轿车排气系统设计

目录目 录摘 要Abstract1 概 述11.1 毕业设计的任务及要求11.2 本课题研究的背景和意义11.3 本课题研究的内容和手段21.4 本章小结22 汽车排气系统理论基础32.1 汽车排气系统的设计要求32.2 汽车排气系统的结构及其功能32.3 汽车排气系统设计材料的选择62.4 本章小结73 汽车排气系统声学分析83.1 汽车排气系统噪声原理83.2 影响汽车排气系统噪声的因素83.3 降低噪声的主要方法83.4 本章小结94 汽车排气系统消声器的设计104.1 消声器的基本原理104.2 消声器的基本指标104.3 消声器进口直径的确定114.4 消声器长度的确定124.5 消声器内部结构的确定124.6 本章小结135 排气系统的计算与布置145.1 布置排气系统的基本原则145.2 计算排气管的最小管径155.3 排气系统悬挂方式的确定165.4 排气系统转化器的确定185.5 本章小结186 消声器结构的三维建模196.1 Catia软件简介196.2 利用Caita建立消声器的三维模型206.3 本章小结237 主要零件及装配图的绘制247.1 AutoCAD软件简介247.2 主要零部件的绘制247.3 本章小结268 总结27参考文献28II 摘要轿车排气系统设计摘要本文针对中型轿车设计了一款排气系统，首先对排气系统的理论基础和声学原理进行分析，确定了基本的结构材料以及布置原则。再根据初始参数，通过查询相关资料计算了排气系统消声器的进口直径、长度、排气流量等数据，确定了消声器的结构。随后通过对布置原则的分析，确定了排气管径的长度以及各结构的悬挂方式和连接方式，满足各项使用要求。最后采用CATIA绘制了消声器结构以及排气系统总成结构的三维数模，采用AutoCAD软件绘制了消声器结构图以及排气系统装配图。关键词：排气系统；消声器；悬挂方式IV AbstractDesign of car exhaust systemAbstractIn this paper, an exhaust system is designed for a medium-sized sedan. First, the theoretical basis and acoustic principle of the exhaust system are analyzed, the basic structure material and the layout principle are determined. According to the initial parameters, the data of the inlet diameter, length and discharge flow of the exhaust system muffler are calculated by inquiring the related data, and the structure of the muffler is determined. Subsequently, through the analysis of the layout principle, the length of the exhaust pipe diameter and the suspension mode and connection mode of each structure are determined to meet the requirements of various applications. Finally, the structure of the muffler and the three-dimensional numerical model of the assembly of the exhaust system are drawn with CATIA. The assembly of the muffler and the assembly of the exhaust system are drawn by the AutoCAD software.Key words: Exhaust system; the muffler; the suspension 第1章 概述1 概 述1.1 毕业设计的任务及要求社会的发展使得人们对环保的重视程度越来越高，在这之中，最为受广大民众关注的莫过于汽车的排放问题，因此，排气系统在现如今的车辆组成和设计中占有的地位已经越来越高。排气系统的主要作用是排出发动机产生的废气，降低噪声以及辅助制动。设计高消声性能，低压力损失的排气系统是当今研究轿车排气系统的一个重要课题。在毕业设计的过程中，应保持严肃的态度，严谨的作风，以认真求实的标准严格要求自己，合理运用汽车设计、汽车理论等相关专业知识来完成本次毕业设计。我们需要能够就研究过程和结果撰写符合要求的论文。按时参加答辩，答辩前各项规定的资料要完整齐全，在答辩的过程中，运用培养的逻辑思维与形象思维相结合的文字及口头表达能力，充分理解，掌握本次设计。1.2 本课题研究的背景和意义现如今，随着国民经济的快速发展，广大普通民众的生活质量水平都得到了显著的提高，最为可见的就是每天在马路上越来越多的轰鸣声，但是，也正是由于汽车数量的增多，由此带来的尾气排放以及噪声污染问题已经成为了影响人们安居乐业正常生活的一大公害。特别是在一些人口密集的沿海大城市，不仅汽车的数量越来越多，汽车的品质也得到了飞速的提高，车速越来越快，使用的功率越来越强，空气污染和噪声污染已经充斥了城市的每一个角落。发动机作为所有汽车不可或缺的一部分，它通过对燃料的燃烧来提供动力，使车辆能够满足人们日常生活的需要，又快又方便。但是，在对燃料进行燃烧的过程中，会产生大量的有害尾气，包括一氧化碳、可吸入颗粒物等等等等，不仅对大气造成了污染，更会对每个居民的身体造成严重的危害，甚至危及生命。 动力。但是，在对燃料进行燃烧的过程中，会产生大量的有害尾气，包含一氧化碳，可吸入颗粒物等等等等，不仅会对大气造成污染，更会对广大居民的身体造成严重的危害，甚至危及生命。也正因此，到目前为止，世界上各个主要国家都已经制定了相关的排放法规和标准。与此同时，不仅仅是市场上，工业上也对尾气污染和噪声污染的要求越来越高。我国早在GB19352.32005中就已经明确指出了我国对排气污染的具体限值。在上个世纪九十年代初，还被称为欧洲共同体的欧盟就中型客车的行驶噪声限值作出了明确的规定，规定该限值不能超过80dB，日本也在那时做出规定该限值为83dB，欧共体之外的欧洲国家譬如瑞典也规定该限值为80dB，而中国为了适应国情以及发展的需要，于当时规定的限值为86dB。好在近年来，我国已经就车辆的行驶噪声限值等等一系列噪声标准做出了新的规定。国家环保总局于2002年的1月就汽车噪声控制发布了新的法规标准GB1495-2002，在该规定中，明确阐明了普通车辆在行驶时，车外最大噪声级别不允许超过74dB。人类文明社会的发展必然离不开环保这个话题，无关乎何种发展方式，也无关乎哪一类发展技术，只要是地球上的一份子，就必须受这个话题所牵绊。也因此，在人们越来越重视环保的今天，如何使得自己生产出来的车子更加清洁，更加节能，更加环保更加无污染已经成为了当今汽车技术行业的首要任务。但是，汽车技术在环保方面能够做出的主要改善无关乎两点：一是使用更加无污染更加清洁的能源，从源头上解决污染的问题；二就是本次毕业设计所研究的课题，如何通过对排气系统的设计与分析在后期解决污染的问题。至少在目前看来，清洁能源技术的开发还在进行中，使用方式尚未完善，因此，在这个大问题的前提下，我们只能通过对汽车的排气系统设计进行优化从而更好的降低汽车污染物的排放以及环境中噪音的污染。1.3 本课题研究的内容和手段本课题是针对发动机排气系统的分析与设计，首先需要对排气系统进行一个总体设计，其次对排气系统的噪声原理进行分析，进而设计排气管与消声器。随后需要确定催化转换器以及排气尾管，在设计的过程中，同时需要确定排气系统的布置方式以及悬挂方式，最后绘制消声器等主要部件的设计图，并进行三维建模。主要的手段是根据已确定的相关设计参数计算发动机的进气流量、排气流量等必要数据，其次对相关主要元件进行设计计算，再根据设计原则合理布置排气系统及选取吊钩位置，最后根据设计的结果绘制排气系统的零部件图和装配图。以某普通轿车为例，以下是已确定的相关设计参数：表1.1 某型号轿车基本参数配置参数排量1.6L整备质量1241kg发动机型号G4FC最大功率90.4kW最大功率转速6300rpm缸数4发动机进气温度300发动机排气温度25最高车速180km/h1.4 本章小结在本章中，主要阐述了本次毕业设计的任务和要求，以严肃的态度，严谨的作风，严格的要求认真求实的完成本次毕业设计。随后阐述了该研究的背景和意义，明确了研究的方法和手段，并将其细化到每个步骤中，确定了每个阶段所要完成的工作以及任务。最后，采用了某型号轿车的基本参数作为本次的研究数据。3 第2章 汽车排气系统分析2 汽车排气系统分析2.1 汽车排气系统的设计要求汽车排气系统的主要作用无非三点：一是排出发动机的废气；二是在此基础上，通过排气系统降低发动机产生的噪声；三是在前两者的基础上，对发动机起到一定的辅助制动的功能。排气系统的设计与汽车本身的许多性能有关，不仅如此，设计出一个好的排气系统，更能够提高汽车的动力性和安全性，在一定程度上对汽车的舒适性、美观性以及使用寿命等等方面都有一定的影响。在设计汽车排气系统时首先需要意识到的一个问题就是，排气系统本身也是一个非常复杂的声学系统，发动机在运行时会排出废气，而排出废气的这个过程会产生非常强烈的噪音，这样的噪音通常情况下会覆盖从200Hz到2000Hz的频率范围，可以说是非常巨大了，因此，无论我们采用何种研究方式，何种研究途径来研究排气系统，声学分析是一个绕不开的问题，这其中最为关键的就是如果使设计出来的排气系统具有合理的降噪功能。通过对诸多资料的查阅我们可以得知的是，许多厂家往往会采用具有主、副两个带有多个扩张腔和共振腔的消声器的形式来降低噪音。当然，不可避免的是在我们的日常生活中，也往往会遇到某些极端情况，这这些情况下往往会对车辆所产生的噪音要求非常苛刻，因此，我们通常采用安装更多的消声器的方法来完成降噪。除此之外，汽车的排气系统不仅仅是一个复杂的声学系统，更是一个自由度极高的振动系统。因为我们可以看到的是，排气系统的振动输入源不仅包括了车辆在正常行驶时由于发动机燃料的燃烧所产生的振动，还包括汇集了路面通过悬架输入的激励以及传动系统冲击及扭振激励等车架向排气系统输入的振动。在我们的日常生活中，汽车还会遇到各种各样的情况，其实可以解释为车辆在不同工况的情况下，如何通过对排气系统的研究，使得其不会因为受到发动机和车架传递过来的冲击而造成结构上的损坏。例如起步和制动时，都会出现上文所提到的情况，更为严重的是，普通的车辆往往是处于这些不同的工况相互交替出现的情况下，也因此对排气系统的损坏更为严重。因此，通过查阅相关资料，我们可以得知在设计排气系统时，除了基本必需的结构部件外，还需要增设一套悬挂系统来降低冲击。在不断的设计研究过程中，人们还发现了可以在催化转化器附近增设一段波纹管来达到隔离发动机周期性激励的效果。由此可见，研究设计一个性能良好的排气系统，对于整个车辆的整体性能提升都有着至关重要的意义。我们在设计过程中，应当以这一点为基本目标，降低各项风险，设计出性能优良的排气系统。2.2 汽车排气系统的结构及其功能排气系统包括排气管、催化转换器、消声器、排气尾管、悬挂装置等。由前文可知，排气系统设计的好坏直接影响到车辆本身的各项性能，譬如安全性、舒适性和动力性等等。作为发动机整体匹配的一个重要组成部分，排气系统的主要功用就是将发动机燃烧燃料时所产生的大量废气排出，并通过各项结构的配合来降低排气时所产生的噪声，以及起到净化尾气，降低空气污染的作用。如图2.1为目前常见的排气系统结构图。图2.1 排气系统结构1-排气管；2-挠性连接管；3-氧传感器；4-副消声器；5-执行器；6-排气控制装置；7-主消声器；8-中间管；9-高温传感器；10-三元催化器；11-前管2.2.1 排气管排气管的主要作用是将发动机工作过程中所产生的废气排出。排气管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涡轮增压器的正常工作，以至于因为过载产生附加应力，造成损坏。所以设计时，应当在满足其刚度、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。常见排气系统中的排气管如图2.2所示1。 图2.2 排气管2.2.2 催化转换器三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOX等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氦气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOX三种气体的活性，促使气进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化橙水和二氧化碳，NOX还原成氦气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化2。2.2.3 消声器排气消声器是排气系统的主要部件，主要起到降噪作用，它既要满足车辆噪声的要求，又要满足排气阻力的要求，还要满足消耗功率尽可能少的要求。排气消声器的容积应根据发动机最大排气流量来确定。常见排气系统中的消声器如图2.3所示3。 图2.3 消声器2.3 汽车排气系统设计材料的选择在设计排气系统时，应考虑到排气管路的材料热端零件的重点要求，比如能够抗高温氧化、抗腐蚀、疲劳性能强等，冷端零件则要求具备耐尾气冷凝液腐蚀性能。随着汽车排放法规的日益严格，越来越多的厂家选择以提高发动机排气温度的方式来提升催化器的转化效率，从而实现减少尾气对空气造成的污染，也正因此，排气歧管的工作温度逐渐由750800提高到900950，甚至更高。同时，为了提高节省燃料，更多的厂家选择了减轻车辆本身的重量，在选择排气管路的材料时，也因此选择采用更为耐热、重量更轻的不锈钢来替代。不锈钢又分为铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢，几乎大部分的排气系统采用的都是铁素体不锈钢。原因在于其生产成本更低，线膨胀系数小，导热系数大，更耐高温，各方面性能更优于奥氏体不锈钢。通常，排气管路选择的不锈钢牌号见表2.1所示。表2.1 排气管路零部件材料选择表零部件名称铁素体不锈钢奥氏体不锈钢排气岐管441304，308前管409，441304，321催化转化器409，441304，308Si中管430Ti304消声器430Ti，434304尾管409304排气密封垫采用耐高温石棉板或者多层耐热金属衬垫材料。排气波纹管材料需要具备耐高低温、力学、化学等应变、化学腐蚀等性能。2.4 本章小结本章主要阐述了排气系统的设计要求以及各个结构的组成和功能，随后通过对零部件材料的分析确定了本次设计中各个部件所需要的材料，加深了对排气系统的了解。7 第3章 汽车排气系统声学分析3 汽车排气系统声学分析3.1 汽车排气系统噪声原理发动机作为噪声的主要来源，其又可分为空气动力性噪声、机械噪声以及燃烧噪声。空气动力性噪声主要包括进、排气和风扇噪声。这是由于进气、排气和风扇旋转时引起了空气的振动而产生的噪声，这部分噪声直接向周围的空气中辐射。燃烧噪声和机械噪声很难严格区分，通常将由于气缸内燃烧所行程的压力振动通过缸盖、活塞一连杆一曲轴一机体向外辐射的噪声叫燃烧噪声。将活塞对缸套的撞击、正时齿轮、配气机构、喷油系统等运动件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声叫做机械噪声。一般直喷式柴油机燃烧噪声属于机械噪声，非直喷式的机械噪声则高于燃烧噪声，但低速运转时燃烧噪声都高于机械噪声4。噪声源的识别就是对机器上存在的各种声源进行分析，了解其产生振动和噪声的机源、确定振源、声源的部位，分析声源的特性（包括声源的类别、声级的大小、频率特性、声音变化和传播的规律等），然后按噪声的大小排列出顺序，从而确定出主要噪声源5。3.2 影响汽车排气系统噪声的因素通过分析论证发现排气系统的噪声源主要有空气噪声、冲击噪声、气流摩擦产生的声音以及辐射噪声等。空气噪声是指汽车发动机在运动过程中，由于压力波在排气管道中传播而造成的，空气噪声的大小取决于排气管道的直径，当气流量一定时，管道的直径越大产生的空气噪声就越稳定；而冲击噪声是由于不稳定的气流冲击管道形成的，加入排气歧管的弯曲幅度不够，那么产生的气流就会非常大，也就会出线噪声；气流摩擦的噪声是因为气体的流动速度非常高，传递到尾管的时候就会发出巨大的噪声；辐射噪声则是由于排气管道中的消声元件受到影响后出现振动，从而产生噪声6。3.3 降低噪声的主要方法通过对影响汽车排气系统噪声的因素的研究分析，可以从以下几个方面进行改造从而降低噪声：1、采用将消声器的容积增大的设计方案。通过改变消声器的内部结构比如增加其长度以增加其容积，从而达到降低噪声的效果。2、采用在原设计的基础上加上吸声材料并将单层的外壳改为双层外壳的设计方案。3、采用对汽车尾管的长度以及形状进行改造的设计方案。由于汽车尾管产生的噪声是空气噪声和气流摩擦噪声组合而成的结果，因此通过减短汽车尾管的长度，使排气的方向由下方变成后方，从而达到降低噪声的效果6。3.4 本章小结本章节主要通过对排气系统噪声原理以及影响因素的分析，找到降低排气系统噪声效果的方法。主要有增大消声器容积、增加吸声材料、对汽车尾管的长度以及形状进行改造等设计方案。9 第4章 汽车排气系统消声器的设计4 汽车排气系统消声器的设计4.1 消声器的基本原理根据声音的干涉现象，可以得知排气系统中的消声器具有两种消声方式，一是吸收，二是反射。其中，吸收式消声器是通过废气在钢纤维、玻璃纤维或者石棉等吸音材料上的相互摩擦而减小其能量；反射式消声器则由多个串联的协调腔与不同长度的多孔反管相互链接在一起，废气在其中经过多次的反射、碰撞、膨胀、冷却而降低其压力，减轻振动及能量。4.2 消声器的基本指标本设计的消声器应满足各项法律规定的要求以及各项国际惯例，保证安全，环保。消声器的性能，使用要求应满足QC/T 631-1999（汽车排气消声器技术条件）。试验道路、条件及试验准备应满足GB/T 4759-1995（内燃机排气消声器测量方法）、QC/T 630-93（汽车排气消声器性能试验方法）的规定。在设计消声器的过程中，首先需要确定的是本次设计所要降低排气噪声的目标值，通过该目标值可以进一步确定所需要设计的消声器的内部结构。该目标值可以通过对发动机排气噪声的大小分析得出，同时结合频谱特性曲线，根据噪声标准限值公式来计算7。此时，根据需要假设汽车在正常行驶时，产生的噪声声源属于线性声源，则根据声音衰减量L的公式：L=10lg（R1/R2） （dB） （4-1）其中：R1为声源至受声点的距离；R2为线声源的长度。在上文中，根据已经所给出的该型号汽车的相关参数，可以确定本次设计过程中，车外加速行驶噪声限值La=74dB（A），按照汽车排气消声器性能试验方法QC/T630-1999可以确定R1=0.5m，按照整车噪声实验规范可以确定R2=7.5m，可以得出：参数R1=0.5m，参数R2=7.5m，把一上数值带入到公式（4-1）中，结果得：L=10lg（0.5m/7.5m）=11.6（dB）消声器出口噪声限值Lmd的计算公式为：Lm=L+La （dB） （4-2）参数L=11.6dB，参数La=74dB，把以上数值带入公式（4-2）中，得Lm=11.6+74=85.6（dB）（A）由于普通轿车的发动机排气声压级Lb为100dB（A），因此消声器的消声量Lmin应大于：LminLb-Lm （dB）（A） （4-3）参数Lb=100dB，参数Lm=85.6dB，将以上数据带入公式（4-3）得：Lmin100-85.6=14.4（dB）（A）4.3 消声器进口直径计算4.3.1 消声器容积的确定根据上文中所得的参数以及消声器的容积V计算公式：V=Q×n×Vst/1000× （4-4）其中，参数n为发动机转速，n=6300r/min；参数i为发动机缸数，i=4；参数为冲程数，=4；参数Vst为发动机排量，Vst=1.6L；参数Q为与消声效果有关的修正系数，当n=6300r/min时，一般取Q=58。将以上参数带入公式（4-4）中，得：V=5×6300×1.6/1000×=20L4.3.2 消声器扩张比的确定在评价消声器的实际消声效果时多采用插入损失作为指标，即在噪声源和测点之间插入一个消声器时，在该测点所测得的消声器安装以前和以后的声压级差。消声器的扩张室与原管道截面积之比被称作扩张比（M），对消声器的插入损失要求越高，扩张比的选择值就越大。根据上文中所选择的模型车的模型在此处取M=149。4.3.3 消声器出口气流速度的确定由于当气流的流速超过一定的限值后，其所产生的再生噪声会大大削减消声量，因此，一般采用控制消声器出口管径与进口管径一致的原则，从而控制气流的速度。表4.3.3为气流速度为7080m/s时各频率的减噪量10。表4.1 气流速度为7080m/s时各频率的减噪量频率H2125250500100020004000减噪量dB10-151830-3535-4040-4530-35由上文中确定的消声器的消声量应大于14.4dB，因此在此处可取气流速度为75.4m/s，满足要求。4.3.4 消声器进口排气流量的确定根据上文中已经得到的参数以及发动机进气流量Qi的计算公式：Qi=0.03V×n×Vc （4-5）其中，参数V为发动机的总排量，V=1.6L； 参数为发n动机最高转速，n=6300rpm； 参数Vc为充量系数，当n=6300rpm时，一般取Vc=0.7。将以上参数带入公式（4-5）中，得：Qi=211.68（L/s）根据发动机进口排气流量Q的计算公式：Q=（Tb+273）××Qi/（T+273） （4-6）其中，为常数，一般取=0.98；参数Tb为发动机的进气温度，根据表1.1可得，Tb=300；同理，参数T为发动机的排气温度，T=25。将以上参数带入公式（4-6）中，得：Q=（300+273）×0.98×3.528/（25+273）=398.9(L/s)4.3.5 消声器进口直径的计算根据上文中所给出的参数以及消声器进口直径Di的计算公式：Di=（mm） （4-7）其中，参数Q为进口处排气流量，Q=398.9L/s； 参数V为允许最大气流流速，V=75.4m/s。将以上参数代入公式（4-7）得：Di=81.97mm因此，所设计消声器进口直径应大于81.97mm，在此选择管径Di=82mm。4.4 消声器长度的确定根据上文中扩张比的定义可以得知，当M=14时，根据公式 Dm=Di×M0.5 （4-8）其中，参数Di为消声器管径，Di=82mm； 参数M为消声器扩张比，M=14。因此，将以上参数代入公式（4-8）可得： Dm=54×140.5=306mm消声器长度计算公式为L=1.27×106×V/Dm （4-9）其中，参数V为消声器容积，V=20L； 参数Dm为消声器直径，Dm=306mm。将以上参数代入公式（4-9）中得： L=879mm4.5 消声器内部结构的确定依据消声器的消声机理可将其分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器。阻性消声器是利用在管道内适当的布置吸声材料，部分的吸收管道中传播的声能，类似电路中的电阻的作用。这类消声器的特性是在中、高频范围内有良好的消声效果。抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道或共振腔内发生反射或干涉，从而降低所输出的声能。抗性消声器的消声频带较窄，在中、低频消声效果较好，高频较差。阻抗复合型消声器是将阻性和抗性消声器结合起来，故从低频到高频都有较好的消声效果11。此处我们选用阻抗复合型消声器结构，结构图如下所示。图4.1 阻抗负荷型消声器结构4.6 本章小结在本章中，首先计算了消声器的最低消音量，得到了本次设计所需的一个基本指标。随后通过对消声器容积、进口排气流量的计算得到了消声器的进口直径以及消声器的长度，最后根据之前的基本指标确定了消声器的内部结构形式。14 第5章 排气系统的布置5 排气系统的布置5.1 布置排气系统的基本原则通过查阅相关的资料可以得知，在通常情况下，布置排气系统的工作需要依照一定的次序进行。首先是预催化器，补偿器和主催化器，以便于更好的安装和维修拆卸。其次是前消声器和后消声器，最后采用排气管将以上部件依次序连接。在此之上，为了使车辆避免在行驶的过程中由于发动机振动而导致的排气系统振动从而与系统周边的零部件物体发生碰撞造成损坏，在布置安装过程中，还需要注意排气系统与周边零部件物体要保持一个合理的安全间距，通常是25mm。除此之外，横置发动机在布置安装时，它的排气歧管罩由于本身特性的影响，与周边零部件或物体的安全间距应保持不小于35mm。通过查阅相关资料得知，以下是发动机排量的大小对排气歧管，散热器，冷凝器及风扇的热间距的影响：表5.1 发动机排量对排气歧管，散热器，冷凝器，风扇的热间距影响发动机排量V（L）热间距V1.0L35mm1.0LV1.5L40mm1.5LV1.8L45mm1.8LV2.2L60mm除了以上发动机排量对散热器、冷凝器、风扇的热间距影响之外，排气系统对其余的周边零部件也会产生相应的影响，从而在布置安装过程中，需要注意他们之间的热间距，见表5.2：表5.2 排气系统对除散热器、冷凝器及风扇以外的周边部件的热间距其余周边零部件热间距发动机油底壳40mm制动软管40mm（有隔热板），100mm（无隔热板）制动硬管40mm空调管路40mm（静态），30mm（动态）燃油管进气管油箱45mm（有隔热板），60mm（无隔热板）发动机装饰罩发动机悬置40mm（有隔热板），60mm（无隔热板）转向器及油壶30mm（有隔热板），60mm（无隔热板）转向器40mm（有隔热板），60mm（无隔热板）驱动轴球笼及防尘罩、传动轴万向节60mm换挡钢索、手刹拉索40mm后保险杠35mm油箱加油口及通气口300mm（无隔热装置）电器线路40mm（有隔热装置），60mm（无隔热装置）气体燃料气瓶、高压管及接头75mm热间距200mm（有隔热装置），200mm（无隔热装置）备胎40mm（有隔热层），60mm（无隔热层）布置排气系统的其余各项要求：（1）在布置排气系统时，系统中的各个部分的布置位置必须高于最小离地间隙的边界，以免发生碰撞造成排气系统的损伤；（2）除消声器尾管外，排气系统中的其余部分不得低于前边界面、侧边界面、后边界面；（3）排气系统尾管的管口不得指向车辆右侧；（4）排气系统尾管的管口最好朝向地面或保持水平，以便于排水以及防止水倒灌入排气管；5.2 计算排气管的最小管径由上文计算出的排气流量Q可知：V=Q/A（m/s） （5-1）其中，参数Q=398.9L/s 参数A为排气管的截面积； 参数V为排气的气流流速，V=75.4m/s；将以上参数代入公式（5-1）中，可得：A=5.29m2再根据公式： A=（L） （5-2）其中，参数A为排气管的截面积，A=5.29m2 参数d为排气管的直径；将以上参数代入公式（5-2）中，可得： d=260mm5.3 排气系统悬挂方式的确定5.3.1 吊钩位置的选取在排气系统悬挂方式确定的过程中，首先需要确定的是吊钩的位置，在选取吊钩位置时，有以下几项原则需要遵循：1、 吊钩应当安装在相应振动的节点上；2、 由于排气系统的结构特性，应当保证吊钩能够在纵向上合适延伸；3、 吊耳的位置应当位于车身整体结构的刚性处。5.3.2 补偿器的选取补偿装置在排气系统中一般用于减振降噪，以及延长寿命。常见的补偿器有波纹管连接和球形连接两种形式。波纹管式补偿器不仅能够补偿各项位移，还能对排气管道起到减小变形，提高使用寿命的作用。波纹管本身就是一种具有横向波纹能够自由伸缩的器件，主要是由金属波纹管与其余构件组成，因此还具有挠性薄壁等特点。利用到波纹管式补偿器中时，就可以使用其本身的弹性形变能力，补偿管道由于包括热变形、机械变形和各种机械振动产生的轴向、角向、侧向及其组合位移。同时，由于补偿器本身具有的耐压性，高密封性、耐腐蚀性、耐高温性等特性，因此也能够降低排气管道的变形，提高使用寿命12。波纹管的悬挂系统一般氛围断藕式和半断藕式两种。断藕式常采用柔性较高的波纹管结构将发动机与排气系统的振动和晃动完全阻隔开。通常在设计排气系统的过程中，在波纹管的后段需要采用分别对前后左右上下六个方向的位移都有极好的限制作用的悬挂，这是由于断藕式的波纹管往往不会起到承载的作用所导致的。因此，对半断藕式的悬挂系统来说，就会往往采用强度较大的承载式波纹管结构来进行承载。然而，这样的承载方式会使得车辆在行驶的过程中，由于发动机的振动或晃动所产生的一小部分影响到排气系统。除此之外，在采用半断藕式补偿器时，吊环对前后零部件振动碰撞引起的位移的限制作用有限，因此，在此设计中我们采用断藕式波纹管悬挂方式，结构如下图所示。5.3.3 排气管路连接方式的确定连接排气管路的原则是连接结构简单，易于布置、制造、安装，维修方便， 图5.1 波纹管结构具备足够的结构刚度，密封性能强，同时尽可能的保证重量轻，成本低。排气管路的连接方式通常采用法兰连接、插入式卡箍连接和止口连接，三种连接方式如下图所示。图5.2 排气管路常用连接方式法兰连接是目前广大工程机械工作中采用的最多的连接方式，原因在于法兰连接具有便于拆卸，密封性能好的特点。在安装法兰的过程中，一方面要按照国际标准规定选取合适的法兰垫片，另一方面要保证法兰的密封面不会受到损伤，这就需要在安装时要使两个法兰保持相互平行。作为当前应用在气体管道连接的首推技术插入式卡箍连接方式，该方式具有操作简单，安装方便，稳定性强，维修方便等等优点。止口式连接通常用来连接增压器，强度和可靠性都不如前两者高。由于排气系统的工作温差十分大，连接器件的紧固力难以保障，因此，在布置排气管螺栓时，不仅要保证气密性，还要保证能够允许法兰面相对滑移，通常采用双螺母或者锁片锁紧。综上所述，我们在此处选用法兰连接。5.4 排气系统转化器的确定催化转化器的选择通常分为单级，二级，或者多级。对于本次设计中的车辆模型，市面上通常采用的是二级催化转化器。催化转化器的入口通常设计橙喇叭口形状，从而使入口端的气流流动更加均匀，还能降低排气管路的排气背压，以减小对发动机的损耗。转化器入口的形状如图5.4所示。 图5.3 催化器入口形状5.5 本章小结本章首先确定了布置排气系统的基本原则，计算了排气管的最小管径。随后选取了吊钩位置以及补偿器，通过对连接方式的分析确定了本次设计中采用法兰连接，根据催化转化器的特性确定了呈喇叭口形状的催化器入口形状。19 第6章 消声器结构的三维建模6 消声器结构的三维建模6.1 CATIA软件简介在我们的研究设计过程中，需要采用到的三维建模软件有很多，但是在此处，我们选择了由法国达索飞机公司于上个世纪七十年代开发的一款专门用于三维建模的CAD/CAM软件CATIA。CATIA是英文Computer AidedTri- Dimensional Interactive Application的缩写，具体可以解释为计算机辅助三维交互式应用，由此可见，CATIA在诞生之处，就是作为一个三维建模软件来应用的，当然，它的功能并不止于此13。作为一款CAD/CAE/CAM一体化软件，CATIA已经凭借其自身过硬的基础素质成为了同类型功能软件中的佼佼者，半个世纪以来，CATIA已经广泛地应用于航空航天、造船、汽车制造等等重工业，也应用于电子电器、消费品等等轻工业。鉴于CATIA这款软件其本身的集成解决方案技术，能够覆盖几乎所有产品的设计和制造领域，其最为独特的还要属DMU电子样机模块功能和混合建模技术，一方面便利了各行各业的发展研究，另一方面也促使着相关企业的技术发展，使得企业本身更加具备竞争力和生产力。、其具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。大到飞机、载人飞船、航空母舰，小到螺丝钉、螺帽，等等等等CATIA都可以根据使用用户的不同需求提供完全不同却又十分简便的解决方案。到目前为止，世界上已经有超过十三万用户在使用CATIA这款软件来进行办公，研究，学习。虽然是一款诞生于航空航天业的软件，但是其强大的功能，过硬的自身素质已经使得CATIA获得了几乎所有行业的认可，在这其中不乏一些国际知名的大品牌大企业，比如美国的波音公司，几乎所有型号的飞机在设计生产过程中都使用的CATIA作为其建模分析的软件。还有著名的汽车生产场上克莱斯勒、宝马、奔驰等等等等，或大或小，或知名或不知名，都在无一例外的使用CATIA作为生产的工具，由此可见，这款软件在制造业中所具有的举足轻重的地位。包括在中国，从CATIA这款软件进入中国的那一刻起，就已经改变了三维建模软件市场的格局，没有竞争，没有选择，有的只是凭借它超高的性价比替代一个又一个三维建模软件，北至松花江，南到琉璃岛，包括一汽集团、上海大众等等几乎所有内地的生产厂商都在一夜之间换上了CATIA，采用CATIA来研发他们的新车型，可以说，这是一场变革性的成果。需要为历史所铭记的是，在CATIA这款软件诞生不久后，波音公司在采用CATIA进行三维建模设计波音777、737等系列机型时，所采用的都是完完全全的数字模型无纸加工，这在当时的业界内可以称得上是一个奇迹，人类终于又迈出了新的一步。也正是从此刻起，正式确定了CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的主导地位。除此之外，CATIA在造型风格，车身及引擎设计等方面都具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了广泛的支持。除了飞机汽车这两个巨头产业之外，在摩托车行业CATIA的应用也可以说是几乎占领了100%的市场。为人所熟知的包括Honda、BMW、Suzuki在内的许多国际知名摩托车生产厂家都是采用CATIA来研究设计他们所要的新车型。同时，CATIA也在此基础上推出了电子样机设计环境系统使得这些厂家能够及时响应客户所发出的需求，不仅促进了企业本身的经济发展，更提高了社会的劳动生产力。到目前为止，CATIA已经走过了近五十个年头，但是版本的更迭还是较为缓慢的，一方面其本身过硬的基础素质也不需要频繁的更新，另一方面这种类型的软件需要进行大规模更新的话处理起来会非常复杂，因此，从1982年到1988年短短六年时间里，CATIA就相继发布了3个版本，并与1993年发布了全新的第四代版本，也是最为广泛使用的一个版本。现如今我们所使用的CATIA V5也基本脱胎于第四代版本，简称V4。唯一的差别在于V4需要UNIX平台来运行，而V5啧可以在UNIX和Windows两种平台上运行，因此，由于上世纪末期Software的迅猛发展，V5的版本已经渐渐成为了当今市面上的主流版本。同时，也由于V4版本本身的许多工具无法达到相应的效果，对用户的操作使用熟悉程度要求较高等等一系列问题，也使得V4渐渐不再受到厂商们的欢迎。好在后来达索公司在接收到用户的反馈报告之后，紧急研发推出了能够适用于多种运行平台的V5版本，并于1994年彻底重新开发正式的CATIA V5版本，全新但更加友好的操作界面，强大而并不复杂的各项功能彻底占领了使用者们的内心，可以说是开创了CAD/CAE/CAM软件的历史，我们可以看到的是，在这之后的CAD/CAE/CAM软件大多借鉴了CATIA V5版本的成功经验，以及，在未来，CAD/CAE/CAM的发展方向也是更加的趋向智能数字化，使其能够真正适用于一个企业或产品的整个研发过程。6.2 利用CATIA建立消声器的三维模型由上文计算可知，本设计中的消声器进口直径为82mm，如图6.1所示。根据上文中控制气流速度的原则，消声器出口直径应大致与进口直径保持一致，因此在本次设计中，我们可以取出口直径大约为76mm，如下图所示。根据上文分析计算的出的消声器参数L=879mm，Dm=306mm，如图6.3所示。建立的催化转换器三维数模如图6.4所示。建立排气系统总成并布置排气管路，总成如图6.5所示。d=82mm图6.1 消声器进口 图6.2 消声器出口图6.3 消声器模型图6.4 催化器模型图6.5 排气系统总成6.3 本章小结本章首先介绍了三维建模软件CATIA的发展历史及功能，随后根据前文中计算的数据及确定的布置连接方式，绘制了消声器、催化转化器，以及排气系统总成结构的三维模型。24 第7章 主要零件及装配图的绘制7 主要零件及装配图的绘制7.1 AutoCAD软件简介在机械类相关专业最基础的学习中，就有AutoCAD这一项。AutoCAD是美国Autodesk公司于1982年自主开发的一款计算机辅助设计软件，通常可以用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计等等，发展到今天已经成为了世界上数一数二的二维图绘制软件。AutoCAD的更新与CAITA相比较为频繁，也正因此，其一直保持着与时俱进的用户界面风格，或简约，或专业，用户可以根据自己不同的需求采用不同的工作界面。同时，交互性一直是AutoCAD这款软件所着重强调的一点，从而能够使得用户在使用时不仅更加方便，易学，也容易让用户产生更加浓厚的学习兴趣，探索这其中的奥秘。AutoCAD还有一点基础又强大的功能则是其所具有的多文档设计环境，即使是非计算机专业的人员来使用也能够根据强大的交互性界面快速学会。要想成为一款广为人知、使用广泛的软件，强大的适应性是必不可少的。AutoCAD就具备这样的适应性，它能够无压力的在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，随着不断的发展，使用人员已经能够基本实现自动化的在AutoCAD软件上进行二维制图或者基础的三维设计。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。当然，除了以上的这一些功能之外，AutoCAD还有着作为一款二维绘图软件最为基本也是最为优秀的一些功能。首先是强大的图形绘制功能，几乎包含了所有设计中需要用到的图形，结合数位板等其他工具几乎可以绘制所有的生产物件的二维图；其次是强大的图形编辑功能，除了基础的拉伸旋转裁剪，还可以进一步的进行阵列，镜像等等等等，图形编辑的手段一应俱全。由于其本身所具有的高自由度，AutoCAD还可以受用户个人的需要进行软件的二次开发或者定制，在人性化这一方面几乎无出其右者。它还具有强大的数据交换能力，可以支持包括jpg、png、gif等等几乎所有图形格式的转换。最后，AutoCAD能够完美兼容多种硬件设备，支持多种操作平台，以其强大的适应性傲立于整个二维绘图软件的顶端。除了满足各类用户的需要，AutoCAD从2000版本开始，又不断的推陈出新，从用户需求和简化操作多方面入手，设计了ADC、MDE、Internet驱动、新的对象捕捉等等等等一系列强大又极具人性化的功能，使得这款软件已经彻底从概念上领先于其他软件，引领全球14。7.2 主要零部件的绘制由上文中计算的数据绘制的消声器总成如图7.1所示：排气管总成如图7.2所示：排气系统总装配图如图7.3所示：图7.1 消声器总成图7.2 排气管总成图7.3 排气系统总装配图7.3 本章小结在本章中，首先主要介绍了AutoCAD软件的发展历史及功用，随后绘制了主要部件消声器结构和排气管路结构的二维图，最后绘制了排气系统的总成结构二维图。27 第8章 总结8 总结经历了几个月的学习与奋斗，伴随着即将告别的大学生活，终于在这最后的一点时间里，完成了本次毕业论文的撰写部分。我本次毕业设计选择的课题是“轿车排气系统设计”，在工作开始之初，尚无头绪的我只好一边疯狂看书，学习他人的经验，另一边多问老师，也尽量使我少走了弯路。汽车的排气系统是汽车中至关重要的一个部件，其设计的好坏能够直接影响汽车本身的质量，因此，在设计过程中，我也一直不敢有所松懈，尽力在每个方面都没有遗漏。也正因此，通过本次毕业设计，使我充分学习到了车辆的排气系统，当然，这只能算得上是一个小小的收获，我更多收获的则是研究学习的方法以及认真严谨的态度。28 参考文献参考文献1章联萍.客车排气系统设计J.客车技术与研究,2005,02:25-26.2李允平,刘泽砚.影响简易瞬态工况法WMAS测量精度因素分析J.农业装备与车辆工程,2009,01：13-16.3于长源.以太阳能为核心能源的生态交通工具研究D.中国优秀硕士学位论文全文数据库,2011,084毕嵘.汽车进排气消声器性能的数值仿真研究D.中国优秀硕士学位论文全文数据,2007,035吴尚平.塑料进气歧管振动噪声的数值仿真研究D.中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,046李国伟.汽车排气系统噪音与振动的控制J.山东工业技术,2015,03:38-397魏燚,龚利全,陈跃伟,刘健,王强.排气消声系统设计J.四川省汽车工程学会期刊,20138张舒.汽车排气噪声的改进研究D.中国优秀硕士学位论文全文数据库,2009,S29王金.微型消声器特性及其测量方法的研究D.中国优秀硕士学位论文全文数据库,2014,0710田明.新型消声器研究与设计D.中国优秀硕士学位论文全文数据库,2012,0711上官文斌,黄志,贺良勇,等.汽车排气系统吊耳动刚度优化方法的研究J.振动与冲击,2010,29（1）:100-10212骆青业,张斐,宋健,陈建军.低温容器排放管路波纹补偿器的失效分析J.机电产品开发与创新,2015,02:34-3513王辉.宽燃料航空活塞式发动机曲轴动力学仿真及实验研究D.中国优秀硕士学位论文全文数据库,2014,0314刘野.汽车轮胎硫化生产过程的优化研究D.中国优秀硕士学位论文全文数据库,2014,0115宋家喜,朱晓健.探讨有杆采油工程中可视化技术的应用J.科技风,2011,21:109-10929