重型汽车排气系统设计摘 要随着城市车辆的增多，噪声污染已经严重干扰了人们的生活，世界各个国家也对车辆噪声提出越来越严格的限制要求。面对当今环
境污染的压力，设计一款出色的排气系统显得尤为重要。本次论文主要是针对重型汽车排气系统的整体设计，最主要的是消声器的设计，这其中包括
对应发动机的选择，消声器的结构类型的确定，进出口直径的确定，消声器容积的确定，截面形状的确定，还包括扩张比、消声器外形尺寸的确定，
腔数选择和各腔之间的连接方案以及穿孔管结构参数的确定。最后通过查找相关技术资料和文献，结合重型汽车底盘的实际结构，确认了排气系统各
部件的布局方案。关键词：重型汽车，排气系统，消声器，排气管，结构布局 目 录前 言1第1章 排气系统概述21.1 排气系统21.1
.1 排气系统定义21.1.2 排气系统功能21.2 排气系统组成21.2.1 排气歧管31.2.2 排气管31.2.3 三元催化
器31.2.4 消声器4第2章 排气系统设计原则72.1 规范目的72.2 应满足的国家法规要求72.2.1 汽车排气消声器性能试
验方法72.2.2 汽车排气消声器技术条件72.3 应到达的性能要求72.4 布置要求82.5 设计说明82.5.1 尺寸及重量8
2.5.2 排气背压92.5.3 功率损失比92.5.4 净化效率92.5.5 加速行驶车外噪声102.5.6 尾管噪声102.5
.7 定置噪声102.5.8 振动11第3章 排气系统设计123.1发动机主要参数123.2 排气流量计算123.2.1 发动机流
量估算123.2.2 排气流量计算123.3 排气管设计计算123.3.1 排气管内径的确定133.3.2 排气管的布置和转弯13
3.3.3 排气管道与周围零件之间的间隙133.3.4 排气管道间的连接方式和密封133.3.5 排气系统支撑悬挂装置的布置设计1
43.4 消声器设计153.4.1 消声器设计指标153.4.2 消声器结构确定163.5 排气管尾管设计233.6 副消声器设计
243.7 波纹管的选取243.8 排气系统布置253.9 排气系统的固定、安装和连接25第4章 排气系统选材274.1 排气管2
74.2 消声器274.3 金属波纹管274.4 三元催化器284.5 排气歧管28 前 言 随着我国交通运输业的不断发展，近十几
年来汽车工业发展迅猛，各类交通工具数量激增。汽车发动机燃烧之后排放出来的尾气无可厚非地必将对环境带来巨大的压力，同时，随着城市化进
程的加快以及人们生活水平质量的不断提高，司机对于驾车环境舒适程度的要求也就越来越高。我如何在控制成本的前提下设计出一辆低噪声、轻污
染的重型汽车显得尤为重要。排气系统的主要任务是降低发动机燃烧时排放出来气体的噪声，同时将废气经过三元催化器的转化尽可能多的转化为低
污染的尾气排放出来，由此可见，设计一款优秀的排气系统有利于提高我们生产和生活的质量。我国重型车企业对于排气噪声这一点并未给予足够的
重视，很多技术运用都是为了应付国家的标准或者是出口要求，重型车的降噪水平与国外发达国家还有较大的差距。另外，大部分重型车生产企业同
一款发动机搭配不同消声器的现象也较为普遍，这是导致降噪水平不能提高的重要原因之一。本次设计严格以汽车排气系统的的理论知识以及行业相
关的实验成果为依据，针对目前主要现状设计出一款较为优良的排气系统。对于排气系统的设计主要解决了其结构布局的问题，同时重点对主消声器
进行了详细的设计，包括结构类型的选取，进出口直径的计算，外部尺寸的确定，消声器容积的确定等多个方面。 第1章 排气系统概述1.1
排气系统1.1.1 排气系统定义 排气系统的定义是用于收集废气并且排放废气的系统，同时排气系统也可以降低发动机排放废气的时候发出来
的噪声。 排气系统主要是由排气管、排气歧管、消声器、三元催化器和排气尾管等部分组成。1.1.2 排气系统功能 排气系统主要是用来保
持汽车排气的畅通，防止汽车排气泄漏，降低汽车排气时的噪声，对于控制排气系统的阻力非常重要，如果阻力太大，则容易引起发动机的输出功率
降低，油耗量增加，自由加速度变大，有害排放物质的增多，整车的加速也将受到影响，因此我们对排气系统的结构设计应该给予足够的重视。1.
2 排气系统组成汽车排气系统的典型结构如图1-1所示，该系统主要是由排气管、副消声器、主消声器和排气净化装置组成。图1-1 排气系
统结构1.排气管；2.排气净化装置；3.副消声器；4.主消声器1.2.1 排气歧管 排气歧管是排气系统中最靠近发动机的零件，它排出
来的气体温度可达到900℃，因为排气温度过高，所以要求材料应具有良好的抗氧化性及高耐温强度，排气歧管所使用的材料为不锈钢有铁素体系
不锈钢及奥氏体系不锈钢两种，其中的奥氏体系不锈钢具有良好的特性。我们通常都采用价格便宜并且耐高温的铸铁制成，但也有少数采用不锈钢管
制成，其优点是形状自由度大、管壁薄、质量轻和可提高容积效率。因为各缸的排气最终是汇集在一起的，但由于各缸排气时间的不同，因此相互引
起干扰，所以各缸的支管尽量去做到相互独立，而且长度相等。1.2.2 排气管 从排气歧管以后，连接着用于连通三元催化器和消声器的管道
都是排气管。一般的排气管由铸铁或者球墨铸铁制成，而近来使用不锈钢排气管的车辆也越来越多，其原因为不锈钢的重量轻，耐旧性好，而且内壁
光滑，因而通气性好，排气阻力较小。但因为成本较高，于是也有使用工程塑料来替代它的，工程塑料也耐高温，并且有高强度。排气管和排气系统
其他各个部件均可采用多种连接方式，下面章节里会提到具体的连接方案。1.2.3 三元催化器 三元催化器在汽车排气系统中的作用是进行
气体净化，它的主要作用是减少尾气中、、 等各种化合物的含量，当汽车排出的高温尾气通过三元催化器净化装置时，三元催化器里的净化剂将增
强、和三种气体的活性，使这些气体进行一定程度上的氧化-还原反应，其中在高温的环境下被氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；化合物在高温
环境下被氧化成二氧化碳和水；化合物则被还原成了氮气还有氧气。三元催化器使这些有害气体氧化-还原成了无害气体，从而达到净化尾气的目的
。三类化合物经过转化后最终可以变成水还有氮气排出。一般其工作的温度在200-800度，三元催化器理论空燃比附近转化效率应达到90%
以上。1.2.4 消声器 消声器是用来降低背压，衰减脉动从而来达到消除噪音的目的，一般是由共振腔、膨胀腔、连接管等部分组成，有一些
消声器还在内部填充了耐热吸音材料，这些材料大多是玻璃纤维或石棉。排气经过进气管流入膨胀室，排气不断的改变流动方向，使噪声得到一定程
度的衰减，这主要是利用到吸收、干涉、反射等原理从而达到消声的目的。消声器的材料有镀铝钢板、不锈钢板。按消声原理来分类，消声器的类型
可以分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器等。阻性消声器主要通过利用管内添加的吸声材料从而吸收其中传播的部分声能，这就是类似
于电路中的电阻作用。在中、高频范围内阻性消声器起到不错的消声效果。抗性消声器是利用共振腔的适当组合或者是管道形状尺寸的多种变化来造
成声波可在系统中传播时阻抗适配，使声波在管道和共振腔内发生反射或是干涉，从而降低其输出的声能。因为抗性消声器的消声效果随着频率的变
化而变化，所以它又被称为声学滤波器。抗性消声器的消声频带略窄，高频消声较差，而在中低频消声效果较好。阻抗复合式消声器是将阻性消声器
和抗性消声器结合起来，从低频到高频均起到了不错的消声效果。对于汽车排气系而言，通常采用抗性消声器效果会比较好，因为它是全金属结构，
耐高温，耐气流冲击，耐腐蚀，成本较低，寿命长，而且结构也相对简单。为了使消声器对高频噪声吸收的效果提高，通常使用穿孔板、多级组合等
结构来提高对高频消声效果。而对于阻性消声器来说，它内部的多孔性材料耐腐蚀性较差、耐高温，并且微孔比较容易被废气中的炭灰所阻塞，以此
阻性消声器不适合用于排气系统。抗性消声器的内部结构有多种组合方式，而基本构成却只有共振型和扩张型两种元件。扩张型元件如图1-2所示
。当气流通过时突然扩张，进而损失了一部分声能，当气流再次相遇重合时，一些气流和声波再次被反射回来，照这种方式进行下去就一直有一部分
气流和声波做往复运动，就能使相当一部分声能被消耗，从而达到衰减噪声的目的。共振型元件如图1-3所示。若在排气通路中设置一个与其相通
的封闭空室，当气流经过小孔时候，小孔孔径中的气体在声压作用下像活塞一样往复运动，从而使孔径壁面和声波相互摩擦，其中有一部分声能能够
转化成热能。而当排气声波频率与密闭空室自振频率相等时，就会发生共振，此时消耗的声能最多，噪声衰减量也就最大。实际上在设计消声器是通
常使用的是赫姆霍兹共振体，为穿孔板或者穿孔体，因为单孔共振室只对单一的声频存在效果。如图1-4、1-5所示。图1-2 扩张室图 1
-3 共振室图1-4 穿孔管 图1-5 穿孔板 第2章 排气系统设计原则2.1 规范目的因为环保法规对机动车排放的要求越来越高，
排气系统在车辆的系统设计中渐渐重要起来。我们应该针对排气系统的设计提出规范的要求，从而满足国家的规定和要求，并且提高对排气系统设计
制造质量的水平，以便在设计和制造中参照执行。2.2 应满足的国家法规要求2.2.1 汽车排气消声器性能试验方法 对于试验的道路、条
件和试验装备都应该满足《汽车排气消声器性能试验方法》（QC/T 630-93）和《内燃机排气系统消声器测量方法》（GB/T 475
9-1995）的规定。2.2.2 汽车排气消声器技术条件 对于消声器等多个部件的使用要求及性能应该满足《汽车排气消声器技术条件》（
QC/T 631-1999）的规定。2.3 应到达的性能要求(1)依照车辆的总体结构来布置和设计汽车的排气系统。 (2)在充分保证
发动机功率的前提下，使得所有发动机的废气能够被安全排出，进入大气。 (3)排气系统必须做到把排放出来的噪声要求达到工业公认或者国家
规定的水平。 (4)排气系统应能防止水进入发动机内部。 (5)排气系统和消声器应有不错的外观、良好的质量还有足够的使用年限。 (
6)排气系统和消声器的设计应该使排气阻力尽量降低降低，从而使得发动机的功率损失减小。2.4 布置要求 (1)连接到发动机排气歧管或
者增压器上的附件都不得由于重量、运动或热膨胀等原因对排气歧管还有增压器施加过大的应力，同时也不能够限制弹性发动机的悬置系统所要求的
形变。 (2)发动机所产生的废气应合理地排出，不能污染发动机进气，不能影响冷却系冷却能力，造成了对发动机及附件的额外损坏和引起冷却
系统过载。 (3)要保证排气系统与汽车操作区的密封性，防止热辐射还有噪声的干扰。 (4)排气管及消声器等外露零件都应该和周边的
零件存在足够的间隙。 (5)与水箱悬置橡胶软垫、发动机悬置橡胶软垫等的间隔应大于100mm。 (6)与机油、燃油滤清器和管路的间
隔应大于200mm。(7)高压油泵、燃油机油滤清器、喷油器、燃油机油管件及接头、机油标尺管口、呼吸器管口的正下方不允许布置消声器还
有排气管等高温外露零部件，以免燃油、机油滴漏引起火灾，如果为了结构限制需要布置时，必须设置有效的挡板。2.5 设计说明2.5.1
尺寸及重量尺寸和重量都需要根据产品需要达到的性能要求以及底盘空间的位置来确定，但在满足性能要求的基础上，应该做到尽量小为最好。2.
5.2 排气背压排气背压指的是发动机在装上整套排气系统之后，按照QC/T 524-1999设定的测点测得的压强(离发动机排气歧管出
口或涡轮增压器出口下游75mm 处，在排气连接管里测量，测压头与管内壁齐平，误差不大于0.2kPa)。排气背压越高，排气阻力就越大
，充气效率也越低，发动机功率、扭矩损失也就越大。一般来说，如果考虑到发动机的功率和扭矩要求，要对排气系统提出一个具体排气背压要求。
对于自然吸气发动机，排气背压一般设在305kPa。对于增压发动机，排气背压一般设在4010kPa。一般认为消声器的压力损失分为两个
部分：一是局部压力损失；二是管壁沿程摩擦阻力损失。两者都是因为在流体运动的时候克服粘性切应力做功引起的。局部阻力的损失发生在消声器
内收缩、扩张等截面进行突变的地方，其大小取决于局部的结构型式、管道的直径和气流速度，与消声器截面的扩张比有关，即M=S2/S1。沿
程阻力的损失发生在消声器管道的壁面，其大小取决于管道管壁粗糙度以及气流速度V的大小，而管道的直径和气流速度是密切相关的，所以消声器
管径的选取至关重要。所以，通常排气系统应该尽可能避免过度弯曲形状，设计走向尽量简单。2.5.3 功率损失比消声器的功率损失比为发动
机在标定的工况下，使用消声器前后的发动机功率的差值和没有使用消声器时功率值的百分比。γ＝[（P1－P2）/ P1]×100％ (2
.1)对于γ值，QC/T 631－1999《汽车排气消声器技术条件》规定为<8％，我们一般设定为<5％。2.5.4 净化效率根据尾
气排放标准的要求，一般情况下要求排气系统对发动机排放气体的净化率（净化前后排气的污染物HC、CO、NOx 含量之比）要求在90%以
上。2.5.5 加速行驶车外噪声汽车加速行驶时车外噪声需要满足现行中华人民共和国法规规定要求，其具体的测量方法和限值见GB1495
－2002《汽车加速行使车外噪声限值及测量方法》和QC/T 58－93《汽车加速行使车外噪声测量方法》。汽车加速行驶时车外噪声是一
个整车噪声的衡量标准，影响汽车加速行驶的车外噪声的因素主要有四个：发动机本体的噪声，进气系统的噪声、排气系统的噪声和车胎-路面摩擦
的噪声，并且将来车胎-路面摩擦的噪声会越来越重要。各系统在满足各自的要求的基础上要尽量做到更好的降噪水平。2.5.6 尾管噪声排气
系统尾管噪声是衡量排气系统消声效果的一个重要性能指标。测量方法见图2.2所示。图2.2 尾管噪声监测方法2.5.7 定置噪声定置噪
声限值按国标GB16170－1996《汽车定置噪声限制》执行，要求定置噪声≤85dB(A)。试验方法按国标GB14365-93《声
学 机动车辆定置噪声测量方法》进行；定置是指车辆不行驶，发动机处于空载运转的状态，定置噪声可评价、检查机动车辆排气噪声水平，不能代
表车辆行使最大噪声级。2.5.8 振动排气系统的一端与发动机相连，另一端通过挂钩与车体相连。发动机振动传递给了排气系统，然后再通过
挂钩传给车体。车体的振动通过座椅、方向盘还有地板直接传给了乘员，此时车体的振动也会辐射出去，在车内产生一定的噪声，所以排气系统振动
控制的最重要的目标之一是要控制传到车体上的力。排气系统的振动源主要有四个：发动机的机械振动、发动机的气流冲击、声波激励和车体的振动
，车体的振动传递方向与其它三种相反，车体振动通过挂钩传递至排气系统，这一种传递会逆向传递到发动机，使发动机的振动加大。为了控制排气
系统的振动，我们在进行排气系统的设计时应该注意以下几点：（1）要避免与整车固有频率范围重合，要尽量做到差距越大越好，一般地车身固有
频率在25Hz－34Hz之间，因此排气系统振动频率不能设计在这个范围内；（2）在设计排气系统时，要使得其模态越少越好。如果模态太多
，那么系统某些频率很容易被激励起来，振动容易被传递到车体。通常排气系统应该尽可能地设计成一条直线，而尽量避免弯曲的形状；（3）合理
选择挂钩的位置，且挂钩的刚度要满足下面的要求： 支架频率≥发动机最大转速×发动机气缸数目/120；（4）波纹管和橡胶吊块的设计对排
气系统的振动控制至关重要。第3章 排气系统设计3.1发动机主要参数表3-1 发动机参数型号康明斯ISLe360 40最大功率265
KW汽缸数6最大马力360燃油种类柴油额定功率转速2100r/min排量8.9L最大扭矩1550N·m每缸气门数4个气缸排列形式直
列3.2 排气流量计算3.2.1 发动机流量估算先估算出发动机的排气流量，公式为： （3-1）式中：-发动机排量，此次设计的发动
机排量为8.9；-额定转速，为2100；-充量系数，一般取0.86。 将上述数据代入（3-1）计算可得：。3.2.2 排气流量计算
再通过排气流量校验公式准确计算出排气流量，所用公式为： (3-2)式中：-发动机出气温度，为；-发动机进气温度，为；通常取0.
98。 将上述数据代入（3-2）计算可得：。3.3 排气管设计计算 3.3.1 排气管内径的确定 设排气管的内径为，则排气管的横截
面积为： (3-3) 而排气管中的气流速度为，则有： (3-4) 综上可得排气管直径计算公式为： (3-5) 一般排气速度在，所
以取；排气管中的流量之前已经求得为，将数据代入（3-5）中经计算可以求得排气管的直径。3.3.2 排气管的布置和转弯 为了保证排气
的通畅，排气管的折弯角应该>90°最好>120°，转弯半径要，要尽量减少排气管的转弯数，通常不能多于6个。排气尾管出口的方向与水平
面的夹角向下保持在之间，这样能保证尾管的排气顺畅，排气管的具体设计参见零件图。3.3.3 排气管道与周围零件之间的间隙 如果两个部
件之间没有相对运动，那么二者之间的间隙最低不能小于15，而对于公法线的方向还有相对运动的两相邻部件，从运动极限位置开始计算，二者间
隙不得小于30。公切线方向的两个部件，如果没有相对运动，那么二者的间隙不能小于15。3.3.4 排气管道间的连接方式和密封 排气管
道间的连接一般以结构简单，安装、维修方便、布置方便、成本较低、便于加工制造、重量轻、密封性好、有足够的结构刚度为原则。常用的连接的
方式为法兰连接、插入式卡箍连接、止口式连接。如图3-1，其中A为止口式连接，B为法兰连接，C为插入式连接。 插入式通一般在消声器进
出口的连接处，止口式的连接通常用于连接增压器，而法兰式的连接的使用范围更加的广泛，整个管路任何地方都能够使用，而且法兰连接的强度以
及可靠程度都比其他两种连接方式要高，其中插入式连接与气流方向一致，以细管插入粗管的方法连接起来，内径和外径的差距不能够大于1mm。
法兰连接的时候，应使用密封圈。 A B C 图3-1 排气管常用连接 本次排气系统的连接方式主要是采用法兰连接，采用平面密封垫片
密封，而消声器、三元催化器、波纹管等几个主要的部件则是采用焊接的方式和排气管道连接，这样连接更能够提高排气系统的整体刚度，更加保证
了排气的气密性。对于排气管各零件的制造要求，已在设计图纸的技术要求中做有说明。3.3.5 排气系统支撑悬挂装置的布置设计 通常在结
构布置和空间大小允许的时候，我们将排气系统的主要悬挂副设置在消声器处，此次选择使用两副固定。当排气系统中装配有质量较大的零部件时（
如三元催化器、净化器等），应该在该零部件的两端设置悬挂副。排气系的整体悬挂布局应该根据系统总体结构布置的需要及其与汽车底板件结构还
有车架的距离等条件来进行确定。此次设计的主要悬副设置在主消声器的两端，采用的是卡环连接，通过支架和汽车底盘的大梁连接。排气系统的中
间位置的连接方式采用吊架的是悬挂链接，由于其自身的纵向以及横向的挠性，可以保证排气系统的整体悬挂具有韧性。在三元催化器处设置托架，
底部与横梁固定，用以支撑排气系统的横向重力。具体的悬挂布置参见装配图。3.4 消声器设计3.4.1 消声器设计指标 因为汽车的排气
消声器需在不同负荷、不同转速的状态下工作，这就要求消声器在不同流速和不同温度的情况下在宽频带范围应具有较高的消声值还有较低的功率损
失，重要的是选择一个合理的设计指标。国际上评价汽车噪声一般是采用匀速或以一定工况的加速度行驶时产生的A计权整车噪声级作为评价量。汽
车噪声是典型的综合噪声源，这其中主要有发动机噪声，排气噪声、传动系统噪声以及车体振动噪声等。排气系统的消声器功能仅仅是降低排气的噪
声，如果消声量太大，牺牲了发动机功率和增加了成本，就不能进一步降低整车的噪声，也是不经济的选择。反之，如果消声器的消声量太小，那么
排气噪声仍然是主要噪声源，这样就不能达到降低整车噪声的目的。消声器的合理设计指标取决于车辆的类型和其它噪源的强度，针对我国汽车噪声
现状，表3-2所列出的各类消声器推荐设计指标是合理可行的。表3-2 各类消声器推荐设计指标车辆类型插入损失IL.db(A)功率损失
.%摩托车载重汽车工程车辆大中型客车小轿车3.4.2 消声器结构确定 在设计消声器时应该根据我国有关的标准以及消声器性能的设计指标
要求，合理的选用消声器结构型式以及主要参数。消声器的主要参数包括：消声器容积、消声器腔数、进气管直径、出气管直径、消声器扩张比、消
声器各腔长度、消声器内插管的布置方式以及其长度、消声器的截面形状和消声器使用的吸声材料等。 消声器结构类型的确定 消声器按照消声的
原理可以将消声器可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器三大类。阻性消声器是通过利用消声器的内部吸声材料增大声损从而消声，对
中、高频消声的效果较好；抗性消声器则是利用管道截面突然发生变化，使用共振腔以及旁支管等导致声传播时因阻抗失配，从而达到消声的目的，
这样的方式具有良好的低、中频消声效果；阻抗复合型的消声器结合了上述两种的消声器特点,将扩张室、吸声材料和共振腔全部组合在一起而构成
了消声器，兼有阻性消声器和抗性消声器的作用，在很宽的频率范围内都可以有良好的消声性能。按照对汽车排气消声器的要求，用抗性消声器较为
合适，全金属的结构，机构简单、耐高温、耐冲击，成本低、耐腐蚀、寿命长。为了提高抗性消声器对高频消声的效果，我们通常都是采用如穿孔板
或是多级组合等对高频消声效果较好的结构。本文所设计的消声器为扩张式和共振式组合的抗性消声器。 消声器进出口直径和的确定 消声器进、
出口管的直径将直接影响着消声器的扩张比、排气管气流的速度以及消声器存在的功率损失等。内燃机排气管出口或排气道口的直径应大于消声器进
出口直径，否则将因排气背压增高，引起功率损失增加，同时也比较容易产生高速气流，该高速气流会激发再生噪声，这就将会影响到消声器的实际
效果；消声器进、出口管的直径也不能太大，否则会降低扩张比，从而降低了消声器的消声量。 估算消声器进口直径： (3-6)式中：-进口
处排气流量，前面计算得出为；-允许最大气流速度，通常取100。将以上数据代入（3-6）中，可计算得。因为当排气的气流速度超过一定限
值时，气流所产生的再生噪声就会很大程度地减小消声量，通常控制气流速度的原则是：消声器进口管径应略小于出气管直径。所以消声器进、出口
直径定为。3. 消声器直径确定 ⑴扩张比M是消声器的截面积与消声器的进口截面积之比。消声器插入损失越大，那么扩张比所取的值也越大，
参数选择可见下表3-3。从表中选择出扩张比M=7。 表 3-3 扩张比选择车型重型车中型车轻型车、轿车M67910 1215 ⑵由
扩张比的定义可知，根据已确定的消声器进口直径和扩张比M可以求得消声器直径D= (3-7) 消声器容积的计算消声器容积应该在使用条件
允许的情况下，尽可能取大的容积。因为容积越大则下限失效频率就会越低，消声效果明显提高，降低阻力损失，增大对脉动气流的缓冲作用;如果
容积过小就会导致内燃机功率损失增加，进而消声效果下降。但消声器尺寸的大小，要受其安装位置、生产成本等的约束，目前一般是根据发动机排
量的大小来确定其尺寸。估算消声器容积可以使用下述三种公式来计算： ⑴美国Ne1Son公司推荐的经验公式如下来进行估算： (3-8)
式中:-发动机排量(),为8.9；-发动机额定功率转速，为；-发动机冲程数，为4冲程；-发动机气缸数，该发动机为6缸；-常数，根据
不同的消声要求可取56，此处取为6。 将以上数据代入（3-8）中计算可得。 ⑵《柴油机设计手册》中介绍的消声器容积计算公式： (3
-9)式中：K-常数，用于城市及公路货车,K=35000，用于客车及轿车K=50000，故此处K=35000；-内燃机排量，故为8
.9；-内燃机标定转速,故；-内燃机气缸数，则。 将以上数据代入（3-9）计算可得。 ⑶经验公式： (3-10)式中：-经验常数,
根据消声器所要达到的指标而定: A类消声器 消声量≥10dB(A) C=23 B类消声器 消声量≥15dB(A) C=45 C
类消声器 消声量≥20dB(A) C=78 D类消声器 消声量≥25dB(A) C=1013 -气缸修正值，；-气缸数，=6；
-内燃机冲程数修正系数,四冲程=1，二冲程=2，故此处；-消声器对于不同类型发动机的修正系数，非增压柴油，非增压汽油,而上菲红发动
机为柴油增压发动机，增压比为2.5，故；-发动机转速修正系数，（为标定转速），；-内燃机压缩比修正系数,汽油机，柴油机 (为压缩比
)，压缩比为18；-发动机排量()，为8.9L。 将以上数据代入（3-10）计算可得。 一般而言，消声器的容积为发动机排量的46倍
为宜，故采用公式（2）的计算结果。则消声器的容积。5. 消声器截面形状的确定 出于对空间布置以及外观需要等考虑，消声器通常做成多种
形状，往往是椭圆形截面或圆形截面。消声器的截面形状尽量避免扁平状，并尽可能的往圆形靠近。由于重型汽车的底盘离地间隙高，并且尺寸空间
充裕，所以不需要过度考虑空间限制，为了提高消声器的性能就可以把消声器的截面设计为圆形截面。6. 消声器的长度计算 由公式和可得消声
器的长度公式： （3-11）式中：，。将数据代入（3-11）计算可得。7. 消声器腔数的确定从理论上讲，消声器的腔数越多，那么最大
衰减量即消声量越大，高频的消声效果较好，但是低频消声效果差。腔数越多，制造所消耗的材料和加工的时间就会越多，成本也相应的增加。因此
消声器的腔数要根据消声特性和消声量来选取。我们通常可以根据消声量按下表3-4来确定消声器腔数。 表3-4消声器选型A类消声器消声量
n=23B类消声器消声量n=34C类消声器消声量n4 先前选定的扩张比=7，则消声量，因此这里选用A类消声器，腔数为3。8. 各
腔长度计算 如前所述，消声器的容积和腔数已经确定,如何分配各腔的长度,尤其是第一腔长度的确定十分重要,其承担了消声和缓冲脉动气流的
任务。一般而言第一腔的容积不应小于内燃机排量的1～3倍。 当内燃机标定转速≤3000 rpm时,第一腔长度主要应考虑消除内燃机燃烧
过程和进、排气门开闭时所产生的冲击噪声,其基频及其谐波： （3-12）式中：N-内燃机主轴转速，故；-气缸数，故；k-谐波序数；
-冲程系数，对于二冲程，四冲程，故。 当内燃机标定功率>3000 rpm,这时第一腔长度主要应考虑中低频成分中最突出的噪声频率。即
对发动机直管噪声的分析，根据直管排气噪声频谱合理选择第一腔对应的中心频率。本次设计使用的发动机转速为2100 rpm，故主要考虑消
除内燃机燃烧过程和进、排气门开闭时产生的冲击噪声，则应该取其峰值频率波长的，则。又因为（为膨胀腔内的声速），（为膨胀腔内的温度，单
位为K），则 （3-13）式中：；。将数据代入（3-13）计算可得。已知消声器总长，为了实现消除低、中、高频噪声的全频消声，第一腔
长度确定之后，第二腔长度=，第三腔长度。则 （3-14），取,取 确定消声器各尺寸参数后，还需根据公式（3-15）和（3-16）确
定消声器消声频率的的上下限。 （3-15） （3-16）式中：为扩张腔内声速(）；为扩张室截面特征尺寸()；为消声器共振频率；为扩
张腔的横截面，为消声器各腔的长度，为消声器各腔对应的容积。所以 9. 消声器内部各腔连接方法的确定如前所述，已经确定下来了消声器内
部的各腔的长度，对于腔与腔之间的连接方式可以采用管子或者在隔板上开小孔连通。只要流通的面积一定，本质上没有太大的区别。当采用插入管
连接时，若其长度为L/2则可以消除偶数倍通过频率，若插入管长度为L/4则可以消除奇数倍通过频率，因此采用插入管连接时，其插入管长度
可以用L/2和L/4相互匹配，实际应用时，插入管长度可比理论计算长度减少(0.3～0.4)d（其中，d为插入管内径）。经过已有的试
验证明，中心对正插入管性能稍差一些，插入深度越大，阻力系数便会越大，性能下降的也就越多。随着两插入管的接近，高速脉动气流越不能在消
声器中得到充分膨胀，排出的气体仍会以脉动形式排出，进出口处排气所产生的涡流更强，因而会在某些频率形成再生噪声。所以最好是采用错开式
的内插管，它既能降低简单膨胀腔的通过频率，又可以使气流在膨胀腔内部能得到充分膨胀，因此消声性能较好。消声器的常用类型在本文的第一章
已经进行简要的阐述，根据消声的原理不同消声器大致分为抗性和阻性两种形式。然而在实际的使用中常将抗性消声器和阻性消声器结合起来，从而
达到对高、中、低频都能有良好的消声效果。此次所设计的排气系统用于重型汽车，而来自重型汽车发动机的噪声多为中、低频，因此消声器主要以
抗性消声器为主。 消声器内部结构设计思路如下： （1）首先确定整体布局，如图3-2所示。此消声器主要是以抗性消声器为主，图中先确定
了插入管的连接形式，消声器内部结构主要是由三个腔构成的，第一腔以及第二腔为共振腔，第三腔是膨胀腔。 （2）为了能够更好地消除高频噪
声，所以在第一腔的壁面上嵌套一层吸声材料，采用玻璃纤维。如图3-3所示。图3-2 初步设计 图3-3 设计完善10.穿孔管、穿孔板
的穿孔率及孔径的确定穿孔管上的穿孔程度是根据穿孔的总面积与穿孔段管的表面积之比，即穿孔率来表示的。一般穿孔管的穿孔率不能够大于30
%，当穿孔率大于30%的时候就容易失去共振作用。故穿孔声学元件小孔的孔径取为，穿孔率取为。3.5 排气管尾管设计基频波长为 （3-
17） 为膨胀腔内的声速，故 为基频， （3-18） 则。 理论上，排气管长度选用基频波长1/4的奇数倍为宜。因为尾管的长度并非越
长越好。经有关试验结果证明，当尾管在某段长度时，消声器的消声量就会增加，但若继续增加其长度而达到某一数值后,排气噪声反而会增大，继
续超过此长度又能增加消声器的消声效果。为了得到排气消声器排气尾管的最佳长度，使用台架试验确定为宜。则理论尾管长度取。3.6 副消声
器设计副消声器主要是采用了膨胀腔的结构，预先进行噪声损耗。此次排气系统为重型汽车排气系统设计，其主消声器能够达到足够的消声效果，因
此不用设置副消声器。3.7 波纹管的选取此次排气系统管道的补偿器采用的是金属波纹管。其结构形式比较多，适应性强，专门用于对有毒气体
的管道系统的补偿。可吸收横向位移、轴向位移、角向位移以及这些位移的组合。金属波纹管的补偿能力较强，安全性高，因此可适用于重型汽车的
恶劣工况，而且设计费用较省，故使用金属波纹管。波纹管的波纹形结构分为“U”型，“”型，“C”型，“S”型等，不同的波形有不同的特点
。“U”型波纹管是目前使用最广泛的一种波形，其优点是在同等壁厚条件下承压能力较高，补偿能力较大。应力分布均匀，疲劳寿命较高，综合性
能好。“”形截面能耐高压，但补偿能力低，刚度值低，适用于压力高、位移量小、挠曲小的场合使用，而且制造工艺较为复杂。“C”形波纹管承
压能力较高，补偿能力低，刚度值高，制造工艺简单。一般情况下不采用。“S”形波纹管其特点是承压能力较高，但补偿能力略低。刚度值略低于
“U”形。综上所说，加之重型车的工作环境多变，路况较差，需要采用寿命较长，性能可靠的波纹管，故采用“U”型波纹管。金属波纹管的内径
根据排气管内径而选取，故此处内径定位。具体结构参数详见零件图。3.8 排气系统布置通常催化器装置距离排气歧管越近越好，但是为了能够
提高三元催化器的净化性能，特将其与发动机靠近连接，这样可以利用从发动机直接排出的气体高温来提高三元催化器的反应效率，最大程度上提高
了废气净化率。同时，在使用一般还原剂和氧化剂的情况下，也降低了催化器的贵金属配置，进而降低了三元催化器选用的经济成本。从三元催化器
开始，第二个装置元件为金属波纹管。由于柔性节尽量安置在排气管运动较小的位置，这样利于减少波纹管的变形，有利于延长其寿命，同时也应该
靠近发动机，因为越靠近发动机，其运动就越小，安装于发动机排气岐管和消声器之间的波纹管，使整个排气系统呈现挠性联接，从而起到了减振降
噪、方便安装和延长排气消声系统寿命的作用。与波纹管相连的即为副消声器，其次为主消声器、排气管尾管。具体结构如图3-4。该图详细介绍
了排气系统的所有组成构件以及安装、定位的方式和方位。3.9 排气系统的固定、安装和连接 消声器的固定方法采用卡箍式双副固定，采用吊
架装置安装。排气系统的主支撑悬挂副的位置设置在消声器体两端，这样便可以获得最佳支撑。而在排气系统其它质量较大的部件位置也要设置悬架
装置支撑，排气系统支撑悬挂件的结构方式，一般采用在车架或排气管上固定伸出连接吊钩或吊板等金属件。而对于排气管则使用半圆形卡环固定。
主消声器通过卡环和吊架相连，而吊架由底盘之间通过支架相连，吊架和支架之间有两个橡胶垫，这样可以对汽车底盘起到减震的效果。排气系统的
中部也由吊架结构固定，通过两个半圆形卡环和排气管连接，同时卡环顶部与吊杆相连，吊杆顶部开有一段距离的螺纹，用来与固定在大梁上的支架
连接，此处连接为挠性连接，可提高排气系的整体韧性。排气系的进气管处通过支撑架和汽车底盘的横梁相连，其主要承担管路横向的分力。关于卡
箍、半圆形卡环、吊架的具体尺寸详见零件图。 主、副消声器、三元催化器、波纹管、法兰均采用焊接的形式和排气管相连接，焊接类型为坡口焊
，焊丝材料采用308Lsi，而各段排气管之间则采用法兰连接，法兰之间必须有密封圈。这样在安装排气系统的时候即可将其拆分开来逐一连接
，节省空间，便于装件的运输和存储，也为日后维修和养护提供了便利。 第4章 排气系统选材4.1 排气管排气系统零件要做到可经受1000℃的高温要求以及高温脉动气流的冲击，并且能够保证排气系的可靠性达到10万公里或者三年的要求。原先的排气管以铸铁较为多见，而现今排气管多使用SUH403、SUH409等不锈钢的材料，这样既可以保证排气系统的外观美观，而且通气性好，重量轻，便于安装。但考虑到经济成本的因素，且重型货车对于外观的要求不高，所以使用镀铝钢板即可。镀铝钢板具有良好的抗高温氧化性，可在450℃下长期使用而不变色，最高使用温度可达750℃。还具有优异的耐大气腐蚀性，特别是能耐含，，等工业大气的腐蚀，是镀锌钢板耐蚀性的3～6倍。排气管的壁厚应该大于，故此设计中排气管壁厚设置为。4.2 消声器 为了保证消声器的良好性能以及可观的使用寿命，故内部消声器使用SUH409不锈钢材料。其机械性能为：抗拉强度屈服强度伸长率 而消声器筒体外层采用镀铝板SAID-80材料。消声器的端盖使用铸铁即可。4.3 金属波纹管 金属波纹的性能主要取决于制造波纹管的材料的质量和波纹管成型后的几何参数，波纹管的性能能否满足设计要求很大程度上取决于这些材料的制造质量。金属波纹管的工作温度范围为-250℃600℃，高温下要有足够的热稳定性。制造波纹管的材料主要有不锈钢、锡青铜和铍青铜等。锡青铜常用于仪表，铍青铜用于较高的要求，成本较高，而奥氏体不锈钢多用于隔离介质或者密封件，成本不是太高，故此处设计采用不锈钢。4.4 三元催化器 三元催化器类似于消声器，其外面用双层不锈薄钢板制成筒形，在双层薄板夹层中装有绝热材料，即石棉纤维毡。三元催化器的载体部件是一块多孔陶瓷资料，安装在特制的排气管当中，为使用陶瓷材料的隔板，作为净化剂的载体，并不参与氧化还原反应，净化剂使用的材料为金属箔、铑、钯，将其喷涂在载体上即构成了催化剂。三元催化剂的最低反应温度要在250℃，温度过低时转化率急剧下降，而催化剂的活性温度是400℃到800℃左右，过高也快加剧催化剂的老化。4.5 排气歧管 发动机燃烧后排出的温度通常在600℃到800℃，排气歧管的工作温度较高，而且结构复杂，加之循环交变温度状态下工作，要求材料不仅有耐高温性能，还要具备良好的铸造性能，常用于制造排气歧管的材料有灰铸铁、球墨铸铁。第1章 标题 前言IV3110 |
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