汽车后消声器布置优化方案设计

王荣

（泛亚汽车技术中心有限公司）

在汽车后端模块研发中，消声器的方案影响后悬、行李箱容积、备胎形式等关键参数。在给定后端模块布置及设计边界条件下，短后悬如何实现大行李箱容积目标，是急需解决的问题。在架构开发阶段，针对消声器的不同方案，对周边零部件、后悬尺寸、行李箱容积、车身成型等影响分析，并根据备胎策略、后悬尺寸等特点，确认最优方案，对开发同架构不同车型的后端模块将具有参考意义。

1 消声器的设计及布置要求

1.1 设计要求

1）具有良好的消声性能，即要求消声器具有较好的消声频率特性，在所需要的消声频率范围内有足够大的消声量；

2）具有良好的空气动力性能，要求消声器对气流损失要小，达到装上消声器后，所增加的阻力损失不影响设备的工作效率，保证进排气通畅；

3）在结构性能上，要求消声器体积小、结构简单、便于加工、经济实用、无再生噪声等；

4）消声器容积与发动机排量、发动机额定功率下的转速、发动机冲程数、发动机缸数有关；

5）由于布置空间和外观需要等原因，往往将消声器做成各种形状，常见的有圆形截面、椭圆形截面等。依据一维平面波理论，只要扩张比相同，不同形状的消声器性能是一样的。但实际上，由于高次谐波的存在，不仅消声器的形状，而且进出气管的位置等对消声器性能都有一定的影响。通过用有限元法对不同形状的消声器性能进行数值模拟，在频率较低的平面波范围内，消声器的性能仅与扩张比有关，而与截面形状无关。而当频率较高时，由高次谐波的影响，在扩桩比相同的条件下，不同截面形状的消声器的性能是不一样的。在各种不同的截面形状中，截面为圆形的消声器性能最优。在截面面积相同的条件下，消声器越扁平，其性能越差。因此，在不影响消声器安装空间尺寸的条件下，截面形状应尽量取圆形，考虑到汽车排气系统总布置，可以选择类跑道式。

图1为典型的消声器及其周边零部件示意图，选择正确的消声器方案，可以对后悬、行李箱容积、备胎形式、备胎布置要求等产生最优的布置效果。

图1 消声器及周边零部件示意图

1.2 布置要求

消声器的布置要求如表1所示。

表1 消声器的布置要求

2 消声器布置方案

考虑某车型有2种发动机配置，对消声器容积要求不同，一种要求14 L，另一种要求20 L，并且考虑出口国外大备胎要求，从布置的角度来看，20 L消声器搭配大备胎组合是对空间要求最苛刻的，因此，仅针对该组合进行方案设计。

2.1 异想天开的创新方法

采用异想天开的创新方法解决消声器大容积、短后悬、大行李箱容积、大备胎的布置空间困难问题。例如，随机选取一个词，棒球运动，根据自身特点可以帮助我们找到新的关联素材。通过棒球运动可以联想到棒球的形状、棒球落地时的形变、棒球材料、传球击球的动作传递等因素。进行创新联想后，上述棒球的因素可转变为消声器的形状、对应备胎坑的形状、消声器材料、前中后消声器的容积等设计概念。

2.2 TRIZ矛盾创新方法

利用TRIZ矛盾创新方法分析解决消声器布置困难、空间不足的问题，如图2所示。TRIZ是一组独立于行业、最有效的解决技术问题的方法。消声器布置最困难的问题是需要满足消声器热分析，最直接的方法是降低备胎坑温度，这一项确认为改良参数，在矛盾表中查出为第17行：温度。考虑降低备胎坑温度的方式有4种，这4种方式实施会产生5项变差的结果。变差参数对应在矛盾表列项分别是4、8、2、13、8。查矛盾表，在改良参数和变差参数相交处找到发明法则。

图2 TRIZ矛盾创新方法开发分析解决消声器布置困难问题

改善备胎坑温度满足热分析，从而改善备胎坑与消声器间隙、改良参数、变差参数，发明法则如表2所示，并考虑每条法则应用在消声器方案的新想法。

表2 TRIZ在消声器方案上的应用

采用异想天开法和TRIZ法，剔除不可控因素，创造新想法如表3所示。

表3 消声器布置创造新想法汇总

2.3 开发设计方案及对比

通过异想天开、TRIZ开发分析等方法，得到各种创新方案，并融合成以下6个20 L消声器、大备胎开发设计方案：

1）消声器冲压纵置，并旋转，布置在备胎坑左右侧，消声器主体材料设计成耐热、坚实，加隔热罩，抬高消声器；

2）消声器冲压横置，并旋转，布置在备胎坑X向前侧，消声器主体材料设计成耐热、坚实，加隔热罩，抬高消声器；

3）消声器卷包纵置，并旋转，布置在备胎坑左右侧，消声器主体材料设计成耐热、坚实，加隔热罩，抬高消声器；

4）消声器卷包横置，并旋转，布置在备胎坑X向前侧，消声器主体材料设计成耐热、坚实，加隔热罩，抬高消声器；

5）消声器冲压，备胎外挂；

6）消声器卷包，备胎外挂。

剔除不满足项目定义边界条件的想法，结合客户呼声及成本、时间、质量、风险等要求对6个开发概念进行普氏分析。其中第1列为基准方案列，第2～6列均为与第1列相应方案的比较，优于第1列基准方案的用“＋”表示，劣于基准方案的用“－”表示，无变化的用“S”表示。分析结果见表4。

表4 20 L消声器，大备胎方案开发设计方案及对比

经过普氏分析，方案4、5、6均增益优于其它方案，但是方案5和方案6备胎外挂，X向对行李箱容积影响比较大，且该平台所开发的车型暂时没有备胎外挂应用，技术风险略高于其他方案，同时考虑备胎坑钣金与其他方案（比如14 L消声器和小备胎组合）共用，因此20 L消声器、大备胎，选择方案4。

3 设计方案总结及影响分析

3.1 消声器设计方案总结

考虑14/20 L、大/小备胎多种组合、后地板钣金共用策略，最终确认的方案为14/20 L、大小备胎均采用卷包消声器横置，抬高并旋转消声器，增加隔热罩，消声器材料耐热、结实，且备胎坑共用的方案，示意图如图3所示。

图3 消声器设计方案示意图

3.2 消声器方案对后端模块影响分析

消声器布置影响后端模块最主要因素有工艺和布置方式：1）卷包消声器，满足消声器卷包成型性要求，对布置空间要求高，优点是成本低，如果布置空间充裕，从成本角度出发，一般采用卷包消声器方案；2）冲压消声器，可与周边零件保证间隙的同时随形周边零部件，布置更方便，相对于卷包消声器,冲压形式的成本和质量都略高，对于紧凑型车型又要求配有大备胎方案，可以在成本、质量、技术风险上评估后确认是否采用冲压消声器；3）横向消声器，布置在备胎坑的下方或者X负向侧方，在保证了离地间隙和路缘区域要求后，需要上抬消声器,对行李箱容积影响较大，对后悬尺寸影响较大；4）纵向消声器，左右受备胎坑和纵梁间隙影响，在满足离地间隙及容积要求前提下，对后悬尺寸影响比较大，另外有从汽车尾端看到消声器的风险。

文章在方案选择的时候，考察了冲压、卷包、横置、纵置的不同组合策略，并针对布置要求最为苛刻的组合（20 L消声器、大备胎）进行了普氏分析，考虑14/20 L、大/小备胎多种工况下后地板钣金共用策略。依据普氏分析结果，行李厢容积表征看起来是弱项，可以通过消声器的参数优化平衡各评价指标，最终确认最优参数消声器的最佳方案。