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排汽消音器设计安装于小型内燃机的使用
发布时间:2022/12/16 点击次数:773

排汽消音器设计安装于小型内燃机的使用
 

排汽消音器设计常规流程:它主要通过性能分析、噪声分析及强度分析过程来确定排汽消音器的内腔结构和外部挂点布局,再经过外观设计过程来确定排汽消音器的外观,最后由生产装配过程中得到的经验知识作为检测标准,进行逐一检测,若满足生产工艺与装配工艺中的所有要求,那么排汽消音器的设计造型就完成了。

对于摩托车而言,排汽消音器是极为重要的组成部分,排汽消音器设计的好坏会直接影响此款摩托车的性能及整体外观,但目前却鲜有设计全新排汽消音器的指导资料。故本文结合自己多年从事排汽消音器设计工作的经验,简单地谈谈怎样进行排汽消音器的设计工作。消车的发动机输出有效功率的多少,故若要提高发动机输出的有效功率,必须尽可能减少其功率损失。以某款排汽消音器为例,我们利用课本的理论知识,得到排汽消音器组件的压力损失计算公式排汽消音器组件的压力损失=沿程压力损失+局部压力损失

沿程压力损失计算:排汽消音器设计要考虑的方面很多,但主要可以概括为六其计算公式:Hf=1βρv2L(1)个方面:性能、噪声、强度、装配工艺、生产工艺以及2D外观的设计。下面本文结合某款排汽消音器的实例,对排汽消音器的常规设计流程中主要从性能、噪声及强度三方面进行简要的介绍。

性能分析一辆摩托车性能的好坏,完全取决于这辆摩托式中:Hf为沿程压力损失,Pa;β为摩擦阻力系数,无量纲;ρ为气体密度,kg/m3;v为气流平均流速,m/s;L为管道长度,m;D为管道直径,m。

管道直径、长度以及气体流速、密度都比较容易确定,对于管道摩擦阻力系数,可以根据表1确定。

1中相对粗糙度为管壁面粗糙度与管道直径第1期陈冬冬等:浅谈排汽消音器设计51表1管道摩擦阻力系数的比值,对于摩擦阻力系数,可用式(2)进行估算:β=0.0004λ3-0.0043λ2+0.0214λ+0.0209(2)式中:λ为相对粗糙度,λ=δ/D;δ为表面粗糙度,m;D为管道直径,m。局部压力损失算:其计算公式:He=1ξρv2(3)2式中:He为局部压力损失,Pa;ξ为局部阻力系数,无相对粗糙度/%

0.20

0.40

0.50

0.80

1.00

1.50

2.00

3.00

4.00

5.00

摩擦阻力系数

0.024

0.028

0.032

0.036

0.039

0.044

0.049

0.057

0.065

0.072

量纲;ρ为气体密度,kg/m3;v为气流平均流速,m/s。根据以上公式,我们就可以定量计算出该款排汽消音器的压力损失值。由于功率损失值与压力损失值是正相关的,故我们就可以基本判断功率的损失情况。之后我们运用专业的性能分析软件AVL_Boost,对此款排汽消音器进行建模,见图1发动机性能分析建模图:性能分析结果,见图2功率分析对比图.通过模拟分析,我们发现影响性能的主要因素

 1发动机性能分析建模图功率有以下三点:1)排气管管径与筒体管径的大小;2)排气管长度与筒体长度的大小;3)筒体内第一腔内腔容积的大小。再经过试验的验证,我们知道当排汽消音器的排气管与筒体的管径越大、长度越短,并且第一腔内容积足够大时,摩托车的功率损失就越小,但由于排汽消音器的外部体积受到摩托车整车布局的空间限制,故不可能做得无限大,所以我们引入了扩张比m的概念,由经验总结及试验分析得到m的取值为10~25之间,这样当我们确定一辆车的排量后,我们就可以根据“V排量×m=V实际筒体容积”的经验605550006000700080009000

n/(r·min-1)公式,基本确定排汽消音器筒体的内腔容积,再根据排汽消音器排气管内径比气缸盖排气管道管径大1mm的经验,我们就能够得出排气管的直径大小,再根据整车注:1.触媒损失为5.6%;2.筒体损失为3%;3.消音器功率损失为8.5%(大于5%),不满足要求;4.排气背压为20.8kPa(排气背压通常不大于15kPa),不满足要求。

 

原消音器

无触媒消音器

触媒损失

原空管

筒体损失

功率损失

参考标准

最大功率/kW

51.5

54.6

5.6%

56.3

3%

8.5%

5%

排气背压/kPa

20.8

 

 

 

 

 

15

2功率分析对比图的布置情况,确定排气管的长度,通常长度选定范围为600~1000mm之间。

噪声分析

排汽消音器最重要的作用就是消声作用,消除噪声的方式多种多样,但我们常用的消声方法有四种:第一种消声方式为阻性消声,其原理是利用玻璃纤维等吸声材料,将声能转化为热能及其他的能量形式,最终达到消声的目的,主要消除高频段的声音,其消声结构如图3所示。

3阻性排汽消音器内部结构图

第二种消声方式为抗性消声,其原理是利用突变截面的管和室组合而成,使声波在各室中来回反射并相互抵消以达到消声目的,主要消除中、低频段的声音(我们一般都是利用三腔结构,根据经验隔板分割腔后,各个腔的体积比值9:6:4),其消声结构如图4所示。

6小孔排汽消音器内部结构图

分析,得到相应的分析曲线图。若分析的结果满足企业标准,我们认为此排汽消音器就噪声方面是设计合格的,否则就认为是不合格的。

实例:利用噪声分析软件对某款排汽消音器的传递损失进行分析并建模如图7所示。

7噪声分析三维建模图传递损失分析结果见图8。传递损失计算1008

4抗性排汽消音器内部结构图

第三种消声方式为阻抗复合式消声,其原理是将阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合进行消声,充分利用了阻性消声和抗性消声的优点,可以明显消除高、中、低频段的声音,其消声结构如图5所示。

5阻抗复合式排汽消音器内部结构图

第四种消声方式为小孔消声,其原理是以喷气噪声的频谱为依据,若保持喷口的总面积不变,而用很多小喷口来代替,当气流经过小孔时,喷气噪声的频谱就会移向高频或超高频,使频谱中的可听声成分明显降低,从而减少对人体的干扰和伤害。简而言之,就是将人们可听到的中、低频段声音转变为人们听不到的高频或超高频段声音进行消声,故能明显消除中、低频段的声音,其消声结构如图6所示。

当利用这些消声方法建立完成排汽消音器筒体的内部结构后,再运用噪声分析软件对噪声进行专业的

如图示,此款排汽消音器传递损失在全频段均达到理论要求消声量,消声效果较好,符合要求。图8传递损失分析曲线图强度分析

排汽消音器的性能和噪声满足要求后,利用相应的数据,我们可以通过三维设计软件基本完成排汽消音器的整体三维造型,再利用专业的强度软件对此排汽消音器进行有限元分析。有限元分析的作用,主要是通过软件分析来找到最好的受力点,调整悬挂点使排汽消音器所受的扭矩降到最低,从而提升排汽消音器的使用寿命;再通过模态分析,模拟实际恶劣条件下的工作情景,利用反复的模拟试验以找到此筒体的固有频率,并尽量通过调整排汽消音器零件的外形,质量,材料等来避开其固有频率点,从而避免发生共振现象,并同时找到其应力集中点。当我们了解应力集中的具体位置后,再返回来调整相应的结构,就可以消除这些问题了。实例:我们利用结构分析软件对某款排汽消音器强度进行分析并建模如图9所示,建议改进内容如图10所示。

强度分析结果见表2。

9有限元分析应力集中图表2更改前后的强度对比表图10有限元分析方案改进图

例对流程中性能、噪声及强度三方面进行了简要的介绍。使我们对排汽消音器的全新设计流程有了更加深入的了解,可以为我们今后的排汽消音器设计工作提供借鉴。
以此强度分析的反馈结果为依据,调整局部外形结构,使其整体强度满足要求。

当我们完成对排汽消音器性能、噪声、强度的分析之后,其内部的结构布置也同时完成了,再通过外观设计确定其外部形状,并满足生产装配工艺要求,那么排汽消音器的设计工作就完成了。

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