汽車后消聲器布置優化方案設計

王榮

（泛亞汽車技術中心有限公司）

在汽車后端模塊研發中，消聲器的方案影響后懸、行李箱容積、備胎形式等關鍵參數。在給定后端模塊布置及設計邊界條件下，短后懸如何實現大行李箱容積目標，是急需解決的問題。在架構開發階段，針對消聲器的不同方案，對周邊零部件、后懸尺寸、行李箱容積、車身成型等影響分析，并根據備胎策略、后懸尺寸等特點，確認最優方案，對開發同架構不同車型的后端模塊將具有參考意義。

1 消聲器的設計及布置要求

1.1 設計要求

1）具有良好的消聲性能，即要求消聲器具有較好的消聲頻率特性，在所需要的消聲頻率范圍內有足夠大的消聲量；

2）具有良好的空氣動力性能，要求消聲器對氣流損失要小，達到裝上消聲器后，所增加的阻力損失不影響設備的工作效率，保證進排氣通暢；

3）在結構性能上，要求消聲器體積小、結構簡單、便于加工、經濟實用、無再生噪聲等；

4）消聲器容積與發動機排量、發動機額定功率下的轉速、發動機沖程數、發動機缸數有關；

5）由于布置空間和外觀需要等原因，往往將消聲器做成各種形狀，常見的有圓形截面、橢圓形截面等。依據一維平面波理論，只要擴張比相同，不同形狀的消聲器性能是一樣的。但實際上，由于高次諧波的存在，不僅消聲器的形狀，而且進出氣管的位置等對消聲器性能都有一定的影響。通過用有限元法對不同形狀的消聲器性能進行數值模擬，在頻率較低的平面波范圍內，消聲器的性能僅與擴張比有關，而與截面形狀無關。而當頻率較高時，由高次諧波的影響，在擴樁比相同的條件下，不同截面形狀的消聲器的性能是不一樣的。在各種不同的截面形狀中，截面為圓形的消聲器性能最優。在截面面積相同的條件下，消聲器越扁平，其性能越差。因此，在不影響消聲器安裝空間尺寸的條件下，截面形狀應盡量取圓形，考慮到汽車排氣系統總布置，可以選擇類跑道式。

圖1為典型的消聲器及其周邊零部件示意圖，選擇正確的消聲器方案，可以對后懸、行李箱容積、備胎形式、備胎布置要求等產生最優的布置效果。

圖1 消聲器及周邊零部件示意圖

1.2 布置要求

消聲器的布置要求如表1所示。

表1 消聲器的布置要求

2 消聲器布置方案

考慮某車型有2種發動機配置，對消聲器容積要求不同，一種要求14 L，另一種要求20 L，并且考慮出口國外大備胎要求，從布置的角度來看，20 L消聲器搭配大備胎組合是對空間要求最苛刻的，因此，僅針對該組合進行方案設計。

2.1 異想天開的創新方法

采用異想天開的創新方法解決消聲器大容積、短后懸、大行李箱容積、大備胎的布置空間困難問題。例如，隨機選取一個詞，棒球運動，根據自身特點可以幫助我們找到新的關聯素材。通過棒球運動可以聯想到棒球的形狀、棒球落地時的形變、棒球材料、傳球擊球的動作傳遞等因素。進行創新聯想后，上述棒球的因素可轉變為消聲器的形狀、對應備胎坑的形狀、消聲器材料、前中后消聲器的容積等設計概念。

2.2 TRIZ矛盾創新方法

利用TRIZ矛盾創新方法分析解決消聲器布置困難、空間不足的問題，如圖2所示。TRIZ是一組獨立于行業、最有效的解決技術問題的方法。消聲器布置最困難的問題是需要滿足消聲器熱分析，最直接的方法是降低備胎坑溫度，這一項確認為改良參數，在矛盾表中查出為第17行：溫度?？紤]降低備胎坑溫度的方式有4種，這4種方式實施會產生5項變差的結果。變差參數對應在矛盾表列項分別是4、8、2、13、8。查矛盾表，在改良參數和變差參數相交處找到發明法則。

圖2 TRIZ矛盾創新方法開發分析解決消聲器布置困難問題

改善備胎坑溫度滿足熱分析，從而改善備胎坑與消聲器間隙、改良參數、變差參數，發明法則如表2所示，并考慮每條法則應用在消聲器方案的新想法。

表2 TRIZ在消聲器方案上的應用

采用異想天開法和TRIZ法，剔除不可控因素，創造新想法如表3所示。

表3 消聲器布置創造新想法匯總

2.3 開發設計方案及對比

通過異想天開、TRIZ開發分析等方法，得到各種創新方案，并融合成以下6個20 L消聲器、大備胎開發設計方案：

1）消聲器沖壓縱置，并旋轉，布置在備胎坑左右側，消聲器主體材料設計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

2）消聲器沖壓橫置，并旋轉，布置在備胎坑X向前側，消聲器主體材料設計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

3）消聲器卷包縱置，并旋轉，布置在備胎坑左右側，消聲器主體材料設計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

4）消聲器卷包橫置，并旋轉，布置在備胎坑X向前側，消聲器主體材料設計成耐熱、堅實，加隔熱罩，抬高消聲器；

5）消聲器沖壓，備胎外掛；

6）消聲器卷包，備胎外掛。

剔除不滿足項目定義邊界條件的想法，結合客戶呼聲及成本、時間、質量、風險等要求對6個開發概念進行普氏分析。其中第1列為基準方案列，第2～6列均為與第1列相應方案的比較，優于第1列基準方案的用“＋”表示，劣于基準方案的用“－”表示，無變化的用“S”表示。分析結果見表4。

表4 20 L消聲器，大備胎方案開發設計方案及對比

經過普氏分析，方案4、5、6均增益優于其它方案，但是方案5和方案6備胎外掛，X向對行李箱容積影響比較大，且該平臺所開發的車型暫時沒有備胎外掛應用，技術風險略高于其他方案，同時考慮備胎坑鈑金與其他方案（比如14 L消聲器和小備胎組合）共用，因此20 L消聲器、大備胎，選擇方案4。

3 設計方案總結及影響分析

3.1 消聲器設計方案總結

考慮14/20 L、大/小備胎多種組合、后地板鈑金共用策略，最終確認的方案為14/20 L、大小備胎均采用卷包消聲器橫置，抬高并旋轉消聲器，增加隔熱罩，消聲器材料耐熱、結實，且備胎坑共用的方案，示意圖如圖3所示。

圖3 消聲器設計方案示意圖

3.2 消聲器方案對后端模塊影響分析

消聲器布置影響后端模塊最主要因素有工藝和布置方式：1）卷包消聲器，滿足消聲器卷包成型性要求，對布置空間要求高，優點是成本低，如果布置空間充裕，從成本角度出發，一般采用卷包消聲器方案；2）沖壓消聲器，可與周邊零件保證間隙的同時隨形周邊零部件，布置更方便，相對于卷包消聲器,沖壓形式的成本和質量都略高，對于緊湊型車型又要求配有大備胎方案，可以在成本、質量、技術風險上評估后確認是否采用沖壓消聲器；3）橫向消聲器，布置在備胎坑的下方或者X負向側方，在保證了離地間隙和路緣區域要求后，需要上抬消聲器,對行李箱容積影響較大，對后懸尺寸影響較大；4）縱向消聲器，左右受備胎坑和縱梁間隙影響，在滿足離地間隙及容積要求前提下，對后懸尺寸影響比較大，另外有從汽車尾端看到消聲器的風險。

文章在方案選擇的時候，考察了沖壓、卷包、橫置、縱置的不同組合策略，并針對布置要求最為苛刻的組合（20 L消聲器、大備胎）進行了普氏分析，考慮14/20 L、大/小備胎多種工況下后地板鈑金共用策略。依據普氏分析結果，行李廂容積表征看起來是弱項，可以通過消聲器的參數優化平衡各評價指標，最終確認最優參數消聲器的最佳方案。