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1、 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本文通过对汽车排气系统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Analysis and d
2、esign of the exhaust systemABSTRACTAlong with the city vehicle increasing noise pollution has seriously disrupt peoples lives Automobile exhaust noise is one of the main noise source of automobile and the automobile exhaust system performance determines the exhaust noise level Therefore a good set o
3、f exhaust system with a muffler is better for reducing engine exhaust noise effectively so the exhaust system muffler design is being paid more and more attentionIn this paper based on the comprehensive analysis of the automotive exhaust system the exhaust system performance but also on the muffler
4、and exhaust system design method Establishment of the exhaust system analysis model using finite element analysis software for automotive exhaust system characteristics of sound field calculation system field distribution summarizes the structure parameters and the perforated tube muffler performanc
5、e influence The results of simulation analysis on exhaust performance of the whole system has important guiding significance for optimization Through research and analysis summed up the development of exhaust muffler design process typical anechoic structure calculation method as well as the exhaust
6、 system design methods and process development for the next step which can be used for exhaust muffler design and performance prediction of software provides important basisKEY WORDS Automotive exhaust systems acoustic analysis Noise Controlthe design of muffler前言1第1章 绪论311汽车排气系统的国内外研究状况312本课题的主要研究目
7、的与内容4第2章 汽车排气系统理论基础621汽车排气系统理论6211汽车排气系统的基本要求6212汽车排气系统的结构组成及其功能6213汽车排气系统设计中的材料分析及其选择922汽车排气系统的声学分析11221排气系统噪声发生机理11222影响排气噪声的主要因素12223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1531消声器的基础理论1532汽车排气消声器分析设计方法16321排气噪声的频率特性16322消声器的设计指标的确定1733消声器结构的确定18331消声器的结构类型的确定18332排气消声器进出气管内径的确定18333消声器容积及截面形状的确定19334消声器外
8、形尺寸L和D以及消声器腔数n的确定21335消声器各腔长度的确定22336消声器穿孔管扩张腔结构参数确定23337消声器内各腔连接的确定2434消声器声学性能分析方法24341 一维平面波理论分析25342 三维数值仿真分析方法2535消声器空气动力性分析计算2736消声器的改进设计29第4章 汽车排气系统消声器的设计3041消声器结构基本参数的确定30411 排气消声器进出气管内径的确定30412 消声器容积及截面形状的确定30413 消声器外形尺寸L和D以及消声器腔数n的确定30414消声器各腔长度的确定31415 消声器结构参数确定结果32416 内插管布置方式及长度确定3342消声器结
9、构模型的建立3343消声器最终结构的确定34结论35谢 辞36参考文献37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
10、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
11、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 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 第1章 绪论11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
12、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
13、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
14、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现内
15、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12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计与改进提高依据3针对某典型发动机利用当
