汽车排汽系统的设计

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1、前 言 大学三年的专科学习即将结束，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速发展，汽车的生产技术得到愈来愈广泛的应用。 在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图，机械设计、机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。对于汽车排气系统的设计这个实践性非常强的设计课题，我们进行了大量的研究和讨论。在指导老师的讲解下，在平时查阅了很多相关资料并亲手拆装了一些典型的模具实体，明确了模具的一般工作原理、结构、加工工艺。并在图书馆借阅了许多相关手册和书籍，设计中，将

2、充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。一、 排汽系统的概论：排汽装置是汽车发动机必不可少的一个部件。排气系统主要是由发动机排气支管 、排气管路、消声器总成 、尾管、排气系统支撑等构件组成。汽车排气系统的设计，在安装位置和结构要求上一定要满足汽车底盘总体布置的要求；在性能上要符合发动机对排气系统的要求。同时，还要兼顾整个系统的经济性、安全性和维护方便性以及排放的环保性。 排汽装置分为单排气和

3、双排气装置两种。V型发动机有两面个排气支管直列式发动机一般为单个排气管。双排气系统降低了排气系统内的压力，使发动机排气顺畅，气缸中残留的废气少，因而可以提高发动机的充气效率及输出的转矩，单排气装置用的材料少，设计方便，一般用于直列发动机。排气系统排气支管 排气管 消声器总成 尾管二、 排气支管排气支管的形状非常重要，为了防止各缸排相互干扰和排气倒流，并利用排气性降低排气阻力，应将排气支管做得长些，且各缸支管应相互独立如图1-1。排气支管可用不锈钢制造，其优点是质量轻、耐热性好、内辟光滑、排气阻力小，排气更顺。在排气支管中可将相邻两个缸的排气支管汇合在一起， 可以完全消除排气干扰和倒流现象。排气

4、支管与排气口想接处用石绵垫片作密封垫。其优点是石绵垫片的耐热性好。用单头累钉连接，(如图1)的分部，便于装配。在排气支管上设有一个半径为1mm的废气再循环孔，这样可以把发动机的部分废气送回到进气支管，并与新鲜混合气一起再次进入气缸。由于废气中含有大量的CO2而CO2不能燃烧却能吸收大量的热，使气缸中混合气的燃烧温度降低，从而减少了NOX的生成量。废气再循环装置在发动机低温、低速时不投入工作，冷却液温度低于50OC和怠速工况时不投入工作防止，冲淡空燃孔而“失速”。中速，中等负荷时投入工作当节气门开废达25后，n=2000r/mir以上时电控单元1发出指令使废气盾环孔投入工作中。在大负荷时不投入工

5、作。三、 排气管路 排气管路主要包括增压器出口与消声器总成之间的管路以及消声器总成之后的管路。通常我们把增压器出口与消声器总成之间的管路通称为排气管总成，而把消声器总成之后的管路称为排气尾管。排气管路的主要作用是将发动机工作过程中所产生的废气安全并顺畅地排至车外。排气管路的设计应该注意以下几个方面的因素。排气管路不能因为自身的重量及所产生的惯性 、弯矩和相对运动或者因其受热膨胀产生形变而影响排气歧管和蜗轮增压器的正常工作 ,以致因为过载产生附加应力 ,造成损坏。设计时 ,在满足其刚度 、强度的前提条件下 ,要尽量使排气管的质量减轻 ,其材料可以选择薄壁中碳钢钢板 或者不锈钢板 。如果当排气管过

6、长的时候 ,要考虑增加辅助支撑来固定排气管，减少因排气管过长所产生的弯矩 、扭矩对发动机排气歧管或蜗轮增压器产生影响。但是，从另一个方面来看，这样做又会影响排气管连接法兰的运动自由度；同时，为了减轻排气管的热膨胀应力，在排气管路中采用热补偿装置。常用的热补偿装置一般有两种形式：第一种是 采用弹性金属的波纹管； 另一种是挠性联锁式伸缩管。这两种方式各有所长，弹性金属波纹管的密封性能比较好 ,但是它的热偿性能较差，使用寿命不如挠性联锁式伸缩管。相比之下，挠性联锁式伸缩管的热补偿性能和使用寿命都好于弹性金属波纹管 ,但它的密封性能不是太好。目前，国际上已经出现了二层，三层级的挠性联锁式伸缩管，其密封

7、性能得到了大大的提高。在设计时，我们可以根据具体的要求进行选择。除排气管应力之外，排气管的排气阻力也是设计过程中应该考虑的一个重要因素 。排气管的排气阻力是排气系统排气背压的一个组成部分。排气背压的产生也将直接影响发动机的工况。当排气背压到达一定的程度以后 ,哪怕是有一点细微的增减 ,也会对发动机的输出功率产生很大的影响。所以，有效的控制排气管路的排气阻力，对降低排气系统的排气背压有着重要的作用；为此，在设计排气管路的时候，要将排气背压控制在汽车发动机参数所允许的范围内，以避免对发动机工况造成影响。综合上述几个方面，排气管路的设计可以采用以下几个方面的措施：( 1 )排气管路不能过长；汽车底盘

8、总体布置的时候，特别是发动机后置汽车，要尽量使排气系统布置在发动机增压器出口一侧。( 2 )排气管采用薄壁管 ,管径尽量大一些 ,为了不增加排气管的重量 ,通常采用薄壁中碳钢卷管或者是不锈钢卷管。这些材质既可有效地减轻排气管重量 ,又具有很好的防腐蚀性。( 3 )排气管尽可能的直，尽量减少排气管的弯折，尽量避免90的折弯。如果在底盘总布置上无可避免的需要管路弯曲的时候，弯曲的曲率半径要尽可能的大，以大圆弧过渡，减少排气阻力。（3）我们通常在排气管总成中增加弹性金属波纹管或是挠性联锁式伸缩管，以起到减震降噪，进行热补偿的作用。安装的时候挠性管件不能出现弯曲。如果是弹性金属波纹管，安装是不能出现拉

9、伸和压缩的现象；如果是挠性联锁式伸缩管，安装时伸缩管应该处于半拉伸状态。（4）管路设计时，应该尽可能的不使用突变管。管路需要变径的时候。该尽可能的使用变径管，渐变管。在排气管路中，沿气流方向一般不能出现管径由大变小的现象。(5）排气管路的连接方式：通常采用的有：法兰式.卡口连接、插入式卡箍连接。止口式通常用于增压，插入式通常用于消声器进出口连接，法兰式连接广泛。但要注意的是，插入式接接必须顺着气流方向，采用小管插入大管形式。法兰式的连接方式，一定要注意气密性，一般设计密封垫片加强密封。四、消声器 汽车的排气噪声是行车噪声主要组成部分。汽车 排气噪声影响人们的学习，工作，生活。因此需要减小排气噪

10、声。我们就在排气管后面设计排气消声器。排气消声气的功用是降低排气噪声并消除废气中的火星和火焰。1、汽车消声器的常规结构设计1）、阻性消声结构a）、阻性消声器原理：利用声阻进行消声。一般是利用多孔吸声材料来制作阻性消声器，当声波通过敷设有吸声材料的管道时，声波将激发多孔吸声材料中众多小孔内空分子的振动，由于磨擦阻力和粘滞力的作用，使得一部分声能转化为热能耗散掉，从而达到消声目的。b）、阻心血来潮消声器的计算方法：赛宾公式：L=1.05PL/Sa1.4T彼洛夫公式：L=（a0）PL/S其中：（a0）-消声系数，与阻性材料垂直入射系数有关。 P气流通流断面周长（饰面部分，无吸声材料的地方不管在内）

11、L消声器有效长度（饰面部分长度）c）、消声器的高频失效：高频不能很好的用平面波近似，方向性强，以窄声束的形式沿通道传播，很少或根本不与饰面接触，造成消声量急剧下降。上限失效频率：f上=1.85c/D其中:C:声速,米/秒 ; D:气流通道的截面直径,米2）、抗性消声结构抗性消声器主要是利用声抗的大小来消声的，利用各种不同形状的管道和腔室进行适当的组合，提供管道系统的阻抗失配，使声波产生反射或干涉现象，从而降低由消声器向外辐射的声能。常用于汽车消声器设计的技术：扩张室式、共振腔、干涉等。a）、扩张消声器的原理：利用管道的截面突变引起声阻抗变化，使得一部分沿着管道传播的声波反射回声源；同时，通过腔

12、室和内接管长度的变化，使得向前传播的声波与在不同管道截面上的反射波之间产生180的相位差，相互干涉，从而达到消声的目的。b）、扩张消声器的传递损失为：TL=10log101/Tw=10 log10（1+1/4（1/m-m）2sin22*3.14L峰值消声频率：fn=（2n+1）c/4l通过频率：f“n=nc/2l失效频率：f上=1.22c/d F下=2c/2*3.14*s/lvc）、共振腔消声器的原理：利用共振吸声，当声波入射到共振腔口时，因为声阻抗的突然变化，一部分声能将反射回声源。同时在声波的作用下，孔径中的空气柱产生振动，振动时磨擦阻尼又使一部分声能转变为热能而耗散掉，仅有少量声能辐射出

13、去，从而达到了消声的目的。3）、阻抗复合消声结构 阻性消声器对中、高频噪声的消声效果好，而抗性消声器则适于消除低、中频噪声。将阻性、抗性两种结构的消声器复合起来使用获得宽频带的降噪效果。不同方式的组合，可设计出不同结构形式的阻抗复合消声消声器。一般情况下，是抗性部分放在前面（入口端），阻性部分放在后面。4）、扩散消声结构5）、空气导声的隔声机理与控制材料一侧的入射声能与另一侧的透射声能相差的分贝数就是该材料的隔声量，通常以符号R（dB）表示R=10lgE入-10lgE透 =10lg1/E透/E入=10lg1/r式中R-隔声量； E入-入射声能 E透-透射声能 r-透射系数（1）、单层匀质薄板的

14、隔声性能a）、匀质薄板的隔声频率特性曲线a.1）影响隔声频率特性曲线的几个参量:薄板的隔声性能主要由控制板振动的三个物理量决定,即:板的面密度M;板的劲度B;材料的内阻.a.2）隔声频率特性曲线。(如图2) 典型的匀质薄板隔声频率特性曲线如下图所示。曲线可分为三个区哉：劲度控制区；质量控制区；吻合效应控制区。(如图3）在很低的频率（低于板的简正频率）范围里，板受本身的劲度控制，隔声曲线随频率的升高而降低，此时板的劲度和质量共同的作用下，板将产生一系列共振，共中f0为最低共振频率。各共振频率（HZ）可由下式确定，fr=3.14/2*B/M*(p2/a2+q2/b2)式中B-板的劲度; M-板的面

15、密度(kg/m2) E-材料的弹性模量(N/ m2); a,b-板的长宽尺寸(m); t-板的厚度(m); p,q任意正整数fc= c2/2*3.14*B/M= c2 /2*3.14t*12/E式中：c声速（m/s） M板的面密度(kg/m2) B板的劲度； E弹性模量(N/ m2)； t板的厚度(m); -板的密度(kg/m3)根据干涉原理，排气消声器有吸收、反射两种基本消声方式。在吸收式消声器上是通过废气在玻璃纤维、刚纤维和石棉等吸声材料上的摩擦而减小排气的噪声。反射式消声器则由多个窜联的谐调腔与不同长度的多孔反射管相互连接在一起。废气在其中经过多次反射、碰撞、膨胀、冷却而降低其中的压力，

16、减轻了振动。为了达到更好的消声效果我就采用两种消声方式组合起来最后通过尾管排出。五、 由以上的计算和论述可的以下的设计方法和过程1、 消声结构的设计必须与消声器材料的隔声性能相匹配；2、 当传输损失远远大于插入损失时，在排除了其它声源的掩蔽效应后，首先要核检材料的隔声性能。3、 排气消声器总成的种类上，根据我们目前的情况，我们通常选用阻抗复合式消声器。从消声器的形状上来看，采用圆柱型消声器，因为圆柱型消声器具有比较明显的抑制振动的倾向、结构也比常简单，加工性能较好，价格便宜（如图4）。如果有特殊情况，可以选用椭圆截面的柱型。尽量避免使用异型消声器总成。4、在结构空间允许的情况下，消声器体积及容

17、量要尽可能的大，以满足发动机对排气背压的要求和对排气噪声的要求。同时，从经济性上来考虑，在满足发动机对排气背压的要求和对排气噪声的要求的情况下，消声器体积又要尽可能的小，以达到很好的经济性。在设计的时候，我们应该综合考虑。5、从消声水平上来看，发动机的排气噪声消减得越低越好，至少应满足国家相关部门对客车产品噪声的规定的最低要求。6、排气背压方面来看，在满足消减噪声的基础上，排气背压应该尽可能的小。以满足发动机对排气背压的要求，减少发动机排气功率损失。 六、汽车排气系统布置的设计方法: 汽车底盘总体布置中，排气系统的布置是其中比较重要的部分。排气系统在整个汽车底盘中的布置状态，直接关系到汽车产品

18、整体的安全性、环保性、动力性、舒适性和使用寿命。因此，在作底盘总体布置的时候，我们一定要重视排气系统的布置情况。如下几点：(1）排气系统尽可能的布置在发动机增压器出口的一侧。以避免因排气管路过长，造成排气阻力增大和其它安全隐患。( 2) 要确保排气系统排出的废气，不得污染发动机的进气，不得影响发动机冷却能力。排气口要尽可能的远离进气系统进气口。远离冷却构件。必须保证不能使排出的废气被吸进空气滤清器，影响发动机的工况 。在设计排气尾管的时候 ,为了有效地控制排出废气的排出方向 ,可以将尾管排气口 设计成“鸭嘴 ”形或者是朝下 45 开斜口 。（3）排气管路应与客车车体之间有一定的间距 , 以避免

19、排气管高温灼伤客车油漆，影响客车的外观质量。(4 )一般应考虑将排气管路与燃油箱布置的相对位置，不能间隔太近。排气管路与燃油箱之间的间距不得小300 mm。同时 ,燃油箱的加油口和通气口不允许对着排气管的开口方向 ,且应距客车排气管的出气口端在 300 mm 以上 , 否则应该加设有效的隔热装置，以防排气系统在工作时产生的高温灼热燃油 ,引起危险 。（5）排气管路及消声器与发动机悬置橡胶垫、水箱悬置橡胶垫、消声器悬置橡胶垫、电器线束、车身木质构件等之间的间隙不能小于150 mm。否则在设计排气系统的时候，要加以隔热措施。隔热板与之的间隔应该大于35 mm以上。（6）与燃油管路、机油滤清器、起动

20、机、怠速提速装置、停油装置等油路电器设备之间的间隙应该大于200 mm。七、排气系统的固定和支撑 排气系统的固定和支撑包括排气管路的固定和消声器的固定两部分 。其主要作用是支撑排气系统的重量和消减排气系统的震动；以避免由于排气管路构件因受力及震动造成损坏。 这部分的设计要注意以下几个方面 :( 1 ) 消声器的固定和支撑必须保证能承受车辆和 发动机工作时所产生的振动负荷和高温高热而不致变形损坏 。消声器的固定方法有很多，一般常用卡箍式固定。这种固定方式简单，可靠，灵活。消声器和固定件的连接应该是柔性的，浮动的，以衰减消声器本身的高频振动传递。同时，消声器的固定安装必须保证其在工作时受热膨胀方向

21、有一定的补偿空间 ,以避免因其工作时受热膨胀而损坏。( 2 ) 在固定支撑的设计上 ,要保证支撑架有足够的强度和刚度 ,以支承排气管和消声器的重量 ,以及承受客车在运动过程中所产生的剧烈振动 。( 3 ) 要考虑到支承的减震性，通过支撑的吸振 ，减少振动的传递 ,并且在排气管的热变形方面有一定的自由度。我们通常用橡胶减振垫。(4）如果排气系统上安装有排气制动的时候，排气制动必须有附件支撑，且应该安装于柔性连接上端，增压器出口管应该有和发动机连接的支撑。以避免由于安装排气制动阀而使增压器的附加扭矩过大，造成增压器损伤。八、 致谢本次毕业设计历时两个多月，从选题、开题答辩到CAD绘制装配图、零件图

22、，完成说明书。其间每一过程都得到指导教师的悉心指导，老师每周安排见面会，身体力行、兢兢业业地为我们排忧解难，不仅治学严谨而且为人师表，堪称良师益友，教给我们的不仅是知识还有待人处世的积极态度，在此表示衷心的感谢。还要感谢我校一些给予我很大帮助的老师们为我提供丰富的参考资料。感谢一起做毕业设计的同学，他们给予我很多宝贵的意见和参考，使我获益很多，才能顺利地完成我的毕业设计。最后感谢所有关心、帮助过我的朋友、老师和同学。 九、 参考文献1、 高延龄.汽车运用工程.北京:人民交通出版社,1990.2、 余志生.汽车理论,北京:机械工业出版社,19813、 刘惟信.汽车设计.清华大学出版社.20074、 藏杰. 汽车构造 . 北京: 机械工业出版社,200511