乘用車排氣系統(tǒng)消聲器的優(yōu)化設(shè)計

劉繼光，石愛娟

(安徽文達(dá)信息工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 231201)

為滿足人們對低噪聲生活環(huán)境的需求，各國不斷修訂汽車相關(guān)的噪聲法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，要求變得越來越嚴(yán)格[1]。有關(guān)數(shù)據(jù)資料表明，交通噪聲為整個城市環(huán)境噪聲能量的主要組成，約占75%以上，而交通噪聲主要來源為汽車噪聲，會嚴(yán)重污染城市的生活環(huán)境，影響人們的健康、生活及工作。只有控制汽車噪聲，才是緩解城市環(huán)境噪聲、優(yōu)化生存環(huán)境的的重要途徑之一。

1 排氣系統(tǒng)噪聲研究概況

發(fā)動機動力總成系統(tǒng)作為汽車的心臟，在為車輛提供動力的同時，也將振動、噪聲通過懸置系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、車架等路徑傳遞到駕駛室內(nèi)，嚴(yán)重影響了車內(nèi)噪聲水平，影響著乘員的舒適度。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機排氣噪聲往往比其整機輻射噪聲高10～15 dB(A)。合理匹配排氣系統(tǒng)，將排氣系統(tǒng)連接在發(fā)動機車出口，除了凈化發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣外，另一個主要作用是降低發(fā)動機排氣出口的噪聲[2]，因此對排氣系統(tǒng)進(jìn)行噪聲研究具有重要意義。

2 我國汽車排氣系統(tǒng)噪聲治理概況

關(guān)于排氣系統(tǒng)的研究國外發(fā)達(dá)國家起步較早，我國關(guān)于此方面的研究相對較晚，研究內(nèi)容也相對較少，這主要由于國內(nèi)汽車工業(yè)起步較晚，加上各大汽車主機廠在科研、試驗方面投入精力不足所導(dǎo)致[3]。

從排氣系統(tǒng)研究模式來說，國內(nèi)對于排氣噪聲、振動的研究主要依賴于經(jīng)驗設(shè)計和試驗調(diào)試，從實踐中積累經(jīng)驗。近年來，隨著有限元技術(shù)的廣泛應(yīng)用，排氣系統(tǒng)整車裝配狀態(tài)研究愈來愈多，國內(nèi)不少專家做出較大貢獻(xiàn)，取得了豐富的研究成果。

總結(jié)國內(nèi)排氣NVH整改方面的經(jīng)驗可得出，降低排氣系統(tǒng)噪聲、振動可以從以下幾個方面入手[4]：第一，在空間滿足的條件下，盡量增大消聲器容積，不得已情況下再改變消聲器結(jié)構(gòu)。第二，通過改變排氣尾管的形狀、長度，可有效降低排氣管口噪聲。第三，正確合理地設(shè)計波紋管長度、各向剛度，有效隔離發(fā)動機振動向排氣系統(tǒng)熱端的傳遞。第四，設(shè)計初期，對排氣系統(tǒng)進(jìn)行自由模態(tài)分析，將懸吊點的位置布置在上模態(tài)振型節(jié)點附近，且整個排氣系統(tǒng)的懸掛點數(shù)量不宜過多。第五，保證排氣系統(tǒng)懸吊安裝后處于自由狀態(tài)，避免排氣系統(tǒng)安裝時出現(xiàn)別死現(xiàn)象，導(dǎo)致吊耳隔振效果無法發(fā)揮。第六，由于懸吊點被動端安裝在車體地板上，要保證車體地板對應(yīng)部位的動剛度足夠大，才能保證地板連接點衰減振動效果滿足要求。

在排氣系統(tǒng)中，起到關(guān)鍵消聲作用的部件為消聲器，它是一種降噪裝置，降噪原理是阻止聲音傳播，但允許氣流通過。消聲器聲學(xué)性能的設(shè)計好壞直接關(guān)系到整個排氣系統(tǒng)降噪水平，進(jìn)而直接影響排氣尾管噪聲大小，所以也有必要對消聲器進(jìn)行研究。

對于汽車排氣系統(tǒng)，最簡單、有效的措施是在排氣系統(tǒng)中設(shè)計合適的消聲器。對于消聲器聲學(xué)性能的研究，目前我國只側(cè)重于對標(biāo)、試驗、整改試制，在設(shè)計理論方面建立了一維平面波理論和非聲波法的特性線理輪，同時利用聲學(xué)邊界元法建立了二維聲學(xué)邊界元消聲器設(shè)計模型，雖已取得了一定成果，但還沒有達(dá)到國外的研究深度。

對比來看，國外某些發(fā)達(dá)國家對排氣消聲器消聲性能的研究已超前許多，他們主要偏向研究消聲器內(nèi)聲場和流場分布對消聲特性的影響，并建立二維和三維有限元及邊界元設(shè)計模型。

計劃采用一維平面波理論，設(shè)計階段利用GT-power軟件對某款排氣系統(tǒng)消聲器進(jìn)行傳遞損失分析，根據(jù)分析結(jié)果找出消聲器消聲性能不足頻率段，綜合運用試驗方法進(jìn)一步確認(rèn)該排氣系統(tǒng)消聲器需要優(yōu)化，并根據(jù)分析結(jié)果提出消聲器傳遞損失優(yōu)化方案。

3 排氣系統(tǒng)設(shè)計流程

由于國內(nèi)汽車發(fā)展起步較晚，開發(fā)模式相對落后，自主品牌汽車排氣系統(tǒng)的設(shè)計過程仍是采用對標(biāo)開發(fā)模式，不具備外資企業(yè)正向開發(fā)設(shè)計能力。圖1為現(xiàn)階段國內(nèi)自主品牌汽車排氣系統(tǒng)常用的設(shè)計流程圖。

圖1 國內(nèi)自主品牌排氣系統(tǒng)設(shè)計流程圖Fig.1 Flow chart exhaust system design of China’s self-owned brand

其設(shè)計模式為：設(shè)計前期，根據(jù)提供的發(fā)動機相關(guān)技術(shù)參數(shù)、底盤總布置的幾何約束條件、國家對排氣噪聲及污染物排放的要求、公司對發(fā)動機功率損失等要求，進(jìn)行排氣系統(tǒng)布置及設(shè)計，并凍結(jié)數(shù)據(jù)，此時方案一般對標(biāo)標(biāo)桿或根據(jù)以往車型設(shè)計經(jīng)驗來設(shè)計，無正向設(shè)計能力。后期根據(jù)匹配的發(fā)動機及附件系統(tǒng)進(jìn)行實車確認(rèn)噪聲、背壓等性能，由供應(yīng)商協(xié)同進(jìn)行不斷修改與試制，直至排氣尾管噪聲、背壓達(dá)標(biāo)，再開發(fā)工裝樣件，至此完成排氣系統(tǒng)開發(fā)。

在數(shù)模設(shè)計段進(jìn)行消聲器內(nèi)部方案詳細(xì)設(shè)計，借助CAE工具仔細(xì)校核各方案性能達(dá)標(biāo)情況，減少后期試驗驗證周期，縮減開發(fā)成本，從而減少排氣系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)后期所需時間，所以后續(xù)排氣系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計有待借鑒該種開發(fā)類型。目前國內(nèi)排氣系統(tǒng)技術(shù)水平仍較落后，無法達(dá)到正向設(shè)計的高度，值得探索。

4 研究意義

由于排氣系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的原因眾多，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、溫度有關(guān)[5]，同樣也與排氣系統(tǒng)自身降噪能力有關(guān)，所以研究排氣系統(tǒng)消聲性能特性對后續(xù)消聲器結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計格外有意義。