原理 8 3.2 影響汽車排氣系統(tǒng)噪聲的因素 8 3.3 降低噪聲的主要方法 8 3.4 本章小結 9 4 汽車排氣系統(tǒng)消聲器的設計 10 4.1 消聲器的基本原理 10 4.2 消聲器的基本指標 10 4.3 消聲器進口直徑的確定 11 4.4 消聲器長度的確定 12 4.5 消聲器內部結構的確定 12 4.6 本章小結 13 5 排氣系統(tǒng)的計算與布置 14 5.1 布置排氣系統(tǒng)的基本原則 14 5.2 計算排氣管的最小管徑 15 5.3 排氣系統(tǒng)懸掛方式的確定 16 5.4 排氣系統(tǒng)轉化器的確定 18 5.5 本章小結 18 6 消聲器結構的三維建模 19 6.1 Catia軟件簡介 19 6.2 利用Caita建立消聲器的三維模型 20 6.3 本章小結 23 7 主要零件及裝配圖的繪制 24 7.1 AutoCAD軟件簡介 24 7.2 主要零部件的繪制 24 7.3 本章小結 26 8 總結 27 參考文獻 28 II 摘要 轎車排氣系統(tǒng)設計 摘要 本文針對中型轎車設計了一款排氣系統(tǒng)，首先對排氣系統(tǒng)的理論基礎和聲學原理進行分析，確定了基本的結構材料以及布置原則。再根據初始參數，通過查詢相關資料計算了排氣系統(tǒng)消聲器的進口直徑、長度、排氣流量等數據，確定了消聲器的結構。隨后通過對布置原則的分析，確定了排氣管徑的長度以及各結構的懸掛方式和連接方式，滿足各項使用要求。最后采用CATIA繪制了消聲器結構以及排氣系統(tǒng)總成結構的三維數模，采用AutoCAD軟件繪制了消聲器結構圖以及排氣系統(tǒng)裝配圖。 關鍵詞：排氣系統(tǒng)；消聲器；懸掛方式 IV Abstract Design of car exhaust system Abstract In this paper, an exhaust system is designed for a medium-sized sedan. First, the theoretical basis and acoustic principle of the exhaust system are analyzed, the basic structure material and the layout principle are determined. According to the initial parameters, the data of the inlet diameter, length and discharge flow of the exhaust system muffler are calculated by inquiring the related data, and the structure of the muffler is determined. Subsequently, through the analysis of the layout principle, the length of the exhaust pipe diameter and the suspension mode and connection mode of each structure are determined to meet the requirements of various applications. Finally, the structure of the muffler and the three-dimensional numerical model of the assembly of the exhaust system are drawn with CATIA. The assembly of the muffler and the assembly of the exhaust system are drawn by the AutoCAD software. Key words: Exhaust system; the muffler; the suspension 第1章 概述 1 概 述 1.1 畢業(yè)設計的任務及要求 社會的發(fā)展使得人們對環(huán)保的重視程度越來越高，在這之中，最為受廣大民眾關注的莫過于汽車的排放問題，因此，排氣系統(tǒng)在現如今的車輛組成和設計中占有的地位已經越來越高。 排氣系統(tǒng)的主要作用是排出發(fā)動機產生的廢氣，降低噪聲以及輔助制動。設計高消聲性能，低壓力損失的排氣系統(tǒng)是當今研究轎車排氣系統(tǒng)的一個重要課題。 在畢業(yè)設計的過程中，應保持嚴肅的態(tài)度，嚴謹的作風，以認真求實的標準嚴格要求自己，合理運用汽車設計、汽車理論等相關專業(yè)知識來完成本次畢業(yè)設計。我們需要能夠就研究過程和結果撰寫符合要求的論文。按時參加答辯，答辯前各項規(guī)定的資料要完整齊全，在答辯的過程中，運用培養(yǎng)的邏輯思維與形象思維相結合的文字及口頭表達能力，充分理解，掌握本次設計。 1.2 本課題研究的背景和意義 現如今，隨著國民經濟的快速發(fā)展，廣大普通民眾的生活質量水平都得到了顯著的提高，最為可見的就是每天在馬路上越來越多的轟鳴聲，但是，也正是由于汽車數量的增多，由此帶來的尾氣排放以及噪聲污染問題已經成為了影響人們安居樂業(yè)正常生活的一大公害。特別是在一些人口密集的沿海大城市，不僅汽車的數量越來越多，汽車的品質也得到了飛速的提高，車速越來越快，使用的功率越來越強，空氣污染和噪聲污染已經充斥了城市的每一個角落。 發(fā)動機作為所有汽車不可或缺的一部分，它通過對燃料的燃燒來提供動力，使車輛能夠滿足人們日常生活的需要，又快又方便。但是，在對燃料進行燃燒的過程中，會產生大量的有害尾氣，包括一氧化碳、可吸入顆粒物等等等等，不僅對大氣造成了污染，更會對每個居民的身體造成嚴重的危害，甚至危及生命。 動力。但是，在對燃料進行燃燒的過程中，會產生大量的有害尾氣，包含一氧化碳，可吸入顆粒物等等等等，不僅會對大氣造成污染，更會對廣大居民的身體造成嚴重的危害，甚至危及生命。 也正因此，到目前為止，世界上各個主要國家都已經制定了相關的排放法規(guī)和標準。與此同時，不僅僅是市場上，工業(yè)上也對尾氣污染和噪聲污染的要求越來越高。我國早在GB19352.3——2005中就已經明確指出了我國對排氣污染的具體限值。在上個世紀九十年代初，還被稱為歐洲共同體的歐盟就中型客車的行駛噪聲限值作出了明確的規(guī)定，規(guī)定該限值不能超過80dB，日本也在那時做出規(guī)定該限值為83dB，歐共體之外的歐洲國家譬如瑞典也規(guī)定該限值為80dB，而中國為了適應國情以及發(fā)展的需要，于當時規(guī)定的限值為86dB。好在近年來，我國已經就車輛的行駛噪聲限值等等一系列噪聲標準做出了新的規(guī)定。國家環(huán)?？偩钟?002年的1月就汽車噪聲控制發(fā)布了新的法規(guī)標準GB1495-2002，在該規(guī)定中，明確闡明了普通車輛在行駛時，車外最大噪聲級別不允許超過74dB。 人類文明社會的發(fā)展必然離不開環(huán)保這個話題，無關乎何種發(fā)展方式，也無關乎哪一類發(fā)展技術，只要是地球上的一份子，就必須受這個話題所牽絆。也因此，在人們越來越重視環(huán)保的今天，如何使得自己生產出來的車子更加清潔，更加節(jié)能，更加環(huán)保更加無污染已經成為了當今汽車技術行業(yè)的首要任務。但是，汽車技術在環(huán)保方面能夠做出的主要改善無關乎兩點：一是使用更加無污染更加清潔的能源，從源頭上解決污染的問題；二就是本次畢業(yè)設計所研究的課題，如何通過對排氣系統(tǒng)的設計與分析在后期解決污染的問題。至少在目前看來，清潔能源技術的開發(fā)還在進行中，使用方式尚未完善，因此，在這個大問題的前提下，我們只能通過對汽車的排氣系統(tǒng)設計進行優(yōu)化從而更好的降低汽車污染物的排放以及環(huán)境中噪音的污染。 1.3 本課題研究的內容和手段 本課題是針對發(fā)動機排氣系統(tǒng)的分析與設計，首先需要對排氣系統(tǒng)進行一個總體設計，其次對排氣系統(tǒng)的噪聲原理進行分析，進而設計排氣管與消聲器。隨后需要確定催化轉換器以及排氣尾管，在設計的過程中，同時需要確定排氣系統(tǒng)的布置方式以及懸掛方式，最后繪制消聲器等主要部件的設計圖，并進行三維建模。主要的手段是根據已確定的相關設計參數計算發(fā)動機的進氣流量、排氣流量等必要數據，其次對相關主要元件進行設計計算，再根據設計原則合理布置排氣系統(tǒng)及選取吊鉤位置，最后根據設計的結果繪制排氣系統(tǒng)的零部件圖和裝配圖。 以某普通轎車為例，以下是已確定的相關設計參數： 表1.1 某型號轎車基本參數 配置 參數 排量 1.6L 整備質量 1241kg 發(fā)動機型號 G4FC 最大功率 90.4kW 最大功率轉速 6300rpm 缸數 4 發(fā)動機進氣溫度 300℃ 發(fā)動機排氣溫度 25℃ 最高車速 180km/h 1.4 本章小結 在本章中，主要闡述了本次畢業(yè)設計的任務和要求，以嚴肅的態(tài)度，嚴謹的作風，嚴格的要求認真求實的完成本次畢業(yè)設計。隨后闡述了該研究的背景和意義，明確了研究的方法和手段，并將其細化到每個步驟中，確定了每個階段所要完成的工作以及任務。最后，采用了某型號轎車的基本參數作為本次的研究數據。 3 第2章 汽車排氣系統(tǒng)分析 2 汽車排氣系統(tǒng)分析 2.1 汽車排氣系統(tǒng)的設計要求 汽車排氣系統(tǒng)的主要作用無非三點：一是排出發(fā)動機的廢氣；二是在此基礎上，通過排氣系統(tǒng)降低發(fā)動機產生的噪聲；三是在前兩者的基礎上，對發(fā)動機起到一定的輔助制動的功能。排氣系統(tǒng)的設計與汽車本身的許多性能有關，不僅如此，設計出一個好的排氣系統(tǒng)，更能夠提高汽車的動力性和安全性，在一定程度上對汽車的舒適性、美觀性以及使用壽命等等方面都有一定的影響。 在設計汽車排氣系統(tǒng)時首先需要意識到的一個問題就是，排氣系統(tǒng)本身也是一個非常復雜的聲學系統(tǒng)，發(fā)動機在運行時會排出廢氣，而排出廢氣的這個過程會產生非常強烈的噪音，這樣的噪音通常情況下會覆蓋從200Hz到2000Hz的頻率范圍，可以說是非常巨大了，因此，無論我們采用何種研究方式，何種研究途徑來研究排氣系統(tǒng)，聲學分析是一個繞不開的問題，這其中最為關鍵的就是如果使設計出來的排氣系統(tǒng)具有合理的降噪功能。 通過對諸多資料的查閱我們可以得知的是，許多廠家往往會采用具有主、副兩個帶有多個擴張腔和共振腔的消聲器的形式來降低噪音。當然，不可避免的是在我們的日常生活中，也往往會遇到某些極端情況，這這些情況下往往會對車輛所產生的噪音要求非?？量?，因此，我們通常采用安裝更多的消聲器的方法來完成降噪。 除此之外，汽車的排氣系統(tǒng)不僅僅是一個復雜的聲學系統(tǒng)，更是一個自由度極高的振動系統(tǒng)。因為我們可以看到的是，排氣系統(tǒng)的振動輸入源不僅包括了車輛在正常行駛時由于發(fā)動機燃料的燃燒所產生的振動，還包括匯集了路面通過懸架輸入的激勵以及傳動系統(tǒng)沖擊及扭振激勵等車架向排氣系統(tǒng)輸入的振動。 在我們的日常生活中，汽車還會遇到各種各樣的情況，其實可以解釋為車輛在不同工況的情況下，如何通過對排氣系統(tǒng)的研究，使得其不會因為受到發(fā)動機和車架傳遞過來的沖擊而造成結構上的損壞。例如起步和制動時，都會出現上文所提到的情況，更為嚴重的是，普通的車輛往往是處于這些不同的工況相互交替出現的情況下，也因此對排氣系統(tǒng)的損壞更為嚴重。因此，通過查閱相關資料，我們可以得知在設計排氣系統(tǒng)時，除了基本必需的結構部件外，還需要增設一套懸掛系統(tǒng)來降低沖擊。在不斷的設計研究過程中，人們還發(fā)現了可以在催化轉化器附近增設一段波紋管來達到隔離發(fā)動機周期性激勵的效果。 由此可見，研究設計一個性能良好的排氣系統(tǒng)，對于整個車輛的整體性能提升都有著至關重要的意義。我們在設計過程中，應當以這一點為基本目標，降低各項風險，設計出性能優(yōu)良的排氣系統(tǒng)。 2.2 汽車排氣系統(tǒng)的結構及其功能 排氣系統(tǒng)包括排氣管、催化轉換器、消聲器、排氣尾管、懸掛裝置等。由前文可知，排氣系統(tǒng)設計的好壞直接影響到車輛本身的各項性能，譬如安全性、舒適性和動力性等等。作為發(fā)動機整體匹配的一個重要組成部分，排氣系統(tǒng)的主要功用就是將發(fā)動機燃燒燃料時所產生的大量廢氣排出，并通過各項結構的配合來降低排氣時所產生的噪聲，以及起到凈化尾氣，降低空氣污染的作用。如圖2.1為目前常見的排氣系統(tǒng)結構圖。 圖2.1 排氣系統(tǒng)結構 1-排氣管；2-撓性連接管；3-氧傳感器；4-副消聲器；5-執(zhí)行器；6-排氣控制裝置；7-主消聲器； 8-中間管；9-高溫傳感器；10-三元催化器；11-前管 2.2.1 排氣管 排氣管的主要作用是將發(fā)動機工作過程中所產生的廢氣排出。排氣管不能因為自身的重量及所產生的慣性、彎矩和相對運動或者因其受熱膨脹產生形變而影響排氣歧管和渦輪增壓器的正常工作，以至于因為過載產生附加應力，造成損壞。所以設計時，應當在滿足其剛度、強度的前提條件下，要盡量使排氣管的質量減輕，其材料可以選擇薄壁中碳鋼鋼板或者不銹鋼板。常見排氣系統(tǒng)中的排氣管如圖2.2所示[1]。 圖2.2 排氣管 2.2.2 催化轉換器 三元催化器是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的CO、HC和NOX等有害氣體通過氧化和還原作用轉變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氦氣。當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOX三種氣體的活性，促使氣進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化橙水和二氧化碳，NOX還原成氦氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化[2]。 2.2.3 消聲器 排氣消聲器是排氣系統(tǒng)的主要部件，主要起到降噪作用，它既要滿足車輛噪聲的要求，又要滿足排氣阻力的要求，還要滿足消耗功率盡可能少的要求。排氣消聲器的容積應根據發(fā)動機最大排氣流量來確定。常見排氣系統(tǒng)中的消聲器如圖2.3所示[3]。 圖2.3 消聲器 2.3 汽車排氣系統(tǒng)設計材料的選擇 在設計排氣系統(tǒng)時，應考慮到排氣管路的材料熱端零件的重點要求，比如能夠抗高溫氧化、抗腐蝕、疲勞性能強等，冷端零件則要求具備耐尾氣冷凝液腐蝕性能。隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴格，越來越多的廠家選擇以提高發(fā)動機排氣溫度的方式來提升催化器的轉化效率，從而實現減少尾氣對空氣造成的污染，也正因此，排氣歧管的工作溫度逐漸由750℃~800℃提高到900℃~950℃，甚至更高。同時，為了提高節(jié)省燃料，更多的廠家選擇了減輕車輛本身的重量，在選擇排氣管路的材料時，也因此選擇采用更為耐熱、重量更輕的不銹鋼來替代。 不銹鋼又分為鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼，幾乎大部分的排氣系統(tǒng)采用的都是鐵素體不銹鋼。原因在于其生產成本更低，線膨脹系數小，導熱系數大，更耐高溫，各方面性能更優(yōu)于奧氏體不銹鋼。 通常，排氣管路選擇的不銹鋼牌號見表2.1所示。 表2.1 排氣管路零部件材料選擇表 零部件名稱 鐵素體不銹鋼 奧氏體不銹鋼 排氣岐管 441 304，308 前管 409，441 304，321 催化轉化器 409，441 304，308Si 中管 430Ti 304 消聲器 430Ti，434 304 尾管 409 304 排氣密封墊采用耐高溫石棉板或者多層耐熱金屬襯墊材料。 排氣波紋管材料需要具備耐高低溫、力學、化學等應變、化學腐蝕等性能。 2.4 本章小結 本章主要闡述了排氣系統(tǒng)的設計要求以及各個結構的組成和功能，隨后通過對零部件材料的分析確定了本次設計中各個部件所需要的材料，加深了對排氣系統(tǒng)的了解。 7 第3章 汽車排氣系統(tǒng)聲學分析 3 汽車排氣系統(tǒng)聲學分析 3.1 汽車排氣系統(tǒng)噪聲原理 發(fā)動機作為噪聲的主要來源，其又可分為空氣動力性噪聲、機械噪聲以及燃燒噪聲。 空氣動力性噪聲主要包括進、排氣和風扇噪聲。這是由于進氣、排氣和風扇旋轉時引起了空氣的振動而產生的噪聲，這部分噪聲直接向周圍的空氣中輻射。燃燒噪聲和機械噪聲很難嚴格區(qū)分，通常將由于氣缸內燃燒所行程的壓力振動通過缸蓋、活塞一連桿一曲軸一機體向外輻射的噪聲叫燃燒噪聲。將活塞對缸套的撞擊、正時齒輪、配氣機構、噴油系統(tǒng)等運動件之間機械撞擊所產生的振動激發(fā)的噪聲叫做機械噪聲。一般直噴式柴油機燃燒噪聲屬于機械噪聲，非直噴式的機械噪聲則高于燃燒噪聲，但低速運轉時燃燒噪聲都高于機械噪聲[4]。噪聲源的識別就是對機器上存在的各種聲源進行分析，了解其產生振動和噪聲的機源、確定振源、聲源的部位，分析聲源的特性（包括聲源的類別、聲級的大小、頻率特性、聲音變化和傳播的規(guī)律等），然后按噪聲的大小排列出順序，從而確定出主要噪聲源[5]。 3.2 影響汽車排氣系統(tǒng)噪聲的因素 通過分析論證發(fā)現排氣系統(tǒng)的噪聲源主要有空氣噪聲、沖擊噪聲、氣流摩擦產生的聲音以及輻射噪聲等?？諝庠肼暿侵钙嚢l(fā)動機在運動過程中，由于壓力波在排氣管道中傳播而造成的，空氣噪聲的大小取決于排氣管道的直徑，當氣流量一定時，管道的直徑越大產生的空氣噪聲就越穩(wěn)定；而沖擊噪聲是由于不穩(wěn)定的氣流沖擊管道形成的，加入排氣歧管的彎曲幅度不夠，那么產生的氣流就會非常大，也就會出線噪聲；氣流摩擦的噪聲是因為氣體的流動速度非常高，傳遞到尾管的時候就會發(fā)出巨大的噪聲；輻射噪聲則是由于排氣管道中的消聲元件受到影響后出現振動，從而產生噪聲[6]。 3.3 降低噪聲的主要方法 通過對影響汽車排氣系統(tǒng)噪聲的因素的研究分析，可以從以下幾個方面進行改造從而降低噪聲： 1、采用將消聲器的容積增大的設計方案。通過改變消聲器的內部結構比如增加其長度以增加其容積，從而達到降低噪聲的效果。 2、采用在原設計的基礎上加上吸聲材料并將單層的外殼改為雙層外殼的設計方案。 3、采用對汽車尾管的長度以及形狀進行改造的設計方案。由于汽車尾管產生的噪聲是空氣噪聲和氣流摩擦噪聲組合而成的結果，因此通過減短汽車尾管的長度，使排氣的方向由下方變成后方，從而達到降低噪聲的效果[6]。 3.4 本章小結 本章節(jié)主要通過對排氣系統(tǒng)噪聲原理以及影響因素的分析，找到降低排氣系統(tǒng)噪聲效果的方法。主要有增大消聲器容積、增加吸聲材料、對汽車尾管的長度以及形狀進行改造等設計方案。 9 第4章 汽車排氣系統(tǒng)消聲器的設計 4 汽車排氣系統(tǒng)消聲器的設計 4.1 消聲器的基本原理 根據聲音的干涉現象，可以得知排氣系統(tǒng)中的消聲器具有兩種消聲方式，一是吸收，二是反射。 其中，吸收式消聲器是通過廢氣在鋼纖維、玻璃纖維或者石棉等吸音材料上的相互摩擦而減小其能量；反射式消聲器則由多個串聯的協(xié)調腔與不同長度的多孔反管相互鏈接在一起，廢氣在其中經過多次的反射、碰撞、膨脹、冷卻而降低其壓力，減輕振動及能量。 4.2 消聲器的基本指標 本設計的消聲器應滿足各項法律規(guī)定的要求以及各項國際慣例，保證安全，環(huán)保。消聲器的性能，使用要求應滿足QC/T 631-1999（汽車排氣消聲器技術條件）。試驗道路、條件及試驗準備應滿足GB/T 4759-1995（內燃機排氣消聲器測量方法）、QC/T 630-93（汽車排氣消聲器性能試驗方法）的規(guī)定。 在設計消聲器的過程中，首先需要確定的是本次設計所要降低排氣噪聲的目標值，通過該目標值可以進一步確定所需要設計的消聲器的內部結構。該目標值可以通過對發(fā)動機排氣噪聲的大小分析得出，同時結合頻譜特性曲線，根據噪聲標準限值公式來計算[7]。此時，根據需要假設汽車在正常行駛時，產生的噪聲聲源屬于線性聲源，則根據聲音衰減量ΔL的公式： ΔL=10lg（R1/R2） （dB） （4-1） 其中：R1為聲源至受聲點的距離； R2為線聲源的長度。 在上文中，根據已經所給出的該型號汽車的相關參數，可以確定本次設計過程中，車外加速行駛噪聲限值La=74dB（A），按照汽車排氣消聲器性能試驗方法QC/T630-1999可以確定R1=0.5m，按照整車噪聲實驗規(guī)范可以確定R2=7.5m，可以得出：參數R1=0.5m，參數R2=7.5m，把一上數值帶入到公式（4-1）中，結果得： ΔL=10lg（0.5m/7.5m）=11.6（dB） 消聲器出口噪聲限值Lmd的計算公式為： Lm=L+La （dB） （4-2） 參數L=11.6dB，參數La=74dB，把以上數值帶入公式（4-2）中，得 Lm=11.6+74=85.6（dB）（A） 由于普通轎車的發(fā)動機排氣聲壓級Lb為100dB（A），因此消聲器的消聲量Lmin應大于： Lmin＞Lb-Lm （dB）（A） （4-3） 參數Lb=100dB，參數Lm=85.6dB，將以上數據帶入公式（4-3）得： Lmin＞100-85.6=14.4（dB）（A） 4.3 消聲器進口直徑計算 4.3.1 消聲器容積的確定 根據上文中所得的參數以及消聲器的容積V計算公式： V=Q×n×Vst/1000× （4-4） 其中，參數n為發(fā)動機轉速，n=6300r/min； 參數i為發(fā)動機缸數，i=4； 參數τ為沖程數，τ=4； 參數Vst為發(fā)動機排量，Vst=1.6L； 參數Q為與消聲效果有關的修正系數，當n=6300r/min時，一般取Q=5[8]。 將以上參數帶入公式（4-4）中，得： V=5×6300×1.6/1000×=20L 4.3.2 消聲器擴張比的確定 在評價消聲器的實際消聲效果時多采用插入損失作為指標，即在噪聲源和測點之間插入一個消聲器時，在該測點所測得的消聲器安裝以前和以后的聲壓級差。消聲器的擴張室與原管道截面積之比被稱作擴張比（M），對消聲器的插入損失要求越高，擴張比的選擇值就越大。根據上文中所選擇的模型車的模型在此處取M=14[9]。 4.3.3 消聲器出口氣流速度的確定 由于當氣流的流速超過一定的限值后，其所產生的再生噪聲會大大削減消聲量，因此，一般采用控制消聲器出口管徑與進口管徑一致的原則，從而控制氣流的速度。表4.3.3為氣流速度為70~80m/s時各頻率的減噪量[10]。 表4.1 氣流速度為70~80m/s時各頻率的減噪量 頻率H2 125 250 500 1000 2000 4000 減噪量dB 10-15 18 30-35 35-40 40-45 30-35 由上文中確定的消聲器的消聲量應大于14.4dB，因此在此處可取氣流速度為75.4m/s，滿足要求。 4.3.4 消聲器進口排氣流量的確定 根據上文中已經得到的參數以及發(fā)動機進氣流量Qi的計算公式： Qi=0.03V×n×Vc （4-5） 其中，參數V為發(fā)動機的總排量，V=1.6L； 參數為發(fā)n動機最高轉速，n=6300rpm； 參數Vc為充量系數，當n=6300rpm時，一般取Vc=0.7。 將以上參數帶入公式（4-5）中，得： Qi=211.68（L/s） 根據發(fā)動機進口排氣流量Q的計算公式： Q=（Tb+273）×φ×Qi/（Tδ+273） （4-6） 其中，φ為常數，一般取φ=0.98； 參數Tb為發(fā)動機的進氣溫度，根據表1.1可得，Tb=300℃； 同理，參數Tδ為發(fā)動機的排氣溫度，Tδ=25℃。 將以上參數帶入公式（4-6）中，得： Q=（300+273）×0.98×3.528/（25+273）=398.9(L/s) 4.3.5 消聲器進口直徑的計算 根據上文中所給出的參數以及消聲器進口直徑Di的計算公式： Di=（mm） （4-7） 其中，參數Q為進口處排氣流量，Q=398.9L/s； 參數V為允許最大氣流流速，V=75.4m/s。 將以上參數代入公式（4-7）得： Di=81.97mm 因此，所設計消聲器進口直徑應大于81.97mm，在此選擇管徑Di=82mm。 4.4 消聲器長度的確定 根據上文中擴張比的定義可以得知，當M=14時，根據公式 Dm=Di×M0.5 （4-8） 其中，參數Di為消聲器管徑，Di=82mm； 參數M為消聲器擴張比，M=14。 因此，將以上參數代入公式（4-8）可得： Dm=54×140.5=306mm 消聲器長度計算公式為L=1.27×106×V/Dm （4-9） 其中，參數V為消聲器容積，V=20L； 參數Dm為消聲器直徑，Dm=306mm。 將以上參數代入公式（4-9）中得： L=879mm 4.5 消聲器內部結構的確定 依據消聲器的消聲機理可將其分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合型消聲器。 阻性消聲器是利用在管道內適當的布置吸聲材料，部分的吸收管道中傳播的聲能，類似電路中的電阻的作用。這類消聲器的特性是在中、高頻范圍內有良好的消聲效果。 抗性消聲器是利用各種形狀、尺寸的管道或共振腔內發(fā)生反射或干涉，從而降低所輸出的聲能?？剐韵暺鞯南曨l帶較窄，在中、低頻消聲效果較好，高頻較差。 阻抗復合型消聲器是將阻性和抗性消聲器結合起來，故從低頻到高頻都有較好的消聲效果[11]。 此處我們選用阻抗復合型消聲器結構，結構圖如下所示。 圖4.1 阻抗負荷型消聲器結構 4.6 本章小結 在本章中，首先計算了消聲器的最低消音量，得到了本次設計所需的一個基本指標。隨后通過對消聲器容積、進口排氣流量的計算得到了消聲器的進口直徑以及消聲器的長度，最后根據之前的基本指標確定了消聲器的內部結構形式。 14 第5章 排氣系統(tǒng)的布置 5 排氣系統(tǒng)的布置 5.1 布置排氣系統(tǒng)的基本原則 通過查閱相關的資料可以得知，在通常情況下，布置排氣系統(tǒng)的工作需要依照一定的次序進行。首先是預催化器，補償器和主催化器，以便于更好的安裝和維修拆卸。其次是前消聲器和后消聲器，最后采用排氣管將以上部件依次序連接。 在此之上，為了使車輛避免在行駛的過程中由于發(fā)動機振動而導致的排氣系統(tǒng)振動從而與系統(tǒng)周邊的零部件物體發(fā)生碰撞造成損壞，在布置安裝過程中，還需要注意排氣系統(tǒng)與周邊零部件物體要保持一個合理的安全間距，通常是25mm。除此之外，橫置發(fā)動機在布置安裝時，它的排氣歧管罩由于本身特性的影響，與周邊零部件或物體的安全間距應保持不小于35mm。 通過查閱相關資料得知，以下是發(fā)動機排量的大小對排氣歧管，散熱器，冷凝器及風扇的熱間距的影響： 表5.1 發(fā)動機排量對排氣歧管，散熱器，冷凝器，風扇的熱間距影響 發(fā)動機排量V（L） 熱間距 V≤1.0L ≥35mm 1.0L＜V＜1.5L ≥40mm 1.5L≤V＜1.8L ≥45mm 1.8L＜V＜2.2L ≥60mm 除了以上發(fā)動機排量對散熱器、冷凝器、風扇的熱間距影響之外，排氣系統(tǒng)對其余的周邊零部件也會產生相應的影響，從而在布置安裝過程中，需要注意他們之間的熱間距，見表5.2： 表5.2 排氣系統(tǒng)對除散熱器、冷凝器及風扇以外的周邊部件的熱間距 其余周邊零部件 熱間距 發(fā)動機油底殼 ≥40mm 制動軟管 ≥40mm（有隔熱板），≥100mm（無隔熱板） 制動硬管 ≥40mm 空調管路 ≥40mm（靜態(tài)），≥30mm（動態(tài)） 燃油管 進氣管 油箱 ≥45mm（有隔熱板），≥60mm（無隔熱板） 發(fā)動機裝飾罩 發(fā)動機懸置 ≥40mm（有隔熱板），≥60mm（無隔熱板） 轉向器及油壺 ≥30mm（有隔熱板），≥60mm（無隔熱板） 轉向器 ≥40mm（有隔熱板），≥60mm（無隔熱板） 驅動軸球籠及防塵罩、傳動軸萬向節(jié) ≥60mm 換擋鋼索、手剎拉索 ≥40mm 后保險杠 ≥35mm 油箱加油口及通氣口 ≥300mm（無隔熱裝置） 電器線路 ≥40mm（有隔熱裝置），≥60mm（無隔熱裝置） 氣體燃料氣瓶、高壓管及接頭 75mm≤熱間距＜200mm（有隔熱裝置），≥200mm（無隔熱裝置） 備胎 ≥40mm（有隔熱層），≥60mm（無隔熱層） 布置排氣系統(tǒng)的其余各項要求： （1）在布置排氣系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的各個部分的布置位置必須高于最小離地間隙的邊界，以免發(fā)生碰撞造成排氣系統(tǒng)的損傷； （2）除消聲器尾管外，排氣系統(tǒng)中的其余部分不得低于前邊界面、側邊界面、后邊界面； （3）排氣系統(tǒng)尾管的管口不得指向車輛右側； （4）排氣系統(tǒng)尾管的管口最好朝向地面或保持水平，以便于排水以及防止水倒灌入排氣管； 5.2 計算排氣管的最小管徑 由上文計算出的排氣流量Q可知： V=Q/A（m/s） （5-1） 其中，參數Q=398.9L/s 參數A為排氣管的截面積； 參數V為排氣的氣流流速，V=75.4m/s； 將以上參數代入公式（5-1）中，可得： A=5.29m2 再根據公式： A=（L） （5-2） 其中，參數A為排氣管的截面積，A=5.29m2 參數d為排氣管的直徑； 將以上參數代入公式（5-2）中，可得： d=260mm 5.3 排氣系統(tǒng)懸掛方式的確定 5.3.1 吊鉤位置的選取 在排氣系統(tǒng)懸掛方式確定的過程中，首先需要確定的是吊鉤的位置，在選取吊鉤位置時，有以下幾項原則需要遵循： 1、 吊鉤應當安裝在相應振動的節(jié)點上； 2、 由于排氣系統(tǒng)的結構特性，應當保證吊鉤能夠在縱向上合適延伸； 3、 吊耳的位置應當位于車身整體結構的剛性處。 5.3.2 補償器的選取 補償裝置在排氣系統(tǒng)中一般用于減振降噪，以及延長壽命。常見的補償器有波紋管連接和球形連接兩種形式。 波紋管式補償器不僅能夠補償各項位移，還能對排氣管道起到減小變形，提高使用壽命的作用。波紋管本身就是一種具有橫向波紋能夠自由伸縮的器件，主要是由金屬波紋管與其余構件組成，因此還具有撓性薄壁等特點。利用到波紋管式補償器中時，就可以使用其本身的彈性形變能力，補償管道由于包括熱變形、機械變形和各種機械振動產生的軸向、角向、側向及其組合位移。同時，由于補償器本身具有的耐壓性，高密封性、耐腐蝕性、耐高溫性等特性，因此也能夠降低排氣管道的變形，提高使用壽命[12]。 波紋管的懸掛系統(tǒng)一般氛圍斷藕式和半斷藕式兩種。斷藕式常采用柔性較高的波紋管結構將發(fā)動機與排氣系統(tǒng)的振動和晃動完全阻隔開。通常在設計排氣系統(tǒng)的過程中，在波紋管的后段需要采用分別對前后左右上下六個方向的位移都有極好的限制作用的懸掛，這是由于斷藕式的波紋管往往不會起到承載的作用所導致的。因此，對半斷藕式的懸掛系統(tǒng)來說，就會往往采用強度較大的承載式波紋管結構來進行承載。然而，這樣的承載方式會使得車輛在行駛的過程中，由于發(fā)動機的振動或晃動所產生的一小部分影響到排氣系統(tǒng)。除此之外，在采用半斷藕式補償器時，吊環(huán)對前后零部件振動碰撞引起的位移的限制作用有限，因此，在此設計中我們采用斷藕式波紋管懸掛方式，結構如下圖所示。 5.3.3 排氣管路連接方式的確定 連接排氣管路的原則是連接結構簡單，易于布置、制造、安裝，維修方便， 圖5.1 波紋管結構 具備足夠的結構剛度，密封性能強，同時盡可能的保證重量輕，成本低。 排氣管路的連接方式通常采用法蘭連接、插入式卡箍連接和止口連接，三種連接方式如下圖所示。 圖5.2 排氣管路常用連接方式 法蘭連接是目前廣大工程機械工作中采用的最多的連接方式，原因在于法蘭連接具有便于拆卸，密封性能好的特點。在安裝法蘭的過程中，一方面要按照國際標準規(guī)定選取合適的法蘭墊片，另一方面要保證法蘭的密封面不會受到損傷，這就需要在安裝時要使兩個法蘭保持相互平行。 作為當前應用在氣體管道連接的首推技術——插入式卡箍連接方式，該方式具有操作簡單，安裝方便，穩(wěn)定性強，維修方便等等優(yōu)點。 止口式連接通常用來連接增壓器，強度和可靠性都不如前兩者高。 由于排氣系統(tǒng)的工作溫差十分大，連接器件的緊固力難以保障，因此，在布置排氣管螺栓時，不僅要保證氣密性，還要保證能夠允許法蘭面相對滑移，通常采用雙螺母或者鎖片鎖緊。 綜上所述，我們在此處選用法蘭連接。 5.4 排氣系統(tǒng)轉化器的確定 催化轉化器的選擇通常分為單級，二級，或者多級。對于本次設計中的車輛模型，市面上通常采用的是二級催化轉化器。催化轉化器的入口通常設計橙喇叭口形狀，從而使入口端的氣流流動更加均勻，還能降低排氣管路的排氣背壓，以減小對發(fā)動機的損耗。轉化器入口的形狀如圖5.4所示。 圖5.3 催化器入口形狀 5.5 本章小結 本章首先確定了布置排氣系統(tǒng)的基本原則，計算了排氣管的最小管徑。隨后選取了吊鉤位置以及補償器，通過對連接方式的分析確定了本次設計中采用法蘭連接，根據催化轉化器的特性確定了呈喇叭口形狀的催化器入口形狀。 19 第6章 消聲器結構的三維建模 6 消聲器結構的三維建模 6.1 CATIA軟件簡介 在我們的研究設計過程中，需要采用到的三維建模軟件有很多，但是在此處，我們選擇了由法國達索飛機公司于上個世紀七十年代開發(fā)的一款專門用于三維建模的CAD/CAM軟件——CATIA。 CATIA是英文Computer AidedTri- Dimensional Interactive Application的縮寫，具體可以解釋為計算機輔助三維交互式應用，由此可見，CATIA在誕生之處，就是作為一個三維建模軟件來應用的，當然，它的功能并不止于此[13]。 作為一款CAD/CAE/CAM一體化軟件，CATIA已經憑借其自身過硬的基礎素質成為了同類型功能軟件中的佼佼者，半個世紀以來，CATIA已經廣泛地應用于航空航天、造船、汽車制造等等重工業(yè)，也應用于電子電器、消費品等等輕工業(yè)。鑒于CATIA這款軟件其本身的集成解決方案技術，能夠覆蓋幾乎所有產品的設計和制造領域，其最為獨特的還要屬DMU電子樣機模塊功能和混合建模技術，一方面便利了各行各業(yè)的發(fā)展研究，另一方面也促使著相關企業(yè)的技術發(fā)展，使得企業(yè)本身更加具備競爭力和生產力。、其具有廣泛的適應性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行。 大到飛機、載人飛船、航空母艦，小到螺絲釘、螺帽，等等等等CATIA都可以根據使用用戶的不同需求提供完全不同卻又十分簡便的解決方案。到目前為止，世界上已經有超過十三萬用戶在使用CATIA這款軟件來進行辦公，研究，學習。雖然是一款誕生于航空航天業(yè)的軟件，但是其強大的功能，過硬的自身素質已經使得CATIA獲得了幾乎所有行業(yè)的認可，在這其中不乏一些國際知名的大品牌大企業(yè)，比如美國的波音公司，幾乎所有型號的飛機在設計生產過程中都使用的CATIA作為其建模分析的軟件。還有著名的汽車生產場上克萊斯勒、寶馬、奔馳等等等等，或大或小，或知名或不知名，都在無一例外的使用CATIA作為生產的工具，由此可見，這款軟件在制造業(yè)中所具有的舉足輕重的地位。 包括在中國，從CATIA這款軟件進入中國的那一刻起，就已經改變了三維建模軟件市場的格局，沒有競爭，沒有選擇，有的只是憑借它超高的性價比替代一個又一個三維建模軟件，北至松花江，南到琉璃島，包括一汽集團、上海大眾等等幾乎所有內地的生產廠商都在一夜之間換上了CATIA，采用CATIA來研發(fā)他們的新車型，可以說，這是一場變革性的成果。 需要為歷史所銘記的是，在CATIA這款軟件誕生不久后，波音公司在采用CATIA進行三維建模設計波音777、737等系列機型時，所采用的都是完完全全的數字模型無紙加工，這在當時的業(yè)界內可以稱得上是一個奇跡，人類終于又邁出了新的一步。也正是從此刻起，正式確定了CATIA在CAD/CAE/CAM行業(yè)內的主導地位。除此之外，CATIA在造型風格，車身及引擎設計等方面都具有獨特的長處，為各種車輛的設計和制造提供了廣泛的支持。 除了飛機汽車這兩個巨頭產業(yè)之外，在摩托車行業(yè)CATIA的應用也可以說是幾乎占領了100%的市場。為人所熟知的包括Honda、BMW、Suzuki在內的許多國際知名摩托車生產廠家都是采用CATIA來研究設計他們所要的新車型。同時，CATIA也在此基礎上推出了電子樣機設計環(huán)境系統(tǒng)使得這些廠家能夠及時響應客戶所發(fā)出的需求，不僅促進了企業(yè)本身的經濟發(fā)展，更提高了社會的勞動生產力。 到目前為止，CATIA已經走過了近五十個年頭，但是版本的更迭還是較為緩慢的，一方面其本身過硬的基礎素質也不需要頻繁的更新，另一方面這種類型的軟件需要進行大規(guī)模更新的話處理起來會非常復雜，因此，從1982年到1988年短短六年時間里，CATIA就相繼發(fā)布了3個版本，并與1993年發(fā)布了全新的第四代版本，也是最為廣泛使用的一個版本?，F如今我們所使用的CATIA V5也基本脫胎于第四代版本，簡稱V4。唯一的差別在于V4需要UNIX平臺來運行，而V5嘖可以在UNIX和Windows兩種平臺上運行，因此，由于上世紀末期Software的迅猛發(fā)展，V5的版本已經漸漸成為了當今市面上的主流版本。同時，也由于V4版本本身的許多工具無法達到相應的效果，對用戶的操作使用熟悉程度要求較高等等一系列問題，也使得V4漸漸不再受到廠商們的歡迎。 好在后來達索公司在接收到用戶的反饋報告之后，緊急研發(fā)推出了能夠適用于多種運行平臺的V5版本，并于1994年徹底重新開發(fā)正式的CATIA V5版本，全新但更加友好的操作界面，強大而并不復雜的各項功能徹底占領了使用者們的內心，可以說是開創(chuàng)了CAD/CAE/CAM軟件的歷史，我們可以看到的是，在這之后的CAD/CAE/CAM軟件大多借鑒了CATIA V5版本的成功經驗，以及，在未來，CAD/CAE/CAM的發(fā)展方向也是更加的趨向智能數字化，使其能夠真正適用于一個企業(yè)或產品的整個研發(fā)過程。 6.2 利用CATIA建立消聲器的三維模型 由上文計算可知，本設計中的消聲器進口直徑為82mm，如圖6.1所示。 根據上文中控制氣流速度的原則，消聲器出口直徑應大致與進口直徑保持一致，因此在本次設計中，我們可以取出口直徑大約為76mm，如下圖所示。 根據上文分析計算的出的消聲器參數L=879mm，Dm=306mm，如圖6.3所示。 建立的催化轉換器三維數模如圖6.4所示。 建立排氣系統(tǒng)總成并布置排氣管路，總成如圖6.5所示。 d=82mm 圖6.1 消聲器進口 圖6.2 消聲器出口 圖6.3 消聲器模型 圖6.4 催化器模型 圖6.5 排氣系統(tǒng)總成 6.3 本章小結 本章首先介紹了三維建模軟件CATIA的發(fā)展歷史及功能，隨后根據前文中計算的數據及確定的布置連接方式，繪制了消聲器、催化轉化器，以及排氣系統(tǒng)總成結構的三維模型。 24 第7章 主要零件及裝配圖的繪制 7 主要零件及裝配圖的繪制 7.1 AutoCAD軟件簡介 在機械類相關專業(yè)最基礎的學習中，就有AutoCAD這一項。AutoCAD是美國Autodesk公司于1982年自主開發(fā)的一款計算機輔助設計軟件，通?？梢杂糜诙S繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計等等，發(fā)展到今天已經成為了世界上數一數二的二維圖繪制軟件。 AutoCAD的更新與CAITA相比較為頻繁，也正因此，其一直保持著與時俱進的用戶界面風格，或簡約，或專業(yè)，用戶可以根據自己不同的需求采用不同的工作界面。同時，交互性一直是AutoCAD這款軟件所著重強調的一點，從而能夠使得用戶在使用時不僅更加方便，易學，也容易讓用戶產生更加濃厚的學習興趣，探索這其中的奧秘。AutoCAD還有一點基礎又強大的功能則是其所具有的多文檔設計環(huán)境，即使是非計算機專業(yè)的人員來使用也能夠根據強大的交互性界面快速學會。 要想成為一款廣為人知、使用廣泛的軟件，強大的適應性是必不可少的。AutoCAD就具備這樣的適應性，它能夠無壓力的在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行，隨著不斷的發(fā)展，使用人員已經能夠基本實現自動化的在AutoCAD軟件上進行二維制圖或者基礎的三維設計。AutoCAD具有廣泛的適應性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行。 當然，除了以上的這一些功能之外，AutoCAD還有著作為一款二維繪圖軟件最為基本也是最為優(yōu)秀的一些功能。首先是強大的圖形繪制功能，幾乎包含了所有設計中需要用到的圖形，結合數位板等其他工具幾乎可以繪制所有的生產物件的二維圖；其次是強大的圖形編輯功能，除了基礎的拉伸旋轉裁剪，還可以進一步的進行陣列，鏡像等等等等，圖形編輯的手段一應俱全。由于其本身所具有的高自由度，AutoCAD還可以受用戶個人的需要進行軟件的二次開發(fā)或者定制，在人性化這一方面幾乎無出其右者。它還具有強大的數據交換能力，可以支持包括jpg、png、gif等等幾乎所有圖形格式的轉換。最后，AutoCAD能夠完美兼容多種硬件設備，支持多種操作平臺，以其強大的適應性傲立于整個二維繪圖軟件的頂端。除了滿足各類用戶的需要，AutoCAD從2000版本開始，又不斷的推陳出新，從用戶需求和簡化操作多方面入手，設計了ADC、MDE、Internet驅動、新的對象捕捉等等等等一系列強大又極具人性化的功能，使得這款軟件已經徹底從概念上領先于其他軟件，引領全球[14]。 7.2 主要零部件的繪制 由上文中計算的數據繪制的消聲器總成如圖7.1所示： 排氣管總成如圖7.2所示： 排氣系統(tǒng)總裝配圖如圖7.3所示： 圖7.1 消聲器總成 圖7.2 排氣管總成 圖7.3 排氣系統(tǒng)總裝配圖 7.3 本章小結 在本章中，首先主要介紹了AutoCAD軟件的發(fā)展歷史及功用，隨后繪制了主要部件消聲器結構和排氣管路結構的二維圖，最后繪制了排氣系統(tǒng)的總成結構二維圖。 27 第8章 總結 8 總結 經歷了幾個月的學習與奮斗，伴隨著即將告別的大學生活，終于在這最后的一點時間里，完成了本次畢業(yè)論文的撰寫部分。 我本次畢業(yè)設計選擇的課題是“轎車排氣系統(tǒng)設計”，在工作開始之初，尚無頭緒的我只好一邊瘋狂看書，學習他人的經驗，另一邊多問老師，也盡量使我少走了彎路。汽車的排氣系統(tǒng)是汽車中至關重要的一個部件，其設計的好壞能夠直接影響汽車本身的質量，因此，在設計過程中，我也一直不敢有所松懈，盡力在每個方面都沒有遺漏。也正因此，通過本次畢業(yè)設計，使我充分學習到了車輛的排氣系統(tǒng)，當然，這只能算得上是一個小小的收獲，我更多收獲的則是研究學習的方法以及認真嚴謹的態(tài)度。 28 參考文獻 參考文獻 [1]章聯萍.客車排氣系統(tǒng)設計[J].客車技術與研究,2005,02:25-26. 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