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1、机械工程学院 毕业设计（论文）开题报告毕 业 设 计 题 目 ： 汽 车 发 动 机 排 气 及 其 隔 振 系 统 的 设 计学 生 姓 名 ： 周鹏 指 导 教 师 姓 名 ： 王晓佳 专 业 ： 车 辆 工 程 2013 年 3 月 31 日1.课题名称：汽车发动机排气及其隔振系统的设计2.课题研究背景：“能源与环境”是汽车工业在 21 世纪发展所面临的两大课题，随着汽车工业迅速发展，汽车噪声和排气污染日益严重，而发动机排气系统中振动和噪音是影响汽车行驶舒适性的主要因素1，所以如今我们排气系统的设计上，更加注重于减振的设计。对于现代汽车设计，尤其在排气系统的设计上，减少或克制振动与噪声污
2、染已是刻不容缓。近年来，我国汽车迅速发展，早已成为一个汽车大国，但却不是汽车强国，因为高端市场也就是利润空间最大的市场基本由国外著名厂商占据，国内年轻的汽车厂商则只能占用利润空间相对较薄且市场份额较小的低端市场。其主要原因在于核心技术的掌握，由于国内汽车技术相对国外有较大差距，国内对汽车研究主要采用模仿设计，在试验中就会发现很多的问题，如排气歧管表面温度偏高、排气歧管罩和增压机隔热罩形状不够理想等，甚至出现了排气歧管开裂的问题。针对这些问题，企业及研究组调研讨论得到结论：在设计过程中，只注重排气系统的形状模仿和材料运用，而缺乏对排气系统热应力、动态特性的计算，致使在产品开发时不能提供有效的结构
3、数据指导，也不能在改进设计中找到问题产生的根本原因。2.1 发动机排气系统的发展史汽车最早的排气系统不过是一个让燃烧气体排入大气的孔眼而己,后来为了把随着排气喷出的火焰引向地面,才安装了一根引导排气的管子。那时,发动机没有排气消声装置,排气的噪声震耳欲聋,常使骡马受到惊吓,因此排气噪声被认为是一种严重的公害,许多地方的当局公开宣布,不用马的运输工具不受法律的保护。 发动机的排气消声器起源于海勒姆马克西姆的取得专利的手枪消声器。由于环保法规对车辆排污的标准相当严苛，不论怠速、加速、低速行驶、高速行驶或减速，都必须符合排污标准，车辆在面对这么严苛的限制下，除了在性能与排污中取得平衡点外，唯一的方法
4、就是安装催化转换器了。催化转换器通常以贵重金属为原料，有氧化型催化剂、还原型催化剂及目前绝大多数车辆采用的三元催化转换器。早期的催化转换器多设置于排气管中段的位置，而近来多装在紧接排气歧管之后，好使催化剂加快达到工作温度。图 2-1 排气系统组成图2.2 国外研究概况世界各汽车大国早在 20 世纪 60 年代就开始着力关注汽车排放。日本从 1971 年、欧盟从 1969 年、美国从 1967 年就开始控制机动车噪声，制定噪声法规。国外对汽车噪声的控制起步较早，其中消声器理论的研究最早始于 20 世纪的 20 年代，是美国的 Stewart 首先提出研究抗性的声滤清器理论。其后噪声的控制技术和消
5、声器（如图 2-2）设计得到迅速的发展，其中由日本福田基一教授的专著 噪声控制与消声设计的出版作为机动车噪声控制研究的一个里程碑，总结和发展了以前的消声器理论，奠定了消声器的理论研究的经典基础。图 2-2 消声器结构简图在 70 年代，国外就采用了有限元对消声器进行研究分析，80 年代就实现了三维有限元分析：完成了对一简单扩张腔式消声器、内插管、锥形消声器、偏置式消声器以及回流式消声器传递损失的计算，证明了三维有限元对于结构复杂的消声器是一种有效的分析方法，而一维理论是不适合的；另外国外采用边界元法可有效地确定其四级参数，并将非平均流动对声传播的影响考虑在内。与此同时，计算机迎来了一个高速发展
6、阶段，相应的应用到汽车上的技术也有了空前的发展，计算流体力学的计算方法和数值分析就用在了计算排气系统的流场上包括对排气系统外部环境模拟、排气系统形状模拟、排气系统温度场及热应力场的计算分析。振动辐射声数值方法的发展也是随着有限元方法的问世迅速的发展，D.C.Hodgson 等编制了声辐射计算的边界元方法软件，对落锤的低噪声设计进行了成功的研究；A.R.Mohanty等运用有限元和边界方法分析了微型卡车驾驶室内声场的自然频率、模态振型。近来，计算流体力学（GFD）在发动机领域的应用越来越广，并逐渐形成一个独立的发展分支，其中主要内容之一就是对发动机中的气体流动进行综合数值模拟，现在 CFD 在消
7、声器内的应用也渐渐多起来。如今，随着现代数字信号处理技术的发展以及电子控制装置的性能成本的提高，国际上又提出了有源消声器的概念。在材料的选择上，国外的研究也有一段历史。美国在上世纪 60 年代就开始将铁铬钛不锈钢用于排气系统的制造，日本则在上世纪 70 年代通过重新制定排气标准，促使三元催化转换器在汽车排气系统中安装使用，使得铁铬钛不锈钢在排气系统中得到应用，并在 1989年再次修改，加快了不锈钢材料在排气系统中的应用进程。到了上世纪 80 年代，由于对汽车轻量化的要求，日本将抗氧化和抗热疲劳性能优良的 11Cr-0.2Ti 和 19Cr-0.4Cu-0.3Ni铁素体不锈钢用于排气歧管的制造，
8、板厚达到 2.0mm。到上世纪 90 年代，美国通过研究，在铁素体不锈钢中添加 Nb 和 Mo，增强了不锈钢的耐氧化性，被广泛用于排气系统。在排气系统建模研究上，Ling 等建立了排气系统的一维简化模型，通过梁单元简化建模，同时提出以吊耳最小传递载荷为评价指标，来对吊耳的动刚度进行优化选择；Fang 等人运用 NASTRAN 软件中的壳单元模拟排气管，完成了排气系统非线性模型，取得了较准确的计算结果15。Pang 等人对排气系统的结构动力分析、传递函数及敏感度分析做了总结归纳16；Sanjay S.Patil，V.V.Katkard 等采用了一种新的方法对排气系统进行动力分析17，并在试验数据
9、处理，动载荷的选择和温度变动引起的装配载荷等方面做了阐述，总结其对排气系统振动的影响，并通过 CAE 动态响应分析，进一步研究其对排气系统性能的影响，通过分析提出结构修改方案。Kendra Eads 等对排气系统橡胶吊挂的简化进行了研究，对排气系统的动态特性研究有着指导意义。J. Galindo 等进行了用于改善高速涡轮增压柴油机瞬态性能的排气管的设计4.14，最后提出一种合成排气管的优化设计，并模拟显示潜在的存在一种不仅在发动机低速时改善发动机瞬态性能，而且具有保持催化剂入口的气体温度和稳定的转矩的能力。2.2 国内研究概况 我国政府从 1979 年开始控制机动车噪声，并制定相关的标准（GB
10、1495-79、1496-79)，之后定期修订噪声标准，使得噪声控制的要求变得越来越突出。发动机排气系统主要有单排气系统和双排气系统两种形式。单排气系统主要用于直列型发动机，而双排气系统用于 V型发动机。排气歧管的传统制造材料为铸铁，它具有生产工艺简单，成本低等特点。近年来，随着各种合金材料的开发，不锈钢和各种铝合金材料都被用于排气歧管的生产。我国的汽车行业本来发展就晚于世界水平，所以在排气系统的研究和发展也是相对较晚，但还是取得了不少成绩：束永平对 CPQ2 型叉车油泵齿轮箱在工作过程中单元形心处表面压的计算进行了研究，对其声压进行了详细深入的研究，收获很大；陈朝阳等人利用传递矩阵法对汽车排
11、气消声器进行了性能模拟，并基于理论模拟方法对消声器进行了优化设计取得了良好的效果；赵翔等编制了边界元方法计算程序 BEMSR；邢素芳，王观荣等针对排气气管开裂的实际工程问题，应用有限元分析与试验结合的方法进行研究，验证了排气系统固有频域与发动机转动频率耦合产生共振的设想，并通过改变连接方式改善了排气系统的振动属性。近年来，由于对汽车 NVH 的重视，排气系统的振动研究有了很大的发展。王继先等人对内燃机排气系统振动特性进行了分析6，建立有限元分析模型，得出结论，通过改变橡胶吊耳的位置来改变排气系统固有特性，解决了排气系统怠速工况下振动剧烈的问题；刘名等人进行了排气系统振动分析和悬挂点位置优化7，
12、通过模态分析得到排气系统的固有频率并找到振型节点，得到吊挂垂向刚度对排气系统固有频率的影响规律。根据振型节点优化排气系统吊挂位置，有效地减少排气系统通过吊挂传递到车身底板的力，改善了车辆乘坐舒适性提高了整车 NVH 性能；张宏波等人进行汽车排气系统橡胶隔振装置的设计11，合理地设计了汽车排气系统橡胶吊耳的布置，利用正交设计法研究对橡胶吊耳的性能进行了优化设计。确定了排气系统各橡胶吊耳的动刚度，平衡了橡胶吊耳的隔振性和耐久性，有效降低了排气系统对车内振动噪声的影响。2.4 排气系统设计技术的一个总趋势：在发动机所有运行工况下将进、排气系统及其构成元件相应的运行特性、气体动力特性和声学特性的实际可
13、预测模型合并成一个整体的程序，从而计算出气缸中随着气流通过气门时进行的循环热力过程和气体动力过程，以及随之产生的歧管内和进排气系统波的运动，使发动机性能、燃油经济性和污染排放之间达到一个最佳的匹配平衡。3. 课题研究意义：汽车排气系统是发动机的重要部分，排气系统包括振动、声学、耐久性以及热排放等重要特性；其中振动对排气系统的设计和布局非常重要。排气系统一端与发动机相连，另一端则通过吊钩与车体相连，在车辆行驶中发动机的扭矩波动将激起排气系统的部分模态，并通过排气系统传到车身的吊耳处，这些振动将影响汽车的舒适性；另外一个振动源为通过车轮的路面激励，也将使车身产生振动问题。排气系统吊耳用于隔离排气系
14、统到车身的振动传递，而柔性节（波纹管）主要控制动力总成传递到冷端的振动，起到振动的隔振作用。近年来，随着人们对汽车舒适性要求的不断提高，对汽车振动和噪声控制的研究也越来越重视。对排气系统的研究及设计直接关系到发动机的泵气损失及排放，好的排气系统设计将减少环境污染，甚至起到辅助制动作用，它的设计质量直接关系到汽车的动力性、舒适性和安 全性能，对排气系统的振动研究可以合理设计出悬挂点位置的布置，从而可以有效的减小了排气系统将振动传递到车身，排气系统振动分析一直也是整车 NVH 分析的重要组成部分（随着人民生活水平的提高，汽车的 NVH 性能也受到越来越多的关注）。汽车在使用过程中，排气系统的振动问
15、题有：排气管件的振动疲劳破坏，管道连接部件破裂导致排气泄露，排气系统振动噪声辐射，排气系统悬挂振动脱落等。所以，研究发动机排气及振动系统，不仅解决了排气系统存在的实际问题，而且对提升了整车 NVH 性能具有重要的理论价值和现实意义。4.文献查阅概况1 邢素芳，王现荣，王超，郭占敏，发动机排气系统振动分析，河北工业大学学报，2005.摘要：发动机的振动和噪声特性是影响汽车行驶舒适性的主要因素。本文针对某轻型货车3缸柴油机在使用过程中排气系统发生开裂的现象，运用有限元分析与试验结合的方法进行研究。结果表明：发动机的转动频率与该排气系统的固有频率发生耦合，引起了共振。通过改进发动机与排气系统的连接方
16、式等措施改变了排气管的固有频率，降低了振动经样车试验得到满意的结果。结论：利用现代工程结构分析软件和试验测试技术，系统研究了样车发动机排气系统振动问题，找到了发动机排气管开裂的主要原因根据分析结果对原排气系统连接方式进行了改进，经样车验证，问题得到了较好的解决。2 方勇，张建武，基于有限元的汽车排气系统模态分析，苏州市职业大学学报，2009摘要：排气系统的振动必然带来汽车整车的振动和噪声，影响汽车的整车性能,特别是轿车的乘坐舒适性。利用 HyperWorks 建立排气系统的有限元模型,完成了该系统的模态分析。分析结果可为结构设计提供依据。结论：对某车型的排气系统进行了有限元模态分析， 获得了系统的模态参数。 为改进结构设计提供了理论依据;；为进一步建立系统的振动方程 ,，预估系统在外界激励作用下的响应，
