汽車排汽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、前 言 大學(xué)三年的?？茖W(xué)習(xí)即將結(jié)束，畢業(yè)設(shè)計(jì)是其中最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)及所掌握的技能的綜合運(yùn)用和檢驗(yàn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)技術(shù)得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。 在完成大學(xué)三年的課程學(xué)習(xí)和課程、生產(chǎn)實(shí)習(xí)，我熟練地掌握了機(jī)械制圖，機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課方面的知識(shí)，對(duì)機(jī)械制造、加工的工藝有了一個(gè)系統(tǒng)、全面的理解，達(dá)到了學(xué)習(xí)的目的。對(duì)于汽車排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)踐性非常強(qiáng)的設(shè)計(jì)課題，我們進(jìn)行了大量的研究和討論。在指導(dǎo)老師的講解下，在平時(shí)查閱了很多相關(guān)資料并親手拆裝了一些典型的模具實(shí)體，明確了模具的一般工作原理、結(jié)構(gòu)、加工工藝。并在圖書館借閱了許多相關(guān)手冊(cè)和書籍，設(shè)計(jì)中，將

2、充分利用和查閱各種資料，并與同學(xué)進(jìn)行充分討論，盡最大努力搞好本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，將有一定的困難，但有指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和自己的努力，相信會(huì)完滿的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。由于學(xué)生水平有限，而且缺乏經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中不妥之處在所難免，肯請(qǐng)各位老師指正。一、 排汽系統(tǒng)的概論：排汽裝置是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的一個(gè)部件。排氣系統(tǒng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣支管 、排氣管路、消聲器總成 、尾管、排氣系統(tǒng)支撐等構(gòu)件組成。汽車排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在安裝位置和結(jié)構(gòu)要求上一定要滿足汽車底盤總體布置的要求；在性能上要符合發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣系統(tǒng)的要求。同時(shí)，還要兼顧整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和維護(hù)方便性以及排放的環(huán)保性。 排汽裝置分為單排氣和

3、雙排氣裝置兩種。v型發(fā)動(dòng)機(jī)有兩面?zhèn)€排氣支管直列式發(fā)動(dòng)機(jī)一般為單個(gè)排氣管。雙排氣系統(tǒng)降低了排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣順暢，氣缸中殘留的廢氣少，因而可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率及輸出的轉(zhuǎn)矩，單排氣裝置用的材料少，設(shè)計(jì)方便，一般用于直列發(fā)動(dòng)機(jī)。排氣系統(tǒng)排氣支管 排氣管 消聲器總成 尾管二、 排氣支管排氣支管的形狀非常重要，為了防止各缸排相互干擾和排氣倒流，并利用排氣性降低排氣阻力，應(yīng)將排氣支管做得長(zhǎng)些，且各缸支管應(yīng)相互獨(dú)立如圖1-1。排氣支管可用不銹鋼制造，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、耐熱性好、內(nèi)辟光滑、排氣阻力小，排氣更順。在排氣支管中可將相鄰兩個(gè)缸的排氣支管匯合在一起， 可以完全消除排氣干擾和倒流現(xiàn)象。排氣

4、支管與排氣口想接處用石綿墊片作密封墊。其優(yōu)點(diǎn)是石綿墊片的耐熱性好。用單頭累釘連接，(如圖1)的分部，便于裝配。在排氣支管上設(shè)有一個(gè)半徑為1mm的廢氣再循環(huán)孔，這樣可以把發(fā)動(dòng)機(jī)的部分廢氣送回到進(jìn)氣支管，并與新鮮混合氣一起再次進(jìn)入氣缸。由于廢氣中含有大量的co2而co2不能燃燒卻能吸收大量的熱，使氣缸中混合氣的燃燒溫度降低，從而減少了nox的生成量。廢氣再循環(huán)裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫、低速時(shí)不投入工作，冷卻液溫度低于50oc和怠速工況時(shí)不投入工作防止，沖淡空燃孔而“失速”。中速，中等負(fù)荷時(shí)投入工作當(dāng)節(jié)氣門開廢達(dá)25后，n=2000r/mir以上時(shí)電控單元1發(fā)出指令使廢氣盾環(huán)孔投入工作中。在大負(fù)荷時(shí)不投入工

5、作。三、 排氣管路 排氣管路主要包括增壓器出口與消聲器總成之間的管路以及消聲器總成之后的管路。通常我們把增壓器出口與消聲器總成之間的管路通稱為排氣管總成，而把消聲器總成之后的管路稱為排氣尾管。排氣管路的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中所產(chǎn)生的廢氣安全并順暢地排至車外。排氣管路的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面的因素。排氣管路不能因?yàn)樽陨淼闹亓考八a(chǎn)生的慣性 、彎矩和相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者因其受熱膨脹產(chǎn)生形變而影響排氣歧管和蝸輪增壓器的正常工作 ,以致因?yàn)檫^載產(chǎn)生附加應(yīng)力 ,造成損壞。設(shè)計(jì)時(shí) ,在滿足其剛度 、強(qiáng)度的前提條件下 ,要盡量使排氣管的質(zhì)量減輕 ,其材料可以選擇薄壁中碳鋼鋼板 或者不銹鋼板 。如果當(dāng)排氣管過

6、長(zhǎng)的時(shí)候 ,要考慮增加輔助支撐來固定排氣管，減少因排氣管過長(zhǎng)所產(chǎn)生的彎矩 、扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管或蝸輪增壓器產(chǎn)生影響。但是，從另一個(gè)方面來看，這樣做又會(huì)影響排氣管連接法蘭的運(yùn)動(dòng)自由度；同時(shí)，為了減輕排氣管的熱膨脹應(yīng)力，在排氣管路中采用熱補(bǔ)償裝置。常用的熱補(bǔ)償裝置一般有兩種形式：第一種是 采用彈性金屬的波紋管； 另一種是撓性聯(lián)鎖式伸縮管。這兩種方式各有所長(zhǎng)，彈性金屬波紋管的密封性能比較好 ,但是它的熱償性能較差，使用壽命不如撓性聯(lián)鎖式伸縮管。相比之下，撓性聯(lián)鎖式伸縮管的熱補(bǔ)償性能和使用壽命都好于彈性金屬波紋管 ,但它的密封性能不是太好。目前，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了二層，三層級(jí)的撓性聯(lián)鎖式伸縮管，其密封

7、性能得到了大大的提高。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以根據(jù)具體的要求進(jìn)行選擇。除排氣管應(yīng)力之外，排氣管的排氣阻力也是設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮的一個(gè)重要因素 。排氣管的排氣阻力是排氣系統(tǒng)排氣背壓的一個(gè)組成部分。排氣背壓的產(chǎn)生也將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。當(dāng)排氣背壓到達(dá)一定的程度以后 ,哪怕是有一點(diǎn)細(xì)微的增減 ,也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率產(chǎn)生很大的影響。所以，有效的控制排氣管路的排氣阻力，對(duì)降低排氣系統(tǒng)的排氣背壓有著重要的作用；為此，在設(shè)計(jì)排氣管路的時(shí)候，要將排氣背壓控制在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)所允許的范圍內(nèi)，以避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況造成影響。綜合上述幾個(gè)方面，排氣管路的設(shè)計(jì)可以采用以下幾個(gè)方面的措施：( 1 )排氣管路不能過長(zhǎng)；汽車底盤

8、總體布置的時(shí)候，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)后置汽車，要盡量使排氣系統(tǒng)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口一側(cè)。( 2 )排氣管采用薄壁管 ,管徑盡量大一些 ,為了不增加排氣管的重量 ,通常采用薄壁中碳鋼卷管或者是不銹鋼卷管。這些材質(zhì)既可有效地減輕排氣管重量 ,又具有很好的防腐蝕性。( 3 )排氣管盡可能的直，盡量減少排氣管的彎折，盡量避免90的折彎。如果在底盤總布置上無可避免的需要管路彎曲的時(shí)候，彎曲的曲率半徑要盡可能的大，以大圓弧過渡，減少排氣阻力。（3）我們通常在排氣管總成中增加彈性金屬波紋管或是撓性聯(lián)鎖式伸縮管，以起到減震降噪，進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)淖饔谩０惭b的時(shí)候撓性管件不能出現(xiàn)彎曲。如果是彈性金屬波紋管，安裝是不能出現(xiàn)拉

9、伸和壓縮的現(xiàn)象；如果是撓性聯(lián)鎖式伸縮管，安裝時(shí)伸縮管應(yīng)該處于半拉伸狀態(tài)。（4）管路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡可能的不使用突變管。管路需要變徑的時(shí)候。該盡可能的使用變徑管，漸變管。在排氣管路中，沿氣流方向一般不能出現(xiàn)管徑由大變小的現(xiàn)象。(5）排氣管路的連接方式：通常采用的有：法蘭式.卡口連接、插入式卡箍連接。止口式通常用于增壓，插入式通常用于消聲器進(jìn)出口連接，法蘭式連接廣泛。但要注意的是，插入式接接必須順著氣流方向，采用小管插入大管形式。法蘭式的連接方式，一定要注意氣密性，一般設(shè)計(jì)密封墊片加強(qiáng)密封。四、消聲器 汽車的排氣噪聲是行車噪聲主要組成部分。汽車 排氣噪聲影響人們的學(xué)習(xí)，工作，生活。因此需要減小排氣噪

10、聲。我們就在排氣管后面設(shè)計(jì)排氣消聲器。排氣消聲氣的功用是降低排氣噪聲并消除廢氣中的火星和火焰。1、汽車消聲器的常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）、阻性消聲結(jié)構(gòu)a）、阻性消聲器原理：利用聲阻進(jìn)行消聲。一般是利用多孔吸聲材料來制作阻性消聲器，當(dāng)聲波通過敷設(shè)有吸聲材料的管道時(shí)，聲波將激發(fā)多孔吸聲材料中眾多小孔內(nèi)空分子的振動(dòng)，由于磨擦阻力和粘滯力的作用，使得一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，從而達(dá)到消聲目的。b）、阻心血來潮消聲器的計(jì)算方法：賽賓公式：l=1.05pl/sa1.4t彼洛夫公式：l=（a0）pl/s其中：（a0）-消聲系數(shù)，與阻性材料垂直入射系數(shù)有關(guān)。 p氣流通流斷面周長(zhǎng)（飾面部分，無吸聲材料的地方不管在內(nèi)）

11、l消聲器有效長(zhǎng)度（飾面部分長(zhǎng)度）c）、消聲器的高頻失效：高頻不能很好的用平面波近似，方向性強(qiáng)，以窄聲束的形式沿通道傳播，很少或根本不與飾面接觸，造成消聲量急劇下降。上限失效頻率：f上=1.85c/d其中:c:聲速,米/秒 ; d:氣流通道的截面直徑,米2）、抗性消聲結(jié)構(gòu)抗性消聲器主要是利用聲抗的大小來消聲的，利用各種不同形狀的管道和腔室進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，提供管道系統(tǒng)的阻抗失配，使聲波產(chǎn)生反射或干涉現(xiàn)象，從而降低由消聲器向外輻射的聲能。常用于汽車消聲器設(shè)計(jì)的技術(shù)：擴(kuò)張室式、共振腔、干涉等。a）、擴(kuò)張消聲器的原理：利用管道的截面突變引起聲阻抗變化，使得一部分沿著管道傳播的聲波反射回聲源；同時(shí)，通過腔

12、室和內(nèi)接管長(zhǎng)度的變化，使得向前傳播的聲波與在不同管道截面上的反射波之間產(chǎn)生180的相位差，相互干涉，從而達(dá)到消聲的目的。b）、擴(kuò)張消聲器的傳遞損失為：tl=10log101/tw=10 log10（1+1/4（1/m-m）2sin22*3.14l峰值消聲頻率：fn=（2n+1）c/4l通過頻率：f“n=nc/2l失效頻率：f上=1.22c/d f下=2c/2*3.14*s/lvc）、共振腔消聲器的原理：利用共振吸聲，當(dāng)聲波入射到共振腔口時(shí)，因?yàn)槁曌杩沟耐蝗蛔兓徊糠致暷軐⒎瓷浠芈曉?。同時(shí)在聲波的作用下，孔徑中的空氣柱產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)磨擦阻尼又使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌?，僅有少量聲能輻射出

13、去，從而達(dá)到了消聲的目的。3）、阻抗復(fù)合消聲結(jié)構(gòu) 阻性消聲器對(duì)中、高頻噪聲的消聲效果好，而抗性消聲器則適于消除低、中頻噪聲。將阻性、抗性兩種結(jié)構(gòu)的消聲器復(fù)合起來使用獲得寬頻帶的降噪效果。不同方式的組合，可設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)形式的阻抗復(fù)合消聲消聲器。一般情況下，是抗性部分放在前面（入口端），阻性部分放在后面。4）、擴(kuò)散消聲結(jié)構(gòu)5）、空氣導(dǎo)聲的隔聲機(jī)理與控制材料一側(cè)的入射聲能與另一側(cè)的透射聲能相差的分貝數(shù)就是該材料的隔聲量，通常以符號(hào)r（db）表示r=10lge入-10lge透 =10lg1/e透/e入=10lg1/r式中r-隔聲量； e入-入射聲能 e透-透射聲能 r-透射系數(shù)（1）、單層勻質(zhì)薄板的

14、隔聲性能a）、勻質(zhì)薄板的隔聲頻率特性曲線a.1）影響隔聲頻率特性曲線的幾個(gè)參量:薄板的隔聲性能主要由控制板振動(dòng)的三個(gè)物理量決定,即:板的面密度m;板的勁度b;材料的內(nèi)阻.a.2）隔聲頻率特性曲線。(如圖2) 典型的勻質(zhì)薄板隔聲頻率特性曲線如下圖所示。曲線可分為三個(gè)區(qū)哉：勁度控制區(qū)；質(zhì)量控制區(qū)；吻合效應(yīng)控制區(qū)。(如圖3）在很低的頻率（低于板的簡(jiǎn)正頻率）范圍里，板受本身的勁度控制，隔聲曲線隨頻率的升高而降低，此時(shí)板的勁度和質(zhì)量共同的作用下，板將產(chǎn)生一系列共振，共中f0為最低共振頻率。各共振頻率（hz）可由下式確定，fr=3.14/2*b/m*(p2/a2+q2/b2)式中b-板的勁度; m-板的面

15、密度(kg/m2) e-材料的彈性模量(n/ m2); a,b-板的長(zhǎng)寬尺寸(m); t-板的厚度(m); p,q任意正整數(shù)fc= c2/2*3.14*b/m= c2 /2*3.14t*12/e式中：c聲速（m/s） m板的面密度(kg/m2) b板的勁度； e彈性模量(n/ m2)； t板的厚度(m); -板的密度(kg/m3)根據(jù)干涉原理，排氣消聲器有吸收、反射兩種基本消聲方式。在吸收式消聲器上是通過廢氣在玻璃纖維、剛纖維和石棉等吸聲材料上的摩擦而減小排氣的噪聲。反射式消聲器則由多個(gè)竄聯(lián)的諧調(diào)腔與不同長(zhǎng)度的多孔反射管相互連接在一起。廢氣在其中經(jīng)過多次反射、碰撞、膨脹、冷卻而降低其中的壓力，

16、減輕了振動(dòng)。為了達(dá)到更好的消聲效果我就采用兩種消聲方式組合起來最后通過尾管排出。五、 由以上的計(jì)算和論述可的以下的設(shè)計(jì)方法和過程1、 消聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須與消聲器材料的隔聲性能相匹配；2、 當(dāng)傳輸損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于插入損失時(shí)，在排除了其它聲源的掩蔽效應(yīng)后，首先要核檢材料的隔聲性能。3、 排氣消聲器總成的種類上，根據(jù)我們目前的情況，我們通常選用阻抗復(fù)合式消聲器。從消聲器的形狀上來看，采用圓柱型消聲器，因?yàn)閳A柱型消聲器具有比較明顯的抑制振動(dòng)的傾向、結(jié)構(gòu)也比常簡(jiǎn)單，加工性能較好，價(jià)格便宜（如圖4）。如果有特殊情況，可以選用橢圓截面的柱型。盡量避免使用異型消聲器總成。4、在結(jié)構(gòu)空間允許的情況下，消聲器體積及容

17、量要盡可能的大，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣背壓的要求和對(duì)排氣噪聲的要求。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性上來考慮，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣背壓的要求和對(duì)排氣噪聲的要求的情況下，消聲器體積又要盡可能的小，以達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們應(yīng)該綜合考慮。5、從消聲水平上來看，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲消減得越低越好，至少應(yīng)滿足國(guó)家相關(guān)部門對(duì)客車產(chǎn)品噪聲的規(guī)定的最低要求。6、排氣背壓方面來看，在滿足消減噪聲的基礎(chǔ)上，排氣背壓應(yīng)該盡可能的小。以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣背壓的要求，減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣功率損失。 六、汽車排氣系統(tǒng)布置的設(shè)計(jì)方法: 汽車底盤總體布置中，排氣系統(tǒng)的布置是其中比較重要的部分。排氣系統(tǒng)在整個(gè)汽車底盤中的布置狀態(tài)，直接關(guān)系到汽車產(chǎn)品

18、整體的安全性、環(huán)保性、動(dòng)力性、舒適性和使用壽命。因此，在作底盤總體布置的時(shí)候，我們一定要重視排氣系統(tǒng)的布置情況。如下幾點(diǎn)：(1）排氣系統(tǒng)盡可能的布置在發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口的一側(cè)。以避免因排氣管路過長(zhǎng)，造成排氣阻力增大和其它安全隱患。( 2) 要確保排氣系統(tǒng)排出的廢氣，不得污染發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣，不得影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力。排氣口要盡可能的遠(yuǎn)離進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口。遠(yuǎn)離冷卻構(gòu)件。必須保證不能使排出的廢氣被吸進(jìn)空氣濾清器，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工況 。在設(shè)計(jì)排氣尾管的時(shí)候 ,為了有效地控制排出廢氣的排出方向 ,可以將尾管排氣口 設(shè)計(jì)成“鴨嘴 ”形或者是朝下 45 開斜口 。（3）排氣管路應(yīng)與客車車體之間有一定的間距 , 以避免

19、排氣管高溫灼傷客車油漆，影響客車的外觀質(zhì)量。(4 )一般應(yīng)考慮將排氣管路與燃油箱布置的相對(duì)位置，不能間隔太近。排氣管路與燃油箱之間的間距不得小300 mm。同時(shí) ,燃油箱的加油口和通氣口不允許對(duì)著排氣管的開口方向 ,且應(yīng)距客車排氣管的出氣口端在 300 mm 以上 , 否則應(yīng)該加設(shè)有效的隔熱裝置，以防排氣系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生的高溫灼熱燃油 ,引起危險(xiǎn) 。（5）排氣管路及消聲器與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置橡膠墊、水箱懸置橡膠墊、消聲器懸置橡膠墊、電器線束、車身木質(zhì)構(gòu)件等之間的間隙不能小于150 mm。否則在設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)的時(shí)候，要加以隔熱措施。隔熱板與之的間隔應(yīng)該大于35 mm以上。（6）與燃油管路、機(jī)油濾清器、起動(dòng)機(jī)、怠速提速裝置、停油裝置等油路電器設(shè)備之間的間隙應(yīng)該大于200 mm。七、排氣系統(tǒng)的固定和支撐 排氣系統(tǒng)的固定和支撐包括排氣管路的固定和消聲器的固定兩部分 。其主要作用是支撐排氣系統(tǒng)的重量和消減排氣系統(tǒng)的震動(dòng)；以避免由于排氣管路構(gòu)件因受力及震動(dòng)造成損壞。 這部分的設(shè)計(jì)要注意以下幾個(gè)方面 :( 1 ) 消聲器的固定和支撐必須保證能承受車輛和 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)負(fù)荷和高溫高熱而不致變形損壞 。消聲器的固定方法有很多，一般常用卡箍式固定。這種固定方式簡(jiǎn)單，可靠，靈活。消聲器和固定件的連接應(yīng)該是柔性的，浮動(dòng)的，以衰減消聲器本身的高