吳熙平

摘要：隨著駕乘人員對(duì)駕乘舒適度、操控性的不斷提升，汽車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)汽車消聲器性能指標(biāo)提出了更高的要求，因此進(jìn)一步優(yōu)化消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是提升汽車排氣消聲器性能指標(biāo)重要途徑。

關(guān)鍵詞：汽車排氣消聲器;消聲器性能;優(yōu)化

汽車排氣消聲器主要是通過消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如：迷宮式結(jié)構(gòu)、擴(kuò)張室、共振腔、阻性包等結(jié)構(gòu)的阻性、抗性、阻抗復(fù)合消聲器形式，消耗、隔離排氣噪聲能量達(dá)到降低排氣系統(tǒng)噪音的功效。

排氣消聲器性能的好壞，主要通過實(shí)車試驗(yàn)檢測(cè)和主觀評(píng)價(jià)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)室及消聲室等進(jìn)行相應(yīng)的消聲器插入損失，汽車加速行駛車內(nèi)、外噪聲及車輛定置噪聲等性能的測(cè)試評(píng)價(jià)。

優(yōu)化是根據(jù)排氣噪聲頻譜的波峰及超標(biāo)部分的情況，通過CAE仿真設(shè)計(jì)計(jì)算分析調(diào)整、改變消聲器結(jié)構(gòu)達(dá)到降低波峰及超標(biāo)排氣噪音的目的

1.某款MPV汽車排氣消聲器優(yōu)化項(xiàng)目介紹

主機(jī)廠對(duì)該車現(xiàn)有排氣系統(tǒng)性能指標(biāo)比較滿意，但對(duì)采用的雙模態(tài)消聲器總成的雙模態(tài)閥門產(chǎn)品耐久性有些擔(dān)心，希望有個(gè)備用方案。故需對(duì)消聲器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化取消雙模態(tài)閥門。

（1）項(xiàng)目目標(biāo)：新系統(tǒng)性能指標(biāo)不低于原方案水平（原方案作為目標(biāo)）。

（2）項(xiàng)目資源：主機(jī)廠提供：測(cè)試用車

采集系統(tǒng)：LMS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，振動(dòng)噪聲儀、轉(zhuǎn)速表、車速測(cè)量?jī)x、PCB 傳聲器，壓力傳感器，BK 聲級(jí)計(jì)，Dell 移動(dòng)工作站等。冷流試驗(yàn)臺(tái)、樣件試制。

2.原汽車排氣消聲器性能測(cè)試

首先通過實(shí)車及實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)原排氣系統(tǒng)性能測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容是：檢測(cè)車內(nèi)（駕駛員左右兩側(cè)、中排、后排）、車外噪聲值（定置、汽車加速通過）、排氣系統(tǒng)背壓值及模態(tài)測(cè)試。

2.1 排氣系統(tǒng)性能測(cè)試

為了更好地了解原產(chǎn)品（雙模消聲器）的實(shí)際性能，以及了解主機(jī)廠所提供的試驗(yàn)車的車輛性能，特制定原產(chǎn)品測(cè)試與計(jì)算計(jì)劃。

2.1.1 實(shí)車測(cè)試：測(cè)試車輛：主機(jī)廠提供的試驗(yàn)車。測(cè)試對(duì)象： 排氣系統(tǒng)總成：

測(cè)試對(duì)象有：原方案：0#中消（帶閥門）、0#中消（全開）、0#中消（全閉）、0#后消（帶閥門），以及對(duì)比方案中消1#。

（1）實(shí)車測(cè)試場(chǎng)地：測(cè)試場(chǎng)地北京交通部試驗(yàn)場(chǎng)，按照GB 1495-2002布置場(chǎng)地。

（2）測(cè)試環(huán)境：從測(cè)試環(huán)境來看，氣溫為30℃，風(fēng)速 2-4m/s，為道瀝青路。

（3）測(cè)試設(shè)備：LMS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、振動(dòng)噪聲儀、轉(zhuǎn)速表、車速測(cè)量?jī)x、PCB 傳聲器、壓力傳感器、聲級(jí)計(jì)。

（4）測(cè)試工況：（定置：怠速、2GWOT）

依據(jù)GB/T 14365-1993，進(jìn)行機(jī)動(dòng)車輛定置噪聲測(cè)量：怠速時(shí)的排氣尾管輻射噪聲及發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速急加速到轉(zhuǎn)速為6000rpm時(shí)提速、減速過程的排氣尾管輻射噪聲。

依據(jù)GB 1495-2002，裝載自動(dòng)變速器的M1輕型車汽車加速測(cè)試工況有：

入線車速30km/h、40km/h、50km/h，加速踏板踩到底，直至出線;

2.1.2 冷流測(cè)試：測(cè)試設(shè)備： 冷流臺(tái)及半消聲室 、 測(cè)試對(duì)象： 排氣消聲器總成

測(cè)試數(shù)據(jù)： 插入損失、壓力、流速、流量等

2.1.3 模態(tài)測(cè)試：測(cè)試設(shè)備： 模態(tài)振動(dòng)測(cè)試臺(tái)、測(cè)試對(duì)象： 排氣消聲器總成

測(cè)試數(shù)據(jù)： 自由模態(tài)、約束模態(tài)

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)：

2.2.1 加速行駛車外噪聲試驗(yàn)： 自動(dòng)檔模式，加速行駛車外噪聲，單位：dB（A）

30km/h進(jìn)、出線速度（km/h）、轉(zhuǎn)速（rpm）、測(cè)量值： 30/1590，39/73.6dB

40km/h進(jìn)、出線速度（km/h）、轉(zhuǎn)速（rpm）、測(cè)量值： 40/1570，52 /69.8dB

50km/h進(jìn)、出線速度（km/h）、轉(zhuǎn)速（rpm）、測(cè)量值： 50/1520，55 / 70.5dB

數(shù)據(jù)分析：由上表得出，該車加速行駛車外噪聲為73.0dB（A），符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（≤74.0dB（A））。

2.2.2定置怠速尾口噪聲59-63dB均高于目標(biāo)線58dB：

2.2.3階次噪聲：（2階、4階、6階、8階）均有部分頻率高于目標(biāo)線。

2.2.4 排氣背壓等均符合目標(biāo)值曲線。

2.2.5 模態(tài)測(cè)試結(jié)果：自由模態(tài)：試驗(yàn)與仿真模態(tài)頻率相接近，除 4、5、6 階模態(tài)頻率誤差在 10%左右外，其余各階均在5%以內(nèi)。

約束模態(tài)：仿真與試驗(yàn)值相接近，差值基本都在 5Hz 范圍之內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率為 26.6Hz，二階橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率在 22Hz 和 29Hz 左右，避開了怠速激勵(lì)頻率。因此在怠速下，發(fā)動(dòng)機(jī)不存在激起排氣系統(tǒng)共振的隱患。

3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)的CAE仿真分析

CAE仿真分析包括：聲學(xué)計(jì)算：一維聲學(xué)，三維聲學(xué)計(jì)算（GT-POWER、 ANSYS）

流體計(jì)算：CFD三維流體計(jì)算（Fluen）、結(jié)構(gòu)計(jì)算：模態(tài)分析 ?（Nastran）等

針對(duì)超出目標(biāo)線以外的波峰頻率進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案多采用以下方法：當(dāng)總聲壓級(jí)大部分高于目標(biāo)線時(shí)，可調(diào)整消聲器容積結(jié)合增加阻性包，減小進(jìn)、出氣管管端直徑。當(dāng)?shù)皖l部分較寬頻段高于目標(biāo)線時(shí)，可采用加大消聲器或第一腔室容積也可采用雙模態(tài)閥門。當(dāng)?shù)皖l有窄幅波峰高于目標(biāo)線時(shí)，可采用設(shè)計(jì)共振腔的方式，以消除噪音波峰。當(dāng)中高頻較多部分高于目標(biāo)線時(shí)，可采用增加阻性消聲結(jié)構(gòu)的方式。須經(jīng)過聲學(xué)分析計(jì)算后進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.消聲器的CFD優(yōu)化

經(jīng)過測(cè)試，雖然該車排氣消聲器性能良好，但是為了能夠仿真分析排氣消聲器中的氣流特性，可以對(duì)三維CFD仿真的方式進(jìn)行使用。

針對(duì)副消聲器而言，改變第一腔穿孔管的穿孔率，可以降低二次噪聲;將孔開在第三腔的內(nèi)插管表面，降低排氣背壓;針對(duì)主要消聲器，第一腔中的排氣管長(zhǎng)度可改短，提升第一穿孔管的孔徑和穿孔率，以便更多的氣體流入，第三腔的進(jìn)氣管縮短，降低對(duì)擋板的沖擊，在第二腔的進(jìn)氣管上開孔，以降低排氣背壓。

5.對(duì)第一輪消聲器優(yōu)化方案進(jìn)行測(cè)試

5.1 經(jīng)過優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)經(jīng)整車及實(shí)驗(yàn)室：測(cè)試總消聲壓級(jí)（A）有部分提升。

5.2 定置怠速尾口噪聲有明顯提升基本達(dá)到目標(biāo)線58dB的要求：

5.3 階次噪聲：（2階、4階、6階、8階）均有明顯改善達(dá)到目標(biāo)線的要求。

6.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，汽車的排氣消聲系統(tǒng)不僅可以在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候處理產(chǎn)生的廢氣，而且還采用了消聲結(jié)構(gòu)及材料，實(shí)施了特殊形式的氣流管理，在廢氣向外排出的同時(shí)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的氣流管理，使排氣氣流的噪聲有所降低。