排氣系統的案例
案例|天納克Tenneco Inc排氣系統主動降噪技術
概述
汽車排氣系統對于車型在市場上取得成功起著越來越關鍵的作用。最重要的是，車輛所發出的聲音對品牌形象影響越來越大。例如，汽車發燒友即使閉著眼睛也能分辨出駛來的是賓利還是法拉利。較低價格車輛的買主有可能不會過分講究，但他們仍希望在啟動引擎時能夠聽到某種獨特的聲音。與此同時，政府規定也在迫使汽車原始設備制造商（OEM）降低排氣管所發出的噪聲級。汽車制造商還希望降低排氣系統的背壓，從而改善燃料經濟性。
傳統的被動排氣降噪技術依賴穿孔管以及聲學腔室的設計來濾除聲波，然而這種方法已經逐漸難以滿足設計中一些往往相互沖突的目標。汽車OEM正著眼于采用主動降噪技術來解決排氣系統噪聲問題。排氣噪聲主動降噪系統采用由微處理器驅動的揚聲器，使其發出的聲波可抵消發動機所發出的一部分噪聲，從而產生較為令人滿意的聲響。排氣噪聲主動降噪系統的關鍵優勢在于可通過軟件控制來調整揚聲器的輸出，從而在各種不同工作條件下發出適當的聲波。
挑戰
Tenneco 公司目前致力于為其 OEM 客戶開發既能消除噪聲又能生成完美聲響的主動排氣系統。在這一項目中，Tenneco 的工程師們所面臨的眾多挑戰之一就是設計用來安裝揚聲器的外殼。外殼會影響揚聲器的性能，特別是可能將揚聲器最有效的工作頻率范圍抬高。Tenneco 的工程師們正在設計一種外殼，以便盡量減輕這種影響，從而使揚聲器在低頻區極為高效地工作，以抵消發動機所發出的低頻聲響，同時又不會消耗過多的電功率。
在過去，設計主動揚聲器系統的工程師主要依靠實物試驗來設計揚聲器外殼等零部件。但這種方法需要組裝各種待測排氣系統配置的樣機。這不僅耗費了大量的時間、金錢，而且由于對排氣系統進行儀表檢測存在困難，因此實物試驗所采集到的信息也有限。
展開 排氣系統用不銹鋼
為了適應資源節約、環境友好的國際化趨勢，對發動機排氣系統典型零部件提出了更高的要求。熱端零件重點
要求高溫性能
，如高溫氧化、腐蝕、疲勞性能，冷端零件主要
要求耐尾氣冷凝液腐蝕性能。
自20世紀70年代后期，汽車排放法規日益嚴格，為改善催化效率，降低排放，不斷地提高發動機排氣溫度，排氣歧管工作溫度由750～800℃提高到900～950℃，甚至更高。為提高燃油經濟性，也需減輕車重。排氣岐管及緊固件由普碳鋼轉換為不銹鋼，消聲器廢氣溫度提高，加重了腐蝕程度，也必須采用不銹鋼。
排氣系統應用不銹鋼的種類。根據零部件工作條件，選擇鋼種。奧氏體不銹鋼304為經典
傳統鋼。鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，生產成本低、線膨脹系數小，導熱系數大。
近年來，汽車排氣系統用不銹鋼中，80%已是鐵素體不銹鋼，見表1所示：
表1 排氣系統應用不銹鋼種
零部件
鐵素體型
奧氏體型
排氣岐管 441 304，308
前管 409，441 304，321
催化凈化器 409，441 304，308Si
中管 409，430Ti 304
消音器 409，430Ti，434，436 304
尾管 409，430Ti 304
鐵素體不銹鋼比奧氏體不銹鋼有更優良的高溫性能，價格也便宜。
日本轎車排氣系統用不銹鋼，由于排氣溫度的提高，排氣岐管用不銹鋼由SUH409L制成。
美國汽車制造業排氣系統應用不銹鋼為T409,T439,AL409,436S等。
由于排氣系統服役條件更加惡劣，排氣溫度升高至950～1000℃，排氣岐管用不銹鋼由SUH409L(低等級)、SUS430JIL（高等級）進展到高性能材料SUS444。消聲器系統溫度可達到300℃，用材也有類似的變化。由于市場競爭日益激烈，低成本材料成為新的開發動向。
展開 模擬技術對壓鑄完整排氣系統的驗證
因此，如論是從模擬精度還是計算效率上，NOVACAST為實現又細又長的排氣孔模擬驗證工作提供可靠的仿真工具
對于鑄件和排氣孔模擬問題，需要以下詳細的信息：
哪些模具需要添加排氣系統；
排氣孔的位置
排氣孔的尺寸
排氣孔位置的冷卻
冷鐵的材料
帶冷鐵塊的排氣系統深入研究后得到的模擬結果如下：
冷鐵塊的冷卻影響
金屬液流入排氣孔和空氣排出
幾何背壓
氣體背壓
通過薄壁截面時的金屬液填充和流動
活塞在充填結束時由于填充面積減少而減速
案例一：
某鋁合金高壓鑄件澆鑄系統如上圖所示，需要驗證其排氣系統設計。模擬設置及工藝參數如下：
l 網格數量：120萬
l 鑄件材料：EN AC 46000（澆鑄溫度680℃）
l 模具材料：奧瓦兒（瑞典）產模具鋼（預熱溫度220℃）
l 冷鐵：鈹銅（初始溫度100℃）
l 壓射速率：第一階段=0.4米每秒；第二階段=2.5米每秒
l 計算時間：完整的金屬液充填流動和熱平衡過程共花費40分鐘
l 計算機：四核8G內存臺式機
l 軟件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本為6.3r3）
模擬結果如下圖所示金屬液充填過程的速率場，為了方便研究壓鑄模具結構的排氣系統，主要觀察金屬液充滿型腔的后半段。可以清楚的看到金屬最后充滿排氣槽，以及充滿型腔時金屬液的流動速率，由于幾何背壓導致的部分位置流動速率發生變化，排氣系統設計合理。
展開 NOVACAST模擬技術對壓鑄完整排氣系統的驗證
因此，如論是從模擬精度還是計算效率上，NOVACAST為實現又細又長的排氣孔模擬驗證工作提供可靠的仿真工具。
對于鑄件和排氣孔模擬問題，需要以下詳細的信息：
哪些模具需要添加排氣系統；
排氣孔的位置
排氣孔的尺寸
排氣孔位置的冷卻
冷鐵的材料
帶冷鐵塊的排氣系統深入研究后得到的模擬結果如下：
冷鐵塊的冷卻影響
金屬液流入排氣孔和空氣排出
幾何背壓
氣體背壓
通過薄壁截面時的金屬液填充和流動
活塞在充填結束時由于填充面積減少而減速
案例一：
某鋁合金高壓鑄件澆鑄系統如上圖所示，需要驗證其排氣系統設計。模擬設置及工藝參數如下：
網格數量：120萬
鑄件材料：EN AC 46000（澆鑄溫度680℃）
模具材料：奧瓦兒（瑞典）產模具鋼（預熱溫度220℃）
冷鐵：鈹銅（初始溫度100℃）
壓射速率：第一階段=0.4米每秒；第二階段=2.5米每秒
計算時間：完整的金屬液充填流動和熱平衡過程共花費40分鐘
計算機：四核8G內存臺式機
軟件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本為6.3r3）
模擬結果如下圖所示金屬液充填過程的速率場，為了方便研究壓鑄模具結構的排氣系統，主要觀察金屬液充滿型腔的后半段?？梢郧宄目吹浇饘僮詈蟪錆M排氣槽，以及充滿型腔時金屬液的流動速率，由于幾何背壓導致的部分位置流動速率發生變化，排氣系統設計合理。
展開 
改進車輛進排氣系統降低整車車外加速噪聲
改進車輛進排氣系統降低整車車外加速噪聲<BR><Font color=#FF0000><B>.PS.:</B>該帖附件于2006-09-17 21:31:39被starliu評為3星級，為發貼者加分60。</Font><BR><Font color=#FF0000><B>點評:</B></Font>
改進車輛進排氣系統降低整車車外加速噪聲.pdf
GT-POWER與modeFRONTIER使用案例——汽車排氣系統開發
圖二xiao音器內部結構優化
第三部分 使用GT-POWER進行排氣阻力分析
排氣管路長度及形狀對輸出的影響，不僅包括對背壓及排氣口噪聲的影響，對充氣效率的影響也很受關注。
除了通過降低背壓來提高扭矩，也可以通過改變xiao音器在排氣系統中位置，以及排氣管路的長度及形狀來使扭矩提高。
因此，在開發初期，進行包括發動機輸出、排氣口噪聲及背壓的優化，獲得最優的方案。
圖三 發動機輸出及排氣阻力
第四部分 使用STAR-CCM+以及DEP Morpher進行催化器流速分布分析
考察排氣管路末端到催化器前的氣體狀態，在催化器內部，發動機排氣與涂覆的貴金屬催化劑發生化學反應使排氣被凈化，催化器內氣體流速的均勻分布有利于提高轉化效率。進行穩態分析，確認催化器截面的流速分布滿足我們的標準。由于排氣會集中在催化器的端部，這部分區域內的催化劑會受到侵蝕。在考察排氣管形狀方面，使用DEP Morpher的變形技術對模型形狀進行變更，實現高效的仿真計算。本例中，計算一個case花費4~8個小時左右。
最近研究在發動機附近配置催化器，即排氣歧管部分到催化器的距離縮短，這也導致催化器前的氣體難以實現均勻分布。
圖四 催化器的流速分布分析
第五部分 使用GT-POWER與STAR-CCM+進行氧濃度分布分析
在各個管路的集合部分放置氧傳感器，氧氣濃度反饋回發動機控制單元。為了準確測量氧氣濃度，各排氣管路上均要布置傳感器。
展開 『轉貼』改進車輛進排氣系統降低整車車外加速噪聲
改進車輛進排氣系統降低整車車外加速噪聲
進排氣NVH測試培訓【瑞典皇家理工學院(KTH)專家奉獻】
Objectives/目標：
§ Understand the underlying principles of intake/exhaust systems and mufflers
§ 理解進排氣系統/消聲器設計的基本原則
§ Gain insight into the design concepts and new trends of intake/exhaust systems and mufflers
§ 獲得進排氣系統/消聲器設計聲學設計的理念及趨勢
§ Understand experimental methods for the performance measuring of intake/exhaust systems and mufflers during design process
§ 理解進排氣系統/消聲器設計過程中的聲學性能測試方法
§ Understand simulation method for intake/exhaust systems and mufflers design
§ 理解進排氣系統/消聲器設計的聲學仿真方法
§ Understand simulation method for flow analysis and pressure drop calculation of intake/exhaust systems and mufflers
§ 理解進排氣系統/消聲器設計的流動分析及背壓計算方法
§ Understand application of optimization& parameterization method during intake/exhaust systems and mufflers design
§ 理解優化及參數化方法在進排氣系統
展開 進排氣NVH設計培訓【瑞典皇家理工學院(KTH)專家奉獻】
Objectives/目標：
§ Understand the underlying principles of intake/exhaust systems and mufflers
§ 理解進排氣系統/消聲器設計的基本原則
§ Gain insight into the design concepts and new trends of intake/exhaust systems and mufflers
§ 獲得進排氣系統/消聲器設計聲學設計的理念及趨勢
§ Understand experimental methods for the performance measuring of intake/exhaust systems and mufflers during design process
§ 理解進排氣系統/消聲器設計過程中的聲學性能測試方法
§ Understand simulation method for intake/exhaust systems and mufflers design
§ 理解進排氣系統/消聲器設計的聲學仿真方法
§ Understand simulation method for flow analysis and pressure drop calculation of intake/exhaust systems and mufflers
§ 理解進排氣系統/消聲器設計的流動分析及背壓計算方法
§ Understand application of optimization& parameterization method during intake/exhaust systems and mufflers design
§ 理解優化及參數化方法在進排氣系統
展開 Siemens PLM Software進排氣聲學仿真解決方案網絡研討會
LMS Virtual Lab在進排氣領域的總體解決方案
基于管路聲模態的消聲器傳遞損失計算方法
進氣系統主要解決方案
排氣系統主要解決方案
3. 典型應用案例介紹
快速創建進排氣系統聲學網格；
考慮溫度效應的汽車排氣系統傳遞損失計算
汽車排氣系統殼體輻射噪聲計算
點擊下面的鏈接進行在線注冊，免費參加本次研討會。注冊成功后，您會收到確認郵件，屆時請通過郵件內容提示，在線參加本次會議。
https://siemensplm-cn.webex.com/siemensplm-cn/onstage/g.php?MTID=e08b721e8c6639accbaa7dd1819ee263f
聯系人：
陳小娜女士，E-mail：xiaona.chen@siemens.com ;電話：010-8529 2931
展開 【綜述】鈦及鈦合金在汽車輕量化研發領域的前景及實際應用
6、排氣系統及消聲器
鈦在汽車的排氣系統中使用量較大。用鈦及其合金制造的排氣系統，不僅可以提高可靠性、延長壽命和改善外觀，還可以減少質量及提高燃料燃燒效率。鈦制排氣系統與鋼制排氣系統相比，質量可減少約40%。在Go1f系列汽車中，鈦制排氣系統質量可減少7～9kg，目前排氣系統使用的鈦材主要為工業純鈦。
鈦制消聲器質量只有5～6kg，比不銹鋼等消聲器輕。2000款雪佛萊CorvetteZ06汽車上用一個11.8kg的鈦消聲器和尾氣管系統代替原來20kg的不銹鋼系統，質量減輕了41%。替代后的系統強度不變，并使汽車速度更快、操作更靈活及節約燃料。消聲器使用的鈦材同樣主要是工業純鈦。
7、車體框架部分
為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設計和制造方面，尤其是制造材料方面進行考慮。鈦是一種用來制造車體框架很好的材料，其不僅比強度較高，還具有良好的韌性。在日本，汽車生產廠商選擇純鈦金屬焊接管制作車身框架，這種框架能夠使得駕車者在駕駛時具有足夠的安全感。
8、其他鈦合金部件
除了以上幾種部件，鈦還應用于發動機搖臂、懸掛彈簧、發動機活塞銷、車用緊固件、掛耳螺帽、汽車門突入梁、汽車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、壓力板、變速按鈕及汽車離合器圓板等汽車零件。
文章來源：汽車新材料部落
免責聲明：本文系網絡轉載，版權歸作者所有。
展開 
MSC幫助節省研發排氣伸縮接頭的時間
在眾多應用設計中，汽車OEM提供了完整排氣系統的設計，美國BOA使波紋管的性能最優化，并減弱了發動機運動對排氣系統造成的振動。
OEM還提供了臨界發動機頻率。目的在于優化波紋管，提供足夠的剛性來延長使用壽命，同時具備足夠的柔性將發動機和排氣系統之間的耦合降到最短，以便獲得優良的NVH性能。確保波紋管自身沒有任何可能被發動機激勵的自然頻率也非常重要。
過去，美國BOA工程師基于美國膨脹節制造商協會（EJMA）公式的研發原始設計。“使用3D幾何和6DOF載荷，FEA提高了設計精確度和耐久性預期，”美國BOA產品研發工程師Srinivas Gade說，“為此我們通常創建物理模型并執行一系列物理試驗。這涉及到建造特殊加氫重整工具，并且經常購買材料。由于成本高和所需時間長，我們通常必須確認滿足客戶要求的首次設計，而不是探索最優設計?！?轉型到基于模擬設計
美國BOA決定使用MSC Nastran軟件轉型到以模擬為基礎的設計流程?！癕SC Nastran是最容易使用的、功能強大的非線性求解器，”Gade說。采納MSC軟件工具后，美國BOA開發了新的設計流程，新流程使用軟件原型取代硬件原型來提高產品性能，同時節省了時間和經費。
通常，流程起始于客戶提供的定義排氣系統幾何、發動機轉動信息的CAD文件以及定義了發動機運動的時間歷史數據。發動機隔離器的剛度也經常是由客戶提供的數值?？蛻暨€提供發動機臨界頻率以便BOA檢查共振狀態。
美國BOA正在逐步將SimXpert作為他們的建模工具?！癝imXpert最大的優勢是提供了一個圖形界面的自動化流程開發環境，而無需寫任何代碼，”Gade說，“我們溝通了端-對-端設計流程。
展開 有限元分析有助于節省研發排氣伸縮接頭的時間
美國BOA專門設計和生產用于汽車和工業應用的薄壁彈性金屬部件和系統。為滿足汽車原始設備制造商（OEMs）的要求，公司經常創造新設計。設置彈性接頭的阻尼特征和剛度，以使車輛的噪音、振動和聲振粗糙度（NVH）特性最優化。過去，美國BOA使用工程公式研發設計草案，然后在6自由度（DOF）內構建物理模型并測試模型的特性和耐久性，然后再調整設計，這需要花費大約五周時間。公司已經使用了新方法，他們在新方法中使用MSC SimXpert軟件。公司使用MSC SimXpert軟件來構建原始理念設計，使用MSC Nastran來模擬波紋管設計的能力，以減弱發動機運動對其他排氣系統產生的振動。然后對波紋管執行更詳細的非線性分析，來量化它的載荷和耐久性并確定其共振頻率。新方法減少了50%的設計和研發時間，使所需時間降至2-3周，同時大大降低了原型設計和實物驗證6DOF模型的成本。
草擬設計挑戰
BOA倡導多層波紋管設計，這種設計可吸收發動機及壓縮器管道系統的熱膨脹和振動。
多層波紋管是多層薄不銹鋼鋪層構成的薄壁真空管。這種管狀體經過加氫重整工藝后形成波紋，具有精密公差。薄鋼材質的使用以及每一單位長度具有的大量波紋降低了作用在管壁上的偏向力，增加了波紋管的彈性。
根據工作壓力，作用在制動器和發動機上的端面力可能會很大。多層波紋管良好的波紋外形和低彈簧力能夠降低端面力從而提高了發動機和渦輪增壓器效率。薄鋼多層波紋外形設計是為了減小壓力，使偏向力降低到最小。較小的壓力會延長疲勞壽命。
美國BOA創造了滿足特殊汽車應用軟件要求的自定機械波紋管設計。在眾多應用設計中，汽車OEM提供了完整排氣系統的設計，美國BOA使波紋管的性能最優化，并減弱了發動機運動對排氣系統造成的振動。
展開 排氣系統的聲學分析
此外，模型中包含發動機，可以使用外部麥克風計算排氣口的輻射噪聲。
關于機器人焊裝系統，這里有5大優化建議
圖5 夾具主氣管及線纜安裝示意
三、汽車排氣系統機器人焊裝夾具氣路的特點
（1）夾具安裝在變位機上，需要考慮主線的出線位置。氣管及線纜從旋轉軸電機的對側安裝，如圖5所示。
圖6 一種帶快換單元的汽車排氣系統焊裝夾具
（2）氣路設計時應考慮控制閥的安裝位置。排氣系統焊裝夾具焊接時一般要求夾具可以繞回轉軸做360°回轉運動，因此必須考慮安裝閥的機箱或者閥島是否會超出變位機的回轉半徑。
圖7 夾具氣管快換航插
（3）考慮快換功能。由于排氣系統通常長度較長，為了滿足柔性化生產的需要，汽車廠一般需要將排氣夾具分隔成若干個單元，單獨換型，因此設計排氣系統夾具氣路時必須考慮快換功能，如圖6所示。夾具在快換單元設置了氣管的快換航插，如圖7所示，可以實現氣路的快速更換。
四、焊裝夾具氣路設計優化建議
4.1 考慮管線分布與機器人軌跡的空間關系
機器人焊槍與從夾具底梁下方通過，如圖8所示，如果管線分布不合理將會影響焊接。
圖8 管線分布與機器人焊槍位置示意
優化建議：在夾具設計階段對夾具和機器人進行運動協調仿真，在不影響焊接的情況下，盡量合理分布氣動元件及管線，當采用硬管如銅管時應在氣路上標明管線的走向，避讓焊槍。
展開 