陳雪琴（合肥匯凌汽車零部件有限公司，安徽 合肥 230601）

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汽車二級消音器整體設(shè)計的研究和應(yīng)用

陳雪琴
（合肥匯凌汽車零部件有限公司，安徽 合肥 230601）

通過對二級消音器建模，并對照設(shè)計目標(biāo)，將具體要求依次分解到各階段的設(shè)計過程中。對不同布置結(jié)構(gòu)的消音器進行對比試驗和分析，研究結(jié)果表明：由二級消音單元組成的排氣消音系統(tǒng)，消音單元的排列位置不同，獲得的系統(tǒng)整體消音效果也不同；合理布置消音單元可以獲得較大的插入損失和較小的排氣壓力，使消音器整體設(shè)計更為合理。

汽車NVH；二級消音器；消音單元；插入損失；排氣壓力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.014

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-42-03

引言

在汽車發(fā)動機工作過程中，需要及時將廢氣排出，此時的廢氣處于高溫高壓狀態(tài)，直接排放會帶來噪音污染和廢氣污染，通常采用排氣消音系統(tǒng)來降低排氣噪音。排氣消音系統(tǒng)在降低排氣噪音的同時，由于排氣通道阻力的增加，還會使發(fā)動機的輸出功率出現(xiàn)不同程度的降低。因此，排氣消音系統(tǒng)的整體性能對汽車整車NVH性能和發(fā)動機的效率起著重要的作用。

對乘座舒適性有較高要求的當(dāng)今，汽車排氣消音系統(tǒng)一般由二級消音器單元甚至多級消音器單元串聯(lián)組成，每級消音器單元又是由若干個消音元件組成。當(dāng)前，在對車輛排氣消音系統(tǒng)進行設(shè)計與試驗中存在著兩類問題：一是偏重于對每個單元消音器的性能設(shè)計，忽視對消音系統(tǒng)整體的性能的設(shè)計；二是偏重于對消音器的消音量的設(shè)計，輕視對排氣消音系統(tǒng)排氣壓力的設(shè)計。

事實上，在對每個消音器單元進行設(shè)計后，還需要對不同的消音器單元布置進行綜合分析，以確定系統(tǒng)的整體性能。但在已有的資料中，對這方面的研究頗少。為解決排氣消音系統(tǒng)中各單體消音器在不同組合情況下對整個系統(tǒng)消音量和排氣壓力的影響效果，本文針對某輕型客車排氣消音系統(tǒng)的設(shè)計和研究，總結(jié)出一套有效設(shè)計方法，便于同行借鑒；同時對整車排放噪音及其排氣壓力等性能指標(biāo)的測試分析，得出消音單元的排列位置對消音效果的影響。

1、數(shù)學(xué)模型和原理分析

對于由n個單元消聲器組成的消聲系統(tǒng)，其聲學(xué)模型可以用圖2所示的四端網(wǎng)絡(luò)來表示[2]。在圖2中，p0、u0分別是系統(tǒng)輸入端的聲壓和輸入端質(zhì)點速度，pn、un分別是系統(tǒng)輸出端的聲壓和輸出端質(zhì)點運動速度。

當(dāng)n=2時，輸入端參數(shù)p0、u0與輸出端參數(shù)p2、u2之間存在如下關(guān)系：

式(1)是單元1作為第一級消聲器和單元2作為第二級消聲器時的表達(dá)式。

如果把單元1作為汽車消聲器系統(tǒng)第二級消聲器，而把單元2作為第一級消聲器，即把2個消聲器單元在消聲器系統(tǒng)中的位置對調(diào)時，其表達(dá)式應(yīng)如式(2)所示：

一般來說，由于2個消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的不一樣，即每個消聲器的消聲作用不一樣，一級消聲器一般是抗性消聲器，主要是消除對一些特定的噪音頻率；二級消聲器可以是的抗性消聲器，也可以是阻抗復(fù)合性消聲器。它們各自的傳遞矩陣也不一樣，因此：

由式(3)可看出，當(dāng)把兩級消聲器組成的消聲系統(tǒng)中2個消聲單元對調(diào)時，其消聲效果是不一樣的。對于消聲系統(tǒng)的排氣壓力也有同樣的分析結(jié)果。

2、排氣系統(tǒng)的性能要求及其設(shè)計

在具體的設(shè)計過程中，作為設(shè)計師在關(guān)注消音器布置設(shè)計的同時需要重點關(guān)注汽車消聲器的性能要求，根據(jù)性能的具體要求進行設(shè)計應(yīng)對：

2.1消聲量（插入損失）

消聲量的大小是以消聲器的插入損失來評價的，以發(fā)動機臺架測試為主要手段，通過分別測試空管及消聲器的噪音值，求出其差值，即得到插入損失，抗性消聲器結(jié)構(gòu)見圖 3所示。

2.1.1抗性消聲器

通過管道形狀、尺寸的變化，使聲波在管道和共振腔內(nèi)發(fā)生反射從而抑制聲音，對中低頻噪音有很好的消聲效果。

2.1.2阻性消聲器

在消聲器內(nèi)放置吸聲材料，聲能被吸聲材料吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到消聲目的，主要用于消除高頻噪音，吸聲材料安裝在消聲器的內(nèi)表面，且在吸聲材料內(nèi)部聲能轉(zhuǎn)換為熱能，見圖4。

2.2消聲器功率損失（背壓）

消聲器功率一般用發(fā)動機功率損失比評價，定義為在額定功率點的r等于不裝消聲器時的發(fā)動機功率p1與裝消聲器時發(fā)動機的功率p2的差值，除以不裝消聲器時功率p1。

由于消聲器消耗率較小，發(fā)動機工況不穩(wěn)定等因素影響，功率損失比不易準(zhǔn)確測量獲得，一般直接用消聲器的排氣背壓來進行評價，見表1。

表1　標(biāo)準(zhǔn)［3］對不同車型的功率損失比的規(guī)定

2.3結(jié)構(gòu)強度

消聲器的結(jié)構(gòu)強度有以下四個方面組成。

2.3.1振動耐久性

用來評價消聲器排氣管抗拒振動的能力。汽車排氣系統(tǒng)在使用中，要經(jīng)受來自發(fā)動機、車體、高溫氣流帶來的振動[1]。汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是模擬裝車狀態(tài)，在給定振動頻率、振動加速度的情況下，檢測耐振動的時間，具體見表2。

表2　檢測消音器耐振動條件

耐振性設(shè)計主要是加強筋、折邊、凸臺、翻邊、縫焊等等，增加消音器整體剛度，改變消音器整體自共振頻率，以達(dá)到耐振動要求，見圖4。

2.3.2密封性

將消聲器安裝在密封性試驗臺上，消聲器內(nèi)相對壓力保持在30kp時，漏氣量不大于100l/min。[5]

2.3.3防火性能

發(fā)動機燃燒的高溫氣體通過排氣系統(tǒng)排出，整個排氣系統(tǒng)的外表面溫度很高，其中發(fā)動機排氣歧管溫度高達(dá) 700℃以上，在尾管處溫度 在300℃左右。因此，消除排氣系統(tǒng)對周圍零件的熱影響成為產(chǎn)品設(shè)計的一個關(guān)鍵點。一般在排氣系統(tǒng)的前部及車體部位加裝隔熱罩。

2.3.4耐腐蝕性能

發(fā)動機燃燒的高溫氣體經(jīng)過催化器化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生高溫水汽通過排氣系統(tǒng)排出，整個排氣系統(tǒng)長期處于高溫潮濕的環(huán)境，尤其是處于尾端的消聲器，水汽凝結(jié)于此，對消聲器的防腐蝕性能提出很高的要求。在產(chǎn)品設(shè)計上，多選用耐腐蝕性能高的材料，以及排水結(jié)構(gòu)使凝結(jié)的水盡快排出減少銹蝕。

3、試驗系統(tǒng)與測試方法

試驗在發(fā)動機臺架室和半消聲室內(nèi)進行。

見圖5、圖6，二級消聲器安裝在位于臺架室相應(yīng)的發(fā)動機排氣口，發(fā)動機的負(fù)載由測功機提供。消聲器位于半消聲室內(nèi)，傳聲器位于同消聲器尾管軸線成45°的夾角處，距尾管500mm，測點距地s面高度大于1.2m。

試驗依照標(biāo)準(zhǔn)[5]、[6]要求，對排氣系統(tǒng)的插入損失、功率損失比和排氣背壓等性能參數(shù)進行了測試。試驗對象分別為空管、原狀態(tài)排氣系統(tǒng)、互換消聲單元的排氣系統(tǒng)。

測試系統(tǒng)由聲學(xué)測試系統(tǒng)和測功機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其中聲學(xué)測試系統(tǒng)由1型傳聲器與前置放大器、動態(tài)分析儀等組成[3]。除傳聲器和前置放大器位于半消聲室內(nèi)以外，其余都位于測試控制室內(nèi)。測試時利用動態(tài)分析儀的1/3倍頻程功能和聲級計功能分別測量各試驗對象的排氣噪音聲壓級。

對三種試驗對象進行測試時發(fā)動機按 GB/T18297中的規(guī)定標(biāo)定工況，即在額定功率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。待轉(zhuǎn)速、功率及排氣溫度穩(wěn)定1min后進行測量。試驗結(jié)果如表3所示。

表3　消聲單元不同排列狀況下的性能

4、實驗數(shù)據(jù)分析

從表3可以看出，按圖1所示的原來排列方式，消聲單元1位于第一級，消聲單元2位于第二級，排氣消聲系統(tǒng)的平均插入損失為 18.76dB(A)，排氣壓力隨著轉(zhuǎn)速的提高由10.7kPa增加到37.1kPa。

當(dāng)把原來排列方式的兩個消聲單元進行對調(diào)后(即消聲單元2位于第一級，消聲單元1位于第二級)，此狀況下排氣消聲系統(tǒng)的平均插入損失增加為 21.73dB(A)，并且在2000r/min以上的高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排氣壓力也有所變小。

5、結(jié)論

通過試驗分析得出以下結(jié)論：同體積的消聲器僅通過合理布置消聲元件，就可以獲得更大的插入損失，并可以獲得較小的排氣壓力。在二級消音單元組成的排氣消音系統(tǒng)中，消音單元的排列位置不同，獲得的系統(tǒng)整體消音效果也不同。

[1]劉晨，季振林，郭小林，等.汽車排氣消聲器結(jié)構(gòu)形式對壓力損失的影響［J］.汽車工程，2008(12).

[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)［M］北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]黃長藝，嚴(yán)普強.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)［M］北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]M.L.Munjal.Acoustica of Ducts and Mufflers with Application to Exhaust System and Ventilation System Design M］.John wiley& Sons Inc.1978.

[5]QC/T631汽車排氣消聲器總成技術(shù)條件和試驗方法 [S].

[6]GB/T18297汽車發(fā)動機性能試驗方法[S].

Research and application of the overall design on car secondary muffler

Chen Xueqin
(Hefei hui ling auto parts co.,LTD,Anhui Hefei 230601)

Based on the secondary muffler model,and reference to the design goal,we put the specific requirements to each phase of the design process.By comparing the different arrangement of the structure of the silencer,the results show that: the system of deadened the noise of exhaust by the secondary units muffler,in different arrangement position of the mute unit,the sound effects of the overall system are also different; reasonable arrangement can obtain larger insertion loss and low exhaust pressure,this overall design is more reasonable.

Automobile NVH; Secondary muffler; Mute unit; Insertion loss; Exhaust pressure

U463

A

1671-7988（2016）08-42-03

陳雪琴（1969-），女，就職于江淮汽車集團，設(shè)計主師，一直從事汽車消音系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計工作。