基于绝对坐标的商用车排气管设计

李小润，田大庆，李光耀，偶建磊，陈青松

基于绝对坐标的商用车排气管设计

李小润1，田大庆1，李光耀1，偶建磊1，陈青松2

（1.四川大学制造科学与工程学院，成都610065；2.一汽解放柳州特种汽车有限公司，广西 柳州545006）

针对常规设计方法容易引起的排气管漏气、排气管难以加工及整车排气系振动较大的问题，文章使用CAD、CATIA和EXCEL工具，提出利用绝对坐标对商用车排气管进行精确化设计的方法，使设计、计算和检验一体化，大大缩短设计和检验周期，已在生产实践中得到应用。

排气系统；精确化设计；绝对坐标；一体化设计

商用车排气系统承接发动机排气的噪声及振动动力，又传递尾气的处理，对整车动力性、环保性和舒适性起到重要的影响。我国已在2013年7月正式实施国四排放，国五排放实施正紧张跟进。柴油发动机虽有油耗低、动力强、安全性好的优点，然而工作时会出现冒黑烟和振动的问题，产生较大的机械噪声、气体动力噪声和燃烧噪声［1］。在提倡清洁无污染、无噪声的当今社会，排气系统的精密化设计显得尤为重要。目前常用的商用车排气系统设计方法难以解决由上述难题引起的漏气、振动和排气管难以加工的问题，对整车性能影响较大［2］。文章提出一种新思路，利用CAD、CATIA和EXCLE，建立绝对坐标贯穿整个排气管设计、计算和检验，将三个必要步骤集于一体化，提供一种简易可行并高效的设计方法。

1　商用车排气管设计难题及准则

1.1排气管的设计难题

商用车排气管因整车配置变化而弯曲跨度很大，设计时一般会遇到如下难题：

1）排气外形的设计误差较大，会增加排气内应力和背压值。

2）复杂配置的车型，排气的走向往往特别崎岖，需避开各类细微的干涉。

3）市面上大量使用的弯管机加工的排气管，由于模具的限制而不能确定何种弯曲程度能顺利将排气管精确加工出来。

4）排气管连接的结构也会影响排气系整体密封性，出现漏气情况，造成整车的动力性不足和对环境的污染。

1.2排气管的设计准则

排气管的设计除了满足必须的国家法规标准之外，还应注意潜在的设计隐患。笔者通过对前人设计的总结和市面上商用车排气管出现的问题，提出以下应注意的主要设计准则：

1）在满足设计要求的情况下，应尽量减少弯曲的数量，避免引起排气背压的增大和增加工艺成本，一定程度上也会影响排气管的安装和维修。

2）为了保证排气管中气体流动顺畅、减小背压，排气管的弯曲幅度不宜太大，一般弯曲角度必须大于90°，控制在135°～180°左右为宜［3］。角度弯曲偏差过大对排气管本身的强度也有很大影响。

3）若安装国四排放标准的排气系，尿素喷嘴应置于直段较长的排气段，并要靠近尿素箱位置，以节省尿素管较长带来的成本压力，且喷嘴方向应与排气直段相差3°～5°以保证与气体充分混合［4］。

4）排气管本身工艺，外表需喷涂耐高温油漆，内部管壁也需要光滑，以免尿素或者水分堆积结晶，影响排气性能。

5）设计时应注意排气制动阀应置于波纹管的前方以防振动，而波纹管置于尿素喷嘴的前方以防腐蚀；排气管管身和消声器由于温度过高必须离油箱至少50 mm的距离防止意外事故的发生。排气出口方向应避开燃油箱、散热器、中冷器、空滤器进气口及驾驶室舱等。

2　排气管设计

2.1排气管径的计算

排气管的设计必须考虑管径的大小，排气管管径不仅对排气背压有着重要的影响，而且影响排气的流量、温度和油耗。一般而言，总管直径和外形对总体性能影响较大，喉口收缩率次之，排气入流角的影响甚微［2］。若排气管径越小，则排气噪声越小，然而整车的经济性能和动力性能会降低；若增大排气管径，则排气性能增加，而噪声变得更大。因此，在设计时，应兼顾排气系整体性，在排气管、波纹管和消声器之间找到一个合理的平衡点［5-6］。

1）排气流量的计算。Q=（Tb+273）ψQi/（Ts+273）。其中：Tb为排气温度，℃；Ts为进气温度，℃；ψ取0.98；Qi为进气流量。

2）排气管径的计算。排气气流的速度为V，则V=Q/A。设排气管的直径为d，则排气管的截面积为A=πd2/4，从而求得排气管直径，进而选择接漏合适的消声器。

2.2排气走向的设计

确定排气管的管径后，可设计排气管管路走向。商用车排气管走向主要与车辆的驱动型式和发动机有关。发动机决定排气出口点，驱动型式则对后处理器或消声器以及其他部件的位置有重要影响，随之决定排气管走向。以6×4的车型、一汽锡柴发动机为例，使用绝对坐标进行设计。主要步骤包括取点、建模和计算与检验。

2.2.1取点

首先，确定坐标零点：商用车布置设计以前轴的中心点为坐标x、y零点，以车架下翼面为z零点，如图1所示，建立三维绝对坐标，0点位于CAD二维平面图x=0，y=0处（即坐标原点，相应的CATIA也是坐标原点处）。布置发动机后，则可确定发动机排气出口的绝对坐标A，设A的三个坐标值分别为Ax、Ay、Az，如图2所示。

打开排气出口点的属性对话框就可以知道Ax= 176.22，Az=620.92（此处取z=y，取点值的单位均为mm）。由发动机外形参数得Ay=573.85。故所得A点的排气出口点为A（176.22，573.85，620.92）。此处为排气出口点，将波纹管和排气制动阀按要求布置上之后，可得排气管设计的起始点B（240.39，573.85，343.24）。这样，根据设计需要和设计准则，利用上述获取点的方法，依次得点为C（324.34，573.85，-20.00），D（740.00，573.85，-250.00），E（1050.00，365.00，-180.00），F（1535.00，365.00，-180.00）（点B、C、D、E、F的具体设计位置见图3）。如此取点过程全部完成，即排气管在这些点进行弯曲。

2.2.2CATIA建模

取点过程完成后，同样，利用所获取点的绝对坐标，一一对应地可将排气管在CATIA中建模，如图3所示。

如此可得到利用CAD及CATIA基于绝对坐标建立的排气管模型。排气管相对于原点的位置，对应于整车中排气管相对于整车零点的位置，这也便于对整车的建模和空间干涉验证。

2.2.3计算与验证

基于已获取的各点三维坐标，在EXCEL上编辑函数计算排气管段，求取排气管的结构参数。通过使用函数和公式将各段的直段长度和弯转角算出，这样可检验是否容易引起排气背压过大，或者由于剩余直段不足导致排气管不能加工。例如，取一弯曲处进行分析：在EXCEL表格中，分别将BC、CD举例算出记为L1、L2，并编辑函数随之算出∠BCD，记为∠α1，得出相应弯转角；将因倒角占去的直段得出为S1、S2；用H表示剩余直段，所以得H1=L1-S1。以此类推，可得H2=L2-S1-S2；H3=L3-S2-S3；H4=L4-S3……

据之前已获得排气管段的5点即B、C、D、E、F，将坐标输入表1左侧的深色填充栏，相应的参数通过EXCEL自身函数计算得右方区域的值。可以看到，中间和右端深色区域两直段之间的角度也在合理的范围之内，且所有直段都大于模具允许的设计直段长度，则设计时是可行的。

表1　排气管参数计算与验证表格

这样，对任意确定的设计参数，都能立即直观判断出设计的合理性，更能精确和快速地将产品进行建模，减少许多不必要的步骤。

2.3排气系的装配

排气管的设计和装配都对整个排气系统有重要影响。排气系从前到后主要包括排气制动阀、波纹管，此处的安装必须增加密封垫片，并使用螺栓紧固；之后通过与法兰焊接的排气管连接。在排气管与消声器连接处，要避免使用法兰等固联结构，应使用夹箍等活动元件，以便调整装配过程中出现的偏差［7］。螺栓拧紧顺序应从前往后，避免应力集中在前段，对排气制动阀或发动机造成内应力冲击［8］。若装配国四、国五排放标准的排气系，应注意保护尿素喷嘴、氧传感器、氮氧化物传感器等重要功能部件。

3　结束语

通过对现阶段排气管设计方法的研究以及对排气管设计常见问题的分析，提出了基于绝对坐标综合应用CAD、CATIA和EXCEL对排气管一体化设计的方法。从排气系的取点、建模到验证，均利用绝对坐标，不需要进行任何复杂的数值转化。取点精确度高，能减小配合误差防止排气漏气的产生，保证了设计的精度。编辑的函数表达式也能直观得出各弯曲角度和排气剩余直段的值，解决了排气厂家难以加工或加工不合格的难题。提高了设计效率，而且大大缩短设计周期。事实上，本方法能对任意复杂空间结构的排气管设计均能有效地计算，并能直观地判断设计方案的可实施性，一定程度上也节省了成本。而且该方法设计的排气管返修率低、可装配性好，在生产实践中已得到应用，具有良好的推广性［9-10］。

［1］祝龙林.重卡用国V发动机排气后处理系统设计［J］.汽车实用技术，2012，（7）：17-22.

［2］邢素芳，王现荣，王超，等.发动机排气系统振动分析［J］河北工业大学学报，2005，34（5）：109-111.

［3］强永平，郑昊，徐春龙，等.排气管特征参数优化设计研究［J］.柴油机，2011，33（1）：11-19.

［4］张光慧，万茂林，黄磊.汽车排气系统的三维设计和有限元分析［J］.轻型汽车技术，2012，（4）：7-10.

［5］冯骅.里卡多公司X300型发动机排气管直径的选取［J］.国外铁道机车与动车，1982，（10）：18-20.

［6］边杰，季振林，刘晨.消声器结构对排气噪声和发动机性能的影响［J］.汽车工程，2011，33（6）：541-543.

［7］吴永桥，鄢奉林.汽车排气总管的静力分析和模态分析［J］.武汉汽车工业大学学报，2000，22（3）：11-13.

［8］杨胜.客车排气系统设计［J］.客车技术与研究，2009，31（2）：26-28.

［9］胡效东.关于发动机排气管消声器的研究［J］.机电产品开发与创新，2006，（1）：64-66.

［10］邢素芳.发动机排气系统振动分析［J］.河北工业大学学报，2005，34（5）:109-101.

修改稿日期：2014-08-15

Design on Commercial Vehicle Exhaust Pipe Based on Absolute Coordinates

Li Xiaorun1，Tian Daqing1，Li Guangyao1，Ou Jianlei1，Chen Qingsong2
（1.School ofManufacturingScience and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.FAWLiuzhou special automobile Limited company，Liuzhou 545006，China）

Aiming at some problems causing from conventional forms of design methods such as air leakage，processing difficulty of the exhaust pipe and bigger vibration of the vehicle，the authors provide a special design means usingabsolute coordinates，combiningCAD，CATIA and EXCEL to design the exhaust pipe.This method makes the integration ofdesign，calculation and check，savingdesign and check time greatlyand is used in practice.

exhaust system；precision design；absolute coordinate；integrated design

U464.134+.4

B

1006-3331（2015）01-0032-03

李小润（1990-），男，在读硕士研究生；主要研究方向为工业控制和智能控制系统。