优秀毕设汽车发动机排气及其隔振系统的设计.docx
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优秀毕设汽车发动机排气及其隔振系统的设计
机械工程学院
毕业设计（论文）开题报告
毕业设计题目：
汽车发动机排气及其隔振系统的设计
学生姓名：
周鹏
指导教师姓名：
王晓佳
专业：
车辆工程
2013年3月31日
1.课题名称：
汽车发动机排气及其隔振系统的设计
2.课题研究背景：
“能源与环境”是汽车工业在21世纪发展所面临的两大课题，随着汽车工业迅速发展，
汽车噪声和排气污染日益严重，而发动机排气系统中振动和噪音是影响汽车行驶舒适性的主
要因素[1]，所以如今我们排气系统的设计上，更加注重于减振的设计。
对于现代汽车设
计，尤其在排气系统的设计上，减少或克制振动与噪声污染已是刻不容缓。
近年来，我国汽车迅速发展，早已成为一个汽车大国，但却不是汽车强国，因为高端市
场也就是利润空间最大的市场基本由国外著名厂商占据，国内年轻的汽车厂商则只能占用利
润空间相对较薄且市场份额较小的低端市场。
其主要原因在于核心技术的掌握，由于国内汽
车技术相对国外有较大差距，国内对汽车研究主要采用模仿设计，在试验中就会发现很多的
问题，如排气歧管表面温度偏高、排气歧管罩和增压机隔热罩形状不够理想等，甚至出现了
排气歧管开裂的问题。
针对这些问题，企业及研究组调研讨论得到结论：
在设计过程中，只
注重排气系统的形状模仿和材料运用，而缺乏对排气系统热应力、动态特性的计算，致使在
产品开发时不能提供有效的结构数据指导，也不能在改进设计中找到问题产生的根本原因。
2.1发动机排气系统的发展史
汽车最早的排气系统不过是一个让燃烧气体排入大气的孔眼而己,后来为了把随着排气
喷出的火焰引向地面,才安装了一根引导排气的管子。
那时,发动机没有排气消声装置,排气
的噪声震耳欲聋,常使骡马受到惊吓,因此排气噪声被认为是一种严重的公害,许多地方的当
局公开宣布,不用马的运输工具不受法律的保护。
发动机的排气消声器起源于海勒姆·马克
西姆的取得专利的手枪消声器。
由于环保法规对车辆排污的标准相当严苛，不论怠速、加速、低速行驶、高速行驶或减
速，都必须符合排污标准，车辆在面对这么严苛的限制下，除了在性能与排污中取得平衡点
外，唯一的方法就是安装催化转换器了。
催化转换器通常以贵重金属为原料，有氧化型催化
剂、还原型催化剂及目前绝大多数车辆采用的三元催化转换器。
早期的催化转换器多设置于
排气管中段的位置，而近来多装在紧接排气歧管之后，好使催化剂加快达到工作温度。
图2-1排气系统组成图
2.2国外研究概况
世界各汽车大国早在20世纪60年代就开始着力关注汽车排放。
日本从1971年、欧盟
从1969年、美国从1967年就开始控制机动车噪声，制定噪声法规。
国外对汽车噪声的控制起步较早，其中消声器理论的研究最早始于20世纪的20年代，是美国的Stewart首先提出
研究抗性的声滤清器理论。
其后噪声的控制技术和消声器（如图2-2）设计得到迅速的发展，其中由日本福田基一教授的专著《噪声控制与消声设计》的出版作为机动车噪声控制研究的一个里程碑，总结和发展了以前的消声器理论，奠定了消声器的理论研究的经典基础。
图2-2消声器结构简图
在70年代，国外就采用了有限元对消声器进行研究分析，80年代就实现了三维有限元
分析：
完成了对一简单扩张腔式消声器、内插管、锥形消声器、偏置式消声器以及回流式消
声器传递损失的计算，证明了三维有限元对于结构复杂的消声器是一种有效的分析方法，而
一维理论是不适合的；另外国外采用边界元法可有效地确定其四级参数，并将非平均流动对
声传播的影响考虑在内。
与此同时，计算机迎来了一个高速发展阶段，相应的应用到汽车上
的技术也有了空前的发展，计算流体力学的计算方法和数值分析就用在了计算排气系统的流
场上包括对排气系统外部环境模拟、排气系统形状模拟、排气系统温度场及热应力场的计算
分析。
振动辐射声数值方法的发展也是随着有限元方法的问世迅速的发展，D.C.Hodgson等编
制了声辐射计算的边界元方法软件，对落锤的低噪声设计进行了成功的研究；A.R.Mohanty
等运用有限元和边界方法分析了微型卡车驾驶室内声场的自然频率、模态振型。
近来，计算流体力学（GFD）在发动机领域的应用越来越广，并逐渐形成一个独立的发
展分支，其中主要内容之一就是对发动机中的气体流动进行综合数值模拟，现在CFD在消声
器内的应用也渐渐多起来。
如今，随着现代数字信号处理技术的发展以及电子控制装置的性
能成本的提高，国际上又提出了有源消声器的概念。
在材料的选择上，国外的研究也有一段历史。
美国在上世纪60年代就开始将铁铬钛不
锈钢用于排气系统的制造，日本则在上世纪70年代通过重新制定排气标准，促使三元催化
转换器在汽车排气系统中安装使用，使得铁铬钛不锈钢在排气系统中得到应用，并在1989
年再次修改，加快了不锈钢材料在排气系统中的应用进程。
到了上世纪80年代，由于对汽
车轻量化的要求，日本将抗氧化和抗热疲劳性能优良的11Cr-0.2Ti和19Cr-0.4Cu-0.3Ni
铁素体不锈钢用于排气歧管的制造，板厚达到2.0mm。
到上世纪90年代，美国通过研究，
在铁素体不锈钢中添加Nb和Mo，增强了不锈钢的耐氧化性，被广泛用于排气系统。
在排气系统建模研究上，Ling等建立了排气系统的一维简化模型，通过梁单元简化建
模，同时提出以吊耳最小传递载荷为评价指标，来对吊耳的动刚度进行优化选择；Fang等
人运用NASTRAN软件中的壳单元模拟排气管，完成了排气系统非线性模型，取得了较准确的
计算结果[15]。
Pang等人对排气系统的结构动力分析、传递函数及敏感度分析做了总结
归纳[16]；SanjayS.Patil，V.V.Katkard等采用了一种新的方法对排气系统进行动力分
析[17]，并在试验数据处理，动载荷的选择和温度变动引起的装配载荷等方面做了阐述，
总结其对排气系统振动的影响，并通过CAE动态响应分析，进一步研究其对排气系统性能的
影响，通过分析提出结构修改方案。
KendraEads等对排气系统橡胶吊挂的简化进行了研究，
对排气系统的动态特性研究有着指导意义。
J.Galindo等进行了用于改善高速涡轮增压柴
油机瞬态性能的排气管的设计[4.14]，最后提出一种合成排气管的优化设计，并模拟显示潜
在的存在一种不仅在发动机低速时改善发动机瞬态性能，而且具有保持催化剂入口的气体温
度和稳定的转矩的能力。
2.2国内研究概况
我国政府从1979年开始控制机动车噪声，并制定相关的标准（GB1495-79、1496-79），
之后定期修订噪声标准，使得噪声控制的要求变得越来越突出。
发动机排气系统主要有单排
气系统和双排气系统两种形式。
单排气系统主要用于直列型发动机，而双排气系统用于V
型发动机。
排气歧管的传统制造材料为铸铁，它具有生产工艺简单，成本低等特点。
近年来，
随着各种合金材料的开发，不锈钢和各种铝合金材料都被用于排气歧管的生产。
我国的汽车行业本来发展就晚于世界水平，所以在排气系统的研究和发展也是相对较
晚，但还是取得了不少成绩：
束永平对CPQ2型叉车油泵齿轮箱在工作过程中单元形心处表
面压的计算进行了研究，对其声压进行了详细深入的研究，收获很大；陈朝阳等人利用传递
矩阵法对汽车排气消声器进行了性能模拟，并基于理论模拟方法对消声器进行了优化设计
取得了良好的效果；赵翔等编制了边界元方法计算程序BEMSR；邢素芳，王观荣等针对排气
气管开裂的实际工程问题，应用有限元分析与试验结合的方法进行研究，验证了排气系统固
有频域与发动机转动频率耦合产生共振的设想，并通过改变连接方式改善了排气系统的振动
属性。
近年来，由于对汽车NVH的重视，排气系统的振动研究有了很大的发展。
王继先等人对
内燃机排气系统振动特性进行了分析[6]，建立有限元分析模型，得出结论，通过改变橡
胶吊耳的位置来改变排气系统固有特性，解决了排气系统怠速工况下振动剧烈的问题；刘名
等人进行了排气系统振动分析和悬挂点位置优化[7]，通过模态分析得到排气系统的固有频
率并找到振型节点，得到吊挂垂向刚度对排气系统固有频率的影响规律。
根据振型节点优化
排气系统吊挂位置，有效地减少排气系统通过吊挂传递到车身底板的力，改善了车辆乘坐舒
适性提高了整车NVH性能；张宏波等人进行汽车排气系统橡胶隔振装置的设计[11]，合
理地设计了汽车排气系统橡胶吊耳的布置，利用正交设计法研究对橡胶吊耳的性能进行了优
化设计。
确定了排气系统各橡胶吊耳的动刚度，平衡了橡胶吊耳的隔振性和耐久性，有效降
低了排气系统对车内振动噪声的影响。
2.4排气系统设计技术的一个总趋势：
在发动机所有运行工况下将进、排气系统及其构成元件相应的运行特性、气体动力特性
和声学特性的实际可预测模型合并成一个整体的程序，从而计算出气缸中随着气流通过气门
时进行的循环热力过程和气体动力过程，以及随之产生的歧管内和进排气系统波的运动，使
发动机性能、燃油经济性和污染排放之间达到一个最佳的匹配平衡。
3.课题研究意义：
汽车排气系统是发动机的重要部分，排气系统包括振动、声学、耐久性以及热排放等重
要特性；其中振动对排气系统的设计和布局非常重要。
排气系统一端与发动机相连，另一端
则通过吊钩与车体相连，在车辆行驶中发动机的扭矩波动将激起排气系统的部分模态，并通
过排气系统传到车身的吊耳处，这些振动将影响汽车的舒适性；另外一个振动源为通过车轮
的路面激励，也将使车身产生振动问题。
排气系统吊耳用于隔离排气系统到车身的振动传递，
而柔性节（波纹管）主要控制动力总成传递到冷端的振动，起到振动的隔振作用。
近年来，
随着人们对汽车舒适性要求的不断提高，对汽车振动和噪声控制的研究也越来越重视。
对排气系统的研究及设计直接关系到发动机的泵气损失及排放，好的排气系统设计将减
少环境污染，甚至起到辅助制动作用，它的设计质量直接关系到汽车的动力性、舒适性和安
全性能，对排气系统的振动研究可以合理设计出悬挂点位置的布置，从而可以有效的减小了
排气系统将振动传递到车身，排气系统振动分析一直也是整车NVH分析的重要组成部分（随
着人民生活水平的提高，汽车的NVH性能也受到越来越多的关注）。
汽车在使用过程中，排
气系统的振动问题有：
排气管件的振动疲劳破坏，管道连接部件破裂导致排气泄露，排气系
统振动噪声辐射，排气系统悬挂振动脱落等。
所以，研究发动机排气及振动系统，不仅解决
了排气系统存在的实际问题，而且对提升了整车NVH性能具有重要的理论价值和现实意义。
4.文献查阅概况
[1]邢素芳，王现荣，王超，郭占敏，发动机排气系统振动分析，河北工业大学学报，2005.
摘要：
发动机的振动和噪声特性是影响汽车行驶舒适性的主要因素。
本文针对某轻型货车3
缸柴油机在使用过程中排气系统发生开裂的现象，运用有限元分析与试验结合的方法进行研
究。
结果表明：
发动机的转动频率与该排气系统的固有频率发生耦合，引起了共振。
通过改
进发动机与排气系统的连接方式等措施改变了排气管的固有频率，降低了振动．经样车试验
得到满意的结果。
结论：
利用现代工程结构分析软件和试验测试技术，系统研究了样车发动机排气系统振动
问题，找到了发动机排气管开裂的主要原因．根据分析结果对原排气系统连接方式进行了改
进，经样车验证，问题得到了较好的解决。
[2]方勇，张建武，基于有限元的汽车排气系统模态分析，苏州市职业大学学报，2009
摘要：
排气系统的振动必然带来汽车整车的振动和噪声，影响汽车的整车性能,特别是轿车
的乘坐舒适性。
利用HyperWorks建立排气系统的有限元模型,完成了该系统的模态分析。
分析结果可为结构设计提供依据。
结论：
对某车型的排气系统进行了有限元模态分析，获得了系统的模态参数。
为改进结
构设计提供了理论依据;；为进一步建立系统的振动方程,，预估系统在外界激励作用下的响
应，深入研究其振动、疲劳和噪声等问题奠定了初步的基础；同时也为开展实际模态试验
提供了参考。
[3]朱茂强，徐飞云，微型汽车发动机排气系统优化设计，上汽通用五菱汽车股份有限公
司技术中心，2011.
摘要:
为了研究排气系统设计对整机的动力性、经济性及排放性能的影响，通过一维三维的
数值模拟方法，分析了原排气歧管存在的排气干涉的问题，对新旧设计进行了一维模拟计算
对比。
利用CFD/FEM耦合方法，计算了在最大功率点排气歧管的温度分布及热应力分布。
通过三维CFD计算，分析了氧传感器位置气流分布及催化转化器前端气流均匀性。
制造排
气系统实物并进行台架试验，结果表明整机性能有了显著的提高，并且耐久性与排放符合设
计要求。
分析了排气干涉产生的原因，并作出了改进设计方案，得到以下结论:
a）建立了发动机一
维模型与排气歧管三维模型，理论上计算验证了排气干涉改善的情况。
b）模拟计算了在额定
功率点工况下排气歧管的热负荷与热应力，为材料选择和结构改进提供了依据。
c）计算验证
了氧传感器布置点的气流流动分布，结果表明符合设计要求。
d）计算验证了催化转化器载体
内气流分布状况，结果表明UI指数符合设计要求。
e）台架试验表明，新的排气系统使整机
性能显著提高。
[4]廖芳，高卫民，顾彦，王承，基于振动传递函数的排气系统悬挂点位置优化，同济大
学学报自然科学版，2012.
摘要：
提出一种基于振动传递函数法的排气系统悬挂点位置优化方法。
以某混合动力轿车悬
挂点位置布置为例，通过有限元法建立从发动机激励到排气系统的振动传递函数数值模型，
得到排气系统各点在振动频带内的总相对位移响应，由总相对位移响应最小确定悬挂点位置
的优化方案研究表明，此方法中发机激励、动力总成与排气系统的模态参与因子和模态振型
共同确定悬挂点位置。
比较优化方案与初始方案的实车验证数据可得，优化方案中排气系统
和座椅导轨的振动加速度降幅超过17%，证明基于振动传递函数的排气悬挂点位置布置方
法能用于悬挂点位置设计中。
[5]刘敬平，邓帮林，杜标，冯仁华，许胜利，某轿车排气系统振动分析，振动与冲击，
2011.
摘要：
联合有限元软件与AVL-EXCITE软件，对某轿车排气系统进行模态与强迫振动分
析。
首先利用有限元软件对排气系统做自由模态分析，初步分析其吊耳点布置合理与否。
然
后利用有限元软件对排气系统进行自由度缩减，提取其质量矩阵刚度矩阵主节点自由度信息
及模态信息，整合到内燃机-排气系统多体动力学模型中，对排气系统进行受迫振动分析，
充分考虑其弹性变形与模态共振对振动响应的影响。
得出排气系统任一点上的振动响应及排
气管路长度上的振动传递率，考察其振动耦合特性；为排气系统的空间走向和结构设计提
供强有力的依据。
结论：
a.排气系统固有频率偏低，说明整体结构刚度偏低，而且第一二阶模态过于接近；
b.吊耳A和C布置较合理，吊耳B和D可进一步结合结构及排气管走向重新分析；c.排气
系统的振动响应主要集中在低频段，在长度方向上，前端与发动机受力保持了较好的方向性，
而后端响应已模糊了方向；d.排气系统的振动传递表现为高度非线性，且在长度方向上存在
相位滞后在长度方向上，从前至后振动在逐渐衰减，但排气系统的跨度较大，中间某些部位
受到前后端的振动耦合会出现振动加剧的现象。
[6]王继先，李兆文，王务林，郑泉，陈黎卿，内燃机排气系统振动特性分析，内燃机工
程，2008.
摘要：
针对某款480型柴油车配装的排气系统存在怠速状态下排气尾管振动强烈的现象，
将模态试验分析技术和有限元模态分析相结合，建立了排气系统有限元模型，基于ANSYS
软件和试验设备进行模态试验分析和谐响应分析，得出排气系统6阶固有频率和模态振型
图。
通过对仿真结果分析得知柴油机排气系统在2阶时发生了共振，采用优化悬挂位置点
的方法对排气系统进行了改进设计。
经实车验证，改进后取得了良好的效果，为进一步的降
噪奠定了基础。
结论：
a.发动机气缸盖振动信号成分比较复杂，其振动主要是由进气门打开、排气门关闭、
进气门关闭，缸内气体最高燃烧压力、排气门打开、第5缸燃油喷射以及排气门打开时排
气管气体节流冲击引起。
其中，缸内气体最高燃烧压力（活塞不平衡惯性力）和排气管气体
节流冲击是最主要的激励源。
b.S变换是一种有效的时频分析方法，具有较好的时频分辨率和时频定位能力。
采
用S变换对气缸盖侧面振动信号进行时频分析，可以较好地描述振动信号的能量分布规律，
以及其频率成分随时间的变化情况，结合配气定时规律对缸盖振动信号各冲击响应进行准确
的时频定位，分析灭缸对气缸盖各冲击响应的影响规律。
[7]刘名，翁建生，排气系统振动分析和悬挂点位置优化，南京航空航天大学车辆工程系，
2009.
摘要：
本文采用有限元法对某车型排气系统进行模态分析与谐响应分析。
通过模态分析得
到排气系统的固有频率并找到振型节点，得到吊挂垂向刚度对排气系统固有频率的影响规
律。
根据振型节点优化排气系统吊挂位置，有效地减少排气系统通过吊挂传递到车身底板的
力，改善了车辆乘坐舒适性提高了整车NVH性能。
[8]蒋启成，王跃武，孟强，韩清凯，陈志凯，汽车排气系统的模态实验分析，机械设计
与制造，2009.
摘要：
汽车排气系统的振动是影响汽车振动噪声和舒适度的主要因素之一，掌握其动态特
性对优化汽车的NVH性能十分重要。
针对某国产轿车的排气系统进行研究，利用B&K数
据采集与分析系统对排气系统进行了自由状态下水平和垂直两个方向的测试和工况状态下
的垂直方向的测试，得到了排气系统的主要固有频率和振型，为整车减振降噪水平的改善提
供了的有效依据。
结论：
分别在某轿车排气系统的自由状态和安装状态下进行了模态试验分析，得到了垂直
和水平方向上的模态参数，根据所得到的模态数据，排气系统的主要模态没有重频现象，符
合模态匹配的基本要求。
安装状态下的各阶模态有所降低。
[9]张光慧，万茂林，黄磊，汽车排气系统的三维设计和有限元分析，轻型汽车技术，2012
摘要：
排气系统是车辆的重要组成部分，负责发动机尾气排放。
它的降噪尾气净化和压力
损失等问题已被广泛的关注，但其静力学特性却没有引起足够的重视。
传统的排气系统同发
动机和车体相连，排气系统的静力学特性的好坏对排气系统的寿命有较大影响，影响到汽车
的整体性能以及人们对车辆的主观评价。
在使用UG建立排气消声器模型后，利用ANSYA
WORKBENCH对所建立的排气消声器模型进行静力学分析通过该分析。
为消声器的设计提
供理论依据以及方法。
[10]侯献军，刘志恩，颜伏伍，刘庆，汽车排气系统静力学计算及模态分析，武汉理工
大学，2009.
摘要：
建立了某汽车排气系统的有限元模型，并进行了有限元模型的静力学计算和模态分
析。
静力学计算结果表明该车辆排气系统各橡胶吊耳处受力相对均匀，系统的最大位移和应
力均满足设计要求。
模态分析结果表明，怠速和经济转速下发动机的排气激励频率避开了该
排气系统的固有频率，使得该系统具有较好的动态特性。
[11]张宏波,，李岐,，林道福，陈伟波，朱廉洁，汽车排气系统橡胶隔振装置的设计，内
燃机工程，2010,
摘要：
合理地设计了汽车排气系统橡胶吊耳的布置，利用正交设计法研究对橡胶吊耳的性
能进行了优化设计。
确定了排气系统各橡胶吊耳的动刚度，平衡了橡胶吊耳的隔振性和耐久
性，有效降低了排气系统对车内振动噪声的影响。
[12]杨怀刚，李凤琴，陈煌财，排气系统NVH特性的分析研究，长安汽车股份有限公
司汽车工程研究院，
摘要：
本文将采用MSC.Nastran对某参考车的排气系统进行吊钩位置分析评估；再建立
动力总成-排气系统FE模型，对约束模态分析的结果进行相关评估；最后计算该排气系统
主动挂钩的动刚度，为相关产品开发提供技术依据。
[13]王春慧，排气系统悬挂引发汽车NVH问题研究，上海海马汽车研发有限公司，
摘要：
排气系统的振动主要是通过排气系统的悬挂传递到车身，悬挂点的合理布置可以有
效降低由排气系统引起的整车振动和噪声．提高整车舒适性。
本文主要论述了排气系统悬挂
影响整车NVH的原因，通过论证分析、试验验证，提供解决方法。
[14]J.Galindo，Designofanexhaustmanifoldtoimprovetransientperformanceofa
high-speedturbochargeddieselengine，ExperimentalThermalandFluidScience
28（2004）863–875
Abstract：
Inthispaperastudytoanalysetheinfluenceofexhaustgasesthermalenergysavingandreductionofpressurepulsesinterferenceonenginedynamicperformanceduringtheloadtransientofhighspeeddirectinjectionturbochargeddieselenginesisdescribed.Theanalysishasbeenperformedthankstotheuseofadualwalledairgapexhaustmanifoldanda4-2-1pulseexhaustmanifold,whichhavenotonlybeenmodeledbutalsomanufacturedandtestedonanenginetestbenchabletocarryoutconstantspeedloadtransienttests.Finally,inordertoestimatemaximumimprovementinengineperformance,anoptimumdesignofasynthesisexhaustmanifoldhasbeenproposedandmodeledshowingthatexistapotentialnotonlytoimproveenginetransientperformanceatlowenginespeedsbutalsothegastemperatureatthecatalystinletandthesteadyeffectivetorque.
[15]XitianFang，MehmetCiray，YinChen.DynamicSimulationandCorelationforAumotiveExhaustSystem[J].SAE，2001-01-1437
[16]JianPang，PhillipKurrle，MohamadQatu.AttributeAnalysisandCriteriaforAutomotiveExhaustSystem[J].2003-01-0221.
[17]SanjayS.Patil，V.V.Katkard.ApproachforDyna
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