淺談消聲器設(shè)計

陳冬冬　彭北京　亓建永　陳禮信（浙江錢江摩托股份有限公司　浙江　溫嶺　317500）

淺談消聲器設(shè)計

陳冬冬彭北京亓建永陳禮信
（浙江錢江摩托股份有限公司浙江溫嶺317500）

消聲器設(shè)計常規(guī)流程：它主要通過性能分析、噪聲分析及強(qiáng)度分析過程來確定消聲器的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和外部掛點(diǎn)布局，再經(jīng)過外觀設(shè)計過程來確定消聲器的外觀，最后由生產(chǎn)裝配過程中得到的經(jīng)驗(yàn)知識作為檢測標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行逐一檢測，若滿足生產(chǎn)工藝與裝配工藝中的所有要求，那么消聲器的設(shè)計造型就完成了。

性能噪聲強(qiáng)度裝配工藝生產(chǎn)工藝外觀

引言

對于摩托車而言，消聲器是極為重要的組成部分，消聲器設(shè)計的好壞會直接影響此款摩托車的性能及整體外觀，但目前卻鮮有設(shè)計全新消聲器的指導(dǎo)資料。故本文結(jié)合自己多年從事消聲器設(shè)計工作的經(jīng)驗(yàn)，簡單地談?wù)勗鯓舆M(jìn)行消聲器的設(shè)計工作。消聲器設(shè)計要考慮的方面很多，但主要可以概括為六個方面：性能、噪聲、強(qiáng)度、裝配工藝、生產(chǎn)工藝以及外觀的設(shè)計。下面本文結(jié)合某款消聲器的實(shí)例，對消聲器的常規(guī)設(shè)計流程中主要從性能、噪聲及強(qiáng)度三方面進(jìn)行簡要的介紹。

1　性能分析

一輛摩托車性能的好壞，完全取決于這輛摩托車的發(fā)動機(jī)輸出有效功率的多少，故若要提高發(fā)動機(jī)輸出的有效功率，必須盡可能減少其功率損失。以某款消聲器為例，我們利用課本的理論知識，得到消聲器組件的壓力損失計算公式[1～3]：

消聲器組件的壓力損失=沿程壓力損失+局部壓力損失

沿程壓力損失計算：

式中：Hf為沿程壓力損失，Pa；β為摩擦阻力系數(shù)，無量綱；ρ為氣體密度，kg/m3；v為氣流平均流速，m/s；L為管道長度，m；D為管道直徑，m。

管道直徑、長度以及氣體流速、密度都比較容易確定，對于管道摩擦阻力系數(shù)，可以根據(jù)表1確定。

表1中相對粗糙度為管壁面粗糙度與管道直徑的比值，對于摩擦阻力系數(shù)，可用式（2）進(jìn)行估算：

式中：λ為相對粗糙度，λ=δ/D；δ為表面粗糙度，m；D為管道直徑，m。

表1　管道摩擦阻力系數(shù)

式中：λ為相對粗糙度，λ = δ/D；δ 為表面粗糙度，m；D為管道直徑，m.

局部壓力損失計算：

圖1　發(fā)動機(jī)性能分析建模圖

n/（r·min-1）

圖2　 功率分析對比圖

式中：He為局部壓力損失，Pa；ξ為局部阻力系數(shù)，無有以下三點(diǎn)：1）排氣管管徑與筒體管徑的大小；2）排氣管長度與筒體長度的大小；3）筒體內(nèi)第一腔內(nèi)腔容積的大小。再經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證，我們知道當(dāng)消聲器的排氣管與筒體的管徑越大、長度越短，并且第一腔內(nèi)容積足夠大時，摩托車的功率損失就越小，但由于消聲器的外部體積受到摩托車整車布局的空間限制，故不可能做得無限大，所以我們引入了擴(kuò)張比m的概念，由經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及試驗(yàn)分析得到m的取值為10～25之間，這樣當(dāng)我們確定一輛車的排量后，我們就可以根據(jù)“V排量×m=V實(shí)際筒體容積”的經(jīng)驗(yàn)公式，基本確定消聲器筒體的內(nèi)腔容積，再根據(jù)消聲器排氣管內(nèi)徑比氣缸蓋排氣管道管徑大1mm的經(jīng)驗(yàn)，我們就能夠得出排氣管的直徑大小，再根據(jù)整車的布置情況，確定排氣管的長度，通常長度選定范圍為600～1000mm之間。

2　噪聲分析

消聲器最重要的作用就是消聲作用，消除噪聲的方式多種多樣，但我們常用的消聲方法有四種：第一種消聲方式為阻性消聲，其原理是利用玻璃纖維等吸聲材料，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能及其他的能量形式，最終達(dá)到消聲的目的，主要消除高頻段的聲音，其消聲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　阻性消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

第二種消聲方式為抗性消聲，其原理是利用突變截面的管和室組合而成，使聲波在各室中來回反射并相互抵消以達(dá)到消聲目的，主要消除中、低頻段的聲音（我們一般都是利用三腔結(jié)構(gòu)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)隔板分割腔后，各個腔的體積比值9:6:4），其消聲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　抗性消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

第三種消聲方式為阻抗復(fù)合式消聲，其原理是將阻性結(jié)構(gòu)和抗性結(jié)構(gòu)按照一定的方式組合進(jìn)行消聲，充分利用了阻性消聲和抗性消聲的優(yōu)點(diǎn)，可以明顯消除高、中、低頻段的聲音，其消聲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　阻抗復(fù)合式消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

第四種消聲方式為小孔消聲，其原理是以噴氣噪聲的頻譜為依據(jù)，若保持噴口的總面積不變，而用很多小噴口來代替，當(dāng)氣流經(jīng)過小孔時，噴氣噪聲的頻譜就會移向高頻或超高頻，使頻譜中的可聽聲成分明顯降低，從而減少對人體的干擾和傷害。簡而言之，就是將人們可聽到的中、低頻段聲音轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兟牪坏降母哳l或超高頻段聲音進(jìn)行消聲，故能明顯消除中、低頻段的聲音，其消聲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

當(dāng)利用這些消聲方法建立完成消聲器筒體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，再運(yùn)用噪聲分析軟件對噪聲進(jìn)行專業(yè)的分析，得到相應(yīng)的分析曲線圖。若分析的結(jié)果滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們認(rèn)為此消聲器就噪聲方面是設(shè)計合格的，否則就認(rèn)為是不合格的。

圖6　小孔消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

實(shí)例：利用噪聲分析軟件對某款消聲器的傳遞損失進(jìn)行分析并建模如圖7所示。

圖7　噪聲分析三維建模圖

傳遞損失分析結(jié)果見圖8。

如圖示，此款消聲器傳遞損失在全頻段均達(dá)到理論要求消聲量，消聲效果較好，符合要求。

3　強(qiáng)度分析

當(dāng)消聲器的性能和噪聲滿足要求后，利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)，我們可以通過三維設(shè)計軟件基本完成消聲器的整體三維造型，再利用專業(yè)的強(qiáng)度軟件對此消聲器進(jìn)行有限元分析。有限元分析的作用，主要是通過軟件分析來找到最好的受力點(diǎn)，調(diào)整懸掛點(diǎn)使消聲器所受的扭矩降到最低，從而提升消聲器的使用壽命；再通過模態(tài)分析，模擬實(shí)際惡劣條件下的工作情景，利用反復(fù)的模擬試驗(yàn)以找到此筒體的固有頻率，并盡量通過調(diào)整消聲器零件的外形，質(zhì)量，材料等來避開其固有頻率點(diǎn)，從而避免發(fā)生共振現(xiàn)象，并同時找到其應(yīng)力集中點(diǎn)。當(dāng)我們了解應(yīng)力集中的具體位置后，再返回來調(diào)整相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，就可以消除這些問題了。

實(shí)例：我們利用結(jié)構(gòu)分析軟件對某款消聲器強(qiáng)度進(jìn)行分析并建模如圖9所示，建議改進(jìn)內(nèi)容如圖10所示。

強(qiáng)度分析結(jié)果見表2。

圖9　有限元分析應(yīng)力集中圖

圖10 　有限元分析方案改進(jìn)圖

表2更改前后的強(qiáng)度對比表

以此強(qiáng)度分析的反饋結(jié)果為依據(jù)，調(diào)整局部外形結(jié)構(gòu)，使其整體強(qiáng)度滿足要求。

當(dāng)我們完成對消聲器性能、噪聲、強(qiáng)度的分析之后，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置也同時完成了，再通過外觀設(shè)計確定其外部形狀，并滿足生產(chǎn)裝配工藝要求，那么消聲器的設(shè)計工作就完成了。

4　結(jié)束語

本文提出了消聲器的常規(guī)設(shè)計流程并結(jié)合實(shí)例對流程中性能、噪聲及強(qiáng)度三方面進(jìn)行了簡要的介紹。使我們對消聲器的全新設(shè)計流程有了更加深入的了解，可以為我們今后的消聲器設(shè)計工作提供借鑒。

1馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

2范欽珊.材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004

3朱龍根.機(jī)械設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

4于萍.工程流體力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008

5李文匯.摩托車發(fā)動機(jī)原理與設(shè)計.濟(jì)南：輕騎摩托股份有限公司，2007

Discussion on the Design ofM uffler

Chen Dongdong,Peng Beijing，Qi Jianyong，Chen Lixin
ZhejiangQianjiangMotorcycle Co.，Ltd.（Wenling，Zhejiang，317500，China）

Muffler design of conventional process is as follows:Through the performance analysis,noise analysis and strength analysis process，the cavity structure and external silencer hanging point layout are determined;and then through the appearance design process,the appearance of themuffler is determine; the experience knowledge obtained from the production of final assembly process is treated as the testing standards.If they meet all the requirements of production process and assembly process,the design of muffler is completed.

Performance，Noise，Strength，Assembly process，Production process，Appearance

U483

A

2095-8234（2015）01-0050-04

陳冬冬（1987-）男，本科，主要研究方向?yàn)橄暺髟O(shè)計，噪聲控制及性能改善。

（2014-12-03）