排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析

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1、第五章排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析第五章排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析第一節(jié)排氣系統(tǒng)概述1．排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與種類排氣系統(tǒng)一般是指與從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣多支管到排氣尾管各個(gè)部件組合。圖5.1為一個(gè)V型發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)圖。排氣系統(tǒng)包括：Y型管、催化器、柔性管、前置消音器、后置消音器、中間連接管、尾管、掛鉤、掛鉤隔振器等部件。圖5.1排氣系統(tǒng)的組成排氣系統(tǒng)的一端通過排氣多支管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，而另一端是通過掛鉤與車體相連。圖5.2表示排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)與車體的連接示意圖。排氣系統(tǒng)可以按照溫度高低分成熱端與冷端，如圖5.2所示。離發(fā)動(dòng)機(jī)近的部分叫著熱端，一般包括排氣多支管、催化器等。當(dāng)氣體離發(fā)動(dòng)機(jī)越遠(yuǎn)，溫

2、度就越低。冷端包括前置消音器、后置消音器、中間管道和尾管等。一般情況下，柔性連接管是熱端和冷端的分界點(diǎn)，但是也有例外，如有些結(jié)構(gòu)的柔性管安裝在Y型管上或者有的結(jié)構(gòu)中沒有柔性管。圖5.2排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)與車體的連接圖81第五章排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析Y型管是針對(duì)V型發(fā)動(dòng)機(jī)的。對(duì)4四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般來說沒有Y型管。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)是東-西方向放置的，一般都會(huì)有柔性管或者是球型連接器，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與排氣系統(tǒng)垂直，從而引起很大的彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。而對(duì)于南-北方向放置的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般沒有柔性管，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與排氣系統(tǒng)平行，只引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而沒有彎曲振動(dòng)。一般來說，彎

3、曲振動(dòng)通過掛鉤傳到車體上的力比扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳遞的力要大些。排氣系統(tǒng)的類型有下面幾種：單入口單出口(圖5.3(A))，單入口雙出口(圖5.3(B))，雙入口單出口(圖5.3(C))，雙入口雙出口(圖5.3(D))和兩個(gè)獨(dú)立的排氣系統(tǒng)(圖5.3(E))。單入口用在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，雙入口用在V型發(fā)動(dòng)機(jī)上。單出口和雙出口在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)和V型發(fā)動(dòng)機(jī)上都有應(yīng)用。獨(dú)立系統(tǒng)是用在V型發(fā)動(dòng)機(jī)上。5(E)5(D)5(C)5(A)圖5.3排氣管的種類2．排氣系統(tǒng)的功能空氣與燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后，廢氣要排入到大氣中。由於燃燒不徹底，這些廢氣中含有氮氧化合物、一氧化碳等有害物質(zhì)。這些有害物質(zhì)必須經(jīng)過處理后才

4、能排放到大氣中，否則就會(huì)造成空氣污染。排氣系統(tǒng)主要有兩大功能：1)廢氣處理。排氣系統(tǒng)中都安裝有催化器，有的系統(tǒng)中安裝有多個(gè)催化器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣經(jīng)過催化器時(shí)，廢氣在催化器內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將廢氣轉(zhuǎn)換為無害氣體，然后經(jīng)過管道排入到大氣。催化器一般要盡可能地離發(fā)動(dòng)機(jī)近些，這樣溫度高，有利于化學(xué)反應(yīng)。2)降低噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)發(fā)出巨大的噪聲，氣體和聲波在管道中摩擦也會(huì)產(chǎn)生噪聲。排氣系統(tǒng)中通常安裝兩個(gè)消音器：前置消音器和后置消音器。前置消音器基本上是抗性消音器，主要是針對(duì)一些特定的頻率。后置消音器可以是抗性消音器也可以是復(fù)合消音器，它用來消除較寬頻帶的噪聲。3．排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮

5、的問題81第五章排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析與進(jìn)氣系統(tǒng)一樣，當(dāng)一個(gè)排氣系統(tǒng)安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，排氣口處的背壓增高，排氣系統(tǒng)就要消耗一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。如果排氣管道的截面積越大，或者氣體流通越順暢，功率損失就越小。可是降低噪聲則需要管道截面積小，而且氣體流動(dòng)受到的阻力越大越好。於是降低噪聲與減少功率損失是一對(duì)矛盾。在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮這對(duì)矛盾體。除此之外，設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)還必須考慮到排氣污染、排氣系統(tǒng)傳遞到車體的振動(dòng)、可靠性等等。圖5.3列出了排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問題。圖5.4排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問題在設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)還要考慮成本、重量、安裝空間、制造安裝維修等問題。本書只講述噪聲與

6、振動(dòng)問題，其他性能指標(biāo)可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。但是由於功率損失與進(jìn)氣口噪聲與排氣尾管噪聲緊密相關(guān)，所以本章還將介紹管道中的背壓與功率損失問題。第二節(jié)排氣系統(tǒng)的噪聲源圖5.5表示了排氣系統(tǒng)的噪聲源。噪聲源包括空氣動(dòng)力噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲。圖5.5排氣系統(tǒng)的噪聲源1．空氣動(dòng)力噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生聲音。這個(gè)聲音在排氣管道中傳播而形成空氣動(dòng)力噪聲。在管道中的這股氣流是穩(wěn)定的。空氣動(dòng)力噪聲取決于排氣管道的直徑。在一定的氣流量時(shí)，直徑越大，空氣動(dòng)力噪聲就越穩(wěn)定?？諝鈩?dòng)力噪聲的大小取決于排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在排氣系統(tǒng)中，純粹的聲學(xué)設(shè)計(jì)就是針對(duì)這類噪聲的。2．沖擊噪聲81第五

7、章排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)分析排氣管道中不穩(wěn)定的氣流會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，從而形成沖擊噪聲。比如，排氣多支管彎曲段的弧度太小，發(fā)動(dòng)機(jī)出來的氣流會(huì)對(duì)它產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，從而發(fā)出“砰、砰”的沖擊噪聲。在管道截面積突然變化的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生沖擊噪聲。加大管道的過渡圓弧和漸進(jìn)地改變結(jié)構(gòu)的變截面積是減小沖擊噪聲的途徑。3．輻射噪聲當(dāng)一個(gè)振動(dòng)體與流體接觸的時(shí)候，就會(huì)推動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生聲音。麥克風(fēng)傳聲就是這樣。排氣系統(tǒng)的管道和消音元件被機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)或者受內(nèi)部流體壓力波動(dòng)引起振動(dòng)，這些被激勵(lì)的結(jié)構(gòu)對(duì)外將聲音輻射出去，形成了輻射噪聲。在排氣系統(tǒng)