乘用车排气系统消声器的优化设计

2021-01-28刘继光石爱娟

黑龙江科学 2021年2期

刘继光，石爱娟

(安徽文达信息工程学院机械与汽车工程学院，合肥 231201)

为满足人们对低噪声生活环境的需求，各国不断修订汽车相关的噪声法规和标准，要求变得越来越严格[1]。有关数据资料表明，交通噪声为整个城市环境噪声能量的主要组成，约占75%以上，而交通噪声主要来源为汽车噪声，会严重污染城市的生活环境，影响人们的健康、生活及工作。只有控制汽车噪声，才是缓解城市环境噪声、优化生存环境的的重要途径之一。

1 排气系统噪声研究概况

发动机动力总成系统作为汽车的心脏，在为车辆提供动力的同时，也将振动、噪声通过悬置系统、排气系统、车架等路径传递到驾驶室内，严重影响了车内噪声水平，影响着乘员的舒适度。有关数据表明，发动机排气噪声往往比其整机辐射噪声高10～15 dB(A)。合理匹配排气系统，将排气系统连接在发动机车出口，除了净化发动机运转过程中产生的废气外，另一个主要作用是降低发动机排气出口的噪声[2]，因此对排气系统进行噪声研究具有重要意义。

2 我国汽车排气系统噪声治理概况

关于排气系统的研究国外发达国家起步较早，我国关于此方面的研究相对较晚，研究内容也相对较少，这主要由于国内汽车工业起步较晚，加上各大汽车主机厂在科研、试验方面投入精力不足所导致[3]。

从排气系统研究模式来说，国内对于排气噪声、振动的研究主要依赖于经验设计和试验调试，从实践中积累经验。近年来，随着有限元技术的广泛应用，排气系统整车装配状态研究愈来愈多，国内不少专家做出较大贡献，取得了丰富的研究成果。

总结国内排气NVH整改方面的经验可得出，降低排气系统噪声、振动可以从以下几个方面入手[4]：第一，在空间满足的条件下，尽量增大消声器容积，不得已情况下再改变消声器结构。第二，通过改变排气尾管的形状、长度，可有效降低排气管口噪声。第三，正确合理地设计波纹管长度、各向刚度，有效隔离发动机振动向排气系统热端的传递。第四，设计初期，对排气系统进行自由模态分析，将悬吊点的位置布置在上模态振型节点附近，且整个排气系统的悬挂点数量不宜过多。第五，保证排气系统悬吊安装后处于自由状态，避免排气系统安装时出现别死现象，导致吊耳隔振效果无法发挥。第六，由于悬吊点被动端安装在车体地板上，要保证车体地板对应部位的动刚度足够大，才能保证地板连接点衰减振动效果满足要求。

在排气系统中，起到关键消声作用的部件为消声器，它是一种降噪装置，降噪原理是阻止声音传播，但允许气流通过。消声器声学性能的设计好坏直接关系到整个排气系统降噪水平，进而直接影响排气尾管噪声大小，所以也有必要对消声器进行研究。

对于汽车排气系统，最简单、有效的措施是在排气系统中设计合适的消声器。对于消声器声学性能的研究，目前我国只侧重于对标、试验、整改试制，在设计理论方面建立了一维平面波理论和非声波法的特性线理轮，同时利用声学边界元法建立了二维声学边界元消声器设计模型，虽已取得了一定成果，但还没有达到国外的研究深度。

对比来看，国外某些发达国家对排气消声器消声性能的研究已超前许多，他们主要偏向研究消声器内声场和流场分布对消声特性的影响，并建立二维和三维有限元及边界元设计模型。

计划采用一维平面波理论，设计阶段利用GT-power软件对某款排气系统消声器进行传递损失分析，根据分析结果找出消声器消声性能不足频率段，综合运用试验方法进一步确认该排气系统消声器需要优化，并根据分析结果提出消声器传递损失优化方案。

3 排气系统设计流程

由于国内汽车发展起步较晚，开发模式相对落后，自主品牌汽车排气系统的设计过程仍是采用对标开发模式，不具备外资企业正向开发设计能力。图1为现阶段国内自主品牌汽车排气系统常用的设计流程图。

图1 国内自主品牌排气系统设计流程图Fig.1 Flow chart exhaust system design of China’s self-owned brand

其设计模式为：设计前期，根据提供的发动机相关技术参数、底盘总布置的几何约束条件、国家对排气噪声及污染物排放的要求、公司对发动机功率损失等要求，进行排气系统布置及设计，并冻结数据，此时方案一般对标标杆或根据以往车型设计经验来设计，无正向设计能力。后期根据匹配的发动机及附件系统进行实车确认噪声、背压等性能，由供应商协同进行不断修改与试制，直至排气尾管噪声、背压达标，再开发工装样件，至此完成排气系统开发。

在数模设计段进行消声器内部方案详细设计，借助CAE工具仔细校核各方案性能达标情况，减少后期试验验证周期，缩减开发成本，从而减少排气系统设计开发后期所需时间，所以后续排气系统开发设计有待借鉴该种开发类型。目前国内排气系统技术水平仍较落后，无法达到正向设计的高度，值得探索。