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通过混合消声器的设计来减少多种产物的方法在商用车上的应用
摘要
汽车排气噪声是噪声污染的主要来源之一。没有安装消声器的汽车是汽车噪音的主要来源。因此，排气消声器的使用是由于发动机降噪的需要。插入损耗是评估任何消声器的性能的关键指标，它主要取决于正确选择与内燃机排量成正比的消声器容积，另一个主要性能评估指标是反压力，并且，形状、尺寸、重量、耐用性，可制造性和成本也是消声器选择的重要标准。目前，有许多变体排气消声器有不同的整体性能（即插入损耗、反压力、形状、尺寸、重量、耐用性，可制造性和成本）用于商用车的不同变体，尽管它们发动机排量是一样的。关于这点，作者设计了一种新的组合或混合类型消声器利用反应和吸收使噪音衰减的原理，之后，通过测量噪声和排气系统被压，这个新的消声器在性能评估上要优于现有消声器，同时也比较研究了消声器二次验证的性能标准。这项工作的主要目的是设计一个减少产品变体同样适用于抽气量的高性能消声器，另一个目的是研究主要设计参数对性能的影响和消声器的选择标准。进一步说它可能在没有最新分析软件和实验技术的协助下开发出高性能消声器。
关键词：抽气量，消声器容积，插入损耗，反压力，混合消声器，六西格玛设计，实验设计
介绍
消声器是所有汽车排气系统的核心。插入损耗和反压力是评估消声器性能的关键指标，另外，形状，大小，重量，耐久性，可制造性，可操作性和成本也是消声器设计的重要标准，可操作性与尺寸，重量，形状有关。在如今竞争激烈的市场，具有成本效益，易于制造，能够设计并能有提示的产品是最理想的。六西格玛设计是一个很好的设计这种产品的有效方法。这项工作利用六西格玛设计来设计了一个新的排气消声器。众所周知，六西格玛设计是一个过程，侧重于“积极”的设计质量，而不是被动的。此外，它侧重于满足客户的期望质量/性能在低成本条件下。总之，六西格玛不过是客户集中强大的工程。在设计过程中，任何最新软件的援助都没有采取。概念设计是基于以前最佳的消声器设计的范围和问题完成的。同样的，优化是通过实验设计与严重的噪声条件或加速试验条件没有任何消声室的协助。此外，作者试图了解几个主要设计参数对消声器性能的影响。
背景
减弱排气噪音,有必要使用消声器或消音器。体积测定是消声器设计的第一步。消声器与降噪量/插入损耗和发动机功率也有关系。基本上,插入损耗正比于体积比。目前的许多变体消声器(即有不同的体积)被用于不同的车辆有相同的抽气量与不同的发动机的性能(功率)。所以消声器的体积不仅取决于发动机的抽气量,也对发动机的性能有影响。提供最好的消声器插入损失高能力但同时其他参数(如成本、重量、设计复杂性和制造复杂性)也不可取的。在这种背景下,六西格玛过程被用来设计一个优化的消声器(排气)减少变体产品。他是一种混合或组合类型排气消声器。
之前已经做了大量工作,并使用DOE的消声器的性能优化。DOE是六西格玛的非常重要的一步或部分过程优化。Gosavi[3]年代等设计使用田口吸入消声器的方法。他们用了18个正交阵列的DOE为优化矩阵的TL性能。同样,Ni Jimin1等[4]优化设计减少过量的噪音使用DOE汽车消声器的排气尾管。这两个研究工作基于软件分析内联实验。另一个在这个领域引人注目的研究是由Tzann-Dwo Wu负责的[5]。本研究提出了同时使用相结合理论与田口方法在消声器设计阶段以满足优化设计的要求。本研究也给了一些强调敏感性的公差设计。现在工作遵循所有DFSS使用田口方法的过程。
问题陈述
研究背景,很容易辨认出,制定工作的问题陈述。有许多问题坚持消声器的设计可用的最佳变体如下
1 可制造性设计(复杂性)
2 处理(形状、尺寸、重量)
3 包装(形状、大小、重量和灵活性)
4 噪声在长期的表现
5 成本
所有这些问题都包含在新设计的消声器。图1所示为最好提前可用的消声器更好的理解这个问题。
图一所示 现有的最佳排气消声器
方法学
用于设计新的混合或组合类型消声器降低产品变体的方法已经代表下面的流程图。这基本上是一个利用田口方法的健壮的工程方法。设计过程可以分为很多步骤。在这里,我们跟着DFSS的5步骤(I-D-D-O-V)。与传统的消声器的开发方法的不同主要在两个方面,这些都是即分别测试或实验性的条件和概念设计终结。这里使用的测试条件更像是真实情况。此外,DFSS的两个数字矩阵形成的两个关键指标评价消声器性能考虑噪声因素的不同。最终设计选择同等重要得到优化，如图2所示
图2，方法的流程图
使用DFSS消声器的设计
前一节中提到的方法是在下面详细讨论
识别（I）
这是DFSS过程的第一步,需要确定范围、目标、约束、边界、时间表和团队工作的细节。从上面所有主要参数表示如下
确定目标
6 改善噪声性能的有效性
7 提高背压性能
8 改善工艺性（▼设计复杂性）
9 提高处理性（大小▼和重量▼）
10 改善包装（大小▼，重量▼和灵活性▲）
11 改善噪声性能
12 降低成本
确定范围
13 计算，设计和CAD建模/起草
14 产品开发
15 测试/实验
16 验证和实现
确定约束条件
17 反压力不应超过现有水平
18 成本，重量和体积（大小）应该更少
19 确保性能一致在短时间内是不可能的
20 在不同条件下测量噪声性能和反压力
定义（D）
在这一步中一个需要捕获客户的声音并转换成工程指标以满足客户的目标。这个过程中QFD,VOC、HOQ,客户损失函数等受到广泛关注。
反馈/评论由客户现有最佳消声器反馈。因此,决定设计一个消声器至少有相同或改善性能指标权值最小，如成本、体积和简单的可制造性等。
开发（D）
这是DFSS过程关键的一步，在这个步骤中需要确定的设计概念。一般来说,消声器消声机制被归类为耗散(或吸收)和反应,它取决于声波能量消散成热或反射的区域停止(不匹配)。由此提出了消声器是混合或组合类型为耗散和被动噪声衰减使用原则。今年上半年消声器是反应类
型而后一半是耗散类型。反应性，耗散元素和概念发展参数确定初步的消声器。
图3.提出概念消声器
消声器容积选择
第一个消声器设计的初级阶段是确定或选择它的体积。5.9 l排量引擎的设计。在这里,由三种公式分析消声器要选择的体积。
M。L蒙贾尔消声器体积公式的选择:根据ML蒙贾尔[6],Vm /Vp应该在3.5至12.5的范围内实现良好的插入损耗和消声器容积应0.38 Vp 实现更好噪声降低效果。
现有最佳消声器容积为44.97 l。因此,理论插入损耗和体积比分别为20 dB(A)和7.6。我们有从现有的5.25%减少长度,因此,虚拟机成为42.6 l .因此,体积比和理论插入损耗值分别成为7.22 dB(A)和19dB(A)。
L.H. Billey公式(唐纳森公司、英国)消声器容积的选择:根据L。H Billey[7],消声器四冲程发动机应按以下公式估算
（1）
这里，Vm=消声器容积 l
Vp=发动机排量 l
N=发动机转速（rpm)
n=没有的气缸
K=常数，在不同的条件下
K=5000 农用拖拉机；K=10000 城市和农村机动车和推土机；K=35000 卡车；K=50000 公共汽车和轿车；
使用上面的方程，我们得到Vm=33.72l它比现有的消声器体积小。
迪恩·g·托马斯公式(美国纳尔逊消声器公司)消声器容积的选择:——Dean.g·托马斯[7],推荐由此估计消声器体积
（2）
这里，Vm=消声器容积 l
Vp=发动机排量 l
N=发动机转速（rpm)
n=没有的气缸
T=没有的行程
Q=常数，根据不同条件在5和6 之间选择
鉴于在上面的方程里Q=5.5,Vm = 16.56,它的体积比现有的消声器体积小。从上面可以看出消声器要求的理论体积5.9升是不同的。没有可用公式可以准确预测消声器容积以及它的插入损耗。因此,我们选择消声器容积(Vm)42.6 l是参照现有消声器(Vm)44.97 l。另外,很明显,Lorsquo;lt;Lo。
Vmrsquo; = Vrrsquo; Varsquo; （3）
这里，Vm=提出了消声器容积
Vrrsquo;=提出的总反应室消声器的体积
Va=内部损耗决定的消声器体积
膨胀率和L/D的选择
膨胀率更适用于活性部分的设计。它基本上是横截面积与入口管室之比。从图1和图2,很明显,膨胀率比现有的消声器更有效的在拟议的新设计。直径和长度L / D比率适用于圆形消声器。对椭圆形消声器可以被视为L /比率。
外壳设计
绝缘型壳(两层金属与声学层像重叠模式)中使用现有的设计减少壳噪音。这是最有效的壳设计类型[6],但同时它是相对复杂的可制造性低。提出设计中使用较高的单壳厚度是首选的降低重量、成本和提高生产力的方法。
反应室的设计
反应性消声器主要适用于低频噪声衰减。这是因为大多数的内燃发动机脉冲(发射频率)能量在于0 Hz - 600赫兹的频率范围。按照低频来看，前两个室现有和拟议的反应类型的设计。细节的概念选择电抗元件设计的各种参数如下所示。
长度的选择
基于所有范围0 Hz - 600赫兹的低频被动的消声器这是很难选择的长度室。但对于一个特定的频率,每个长度应ge;lambda;/4。为每一个频率,我们可以得到不同的lambda;/ 4。此外,排气温度的变化导致声速的变化。为便于计算,考虑废气属性是标准的空气一样。根据h . Heisler废气的平均温度是400°C[8],考虑到音速在400°C计算长度。
STP声速C = (gamma;p/rho;) = 332.4 m/s（4）
这里， gamma;=比摩尔热容
P=气体的压力（Pa或N/m2）
Rho;=气体的密度(kg/m3)
我们知道C1/C2 = (T1/T2) （5）
使用这个方程得到声速在400°C是521.9米/秒。速度与频率和波长遵循方程
c = flambda; （6）
大多数控制倍频带的频率500赫兹的频率范围0 Hz - 600 Hz的活性消声器。因此,每个反应室的最小长度(lambda;/ 4 @ 500 Hz)m = 0.26 m。提出了消声器所有反应室长度ge;0.26米。同样,以下东西可以指出,Lr = Lrrsquo;,L1rsquo;gt;L1和L2rsquo;lt;L2。
穿孔和孔隙度选择
根据M。L蒙贾尔[6],3毫米到7毫米直径孔对低频噪声衰减是非常有效的。但是,考虑供应商用直径孔的过程能力相对较高。同时,而使用各种直径孔穿孔,在现有的情况下,在整个反应室中使用的组件只有一个特定的直径孔用于穿孔。进一步的,所有的管道都是直类型。没有关键的弯曲、切割和焊接生产过程中是必需的。它有助于改善工艺性,降低设计复杂度/歧义。
膨胀比选择:上面已经讨论过的
耗散腔设计
本设计的目标之一是确保有长期一致的性能。选择相应的概念，在之前的设计中,和不洁净的废气有可能吹走纤维吸收材料或防护管门不断被热阻塞。在这里,同心管谐振器和排管被选中。环形气隙排管更有可能作为正常排管用于吸收材料高温和减弱热废气流动的侵蚀效应[6],[9],[10]。这个室(La)的长度小于现有（La）。
进口和出口管道的设计
进口和出口管直径相同但集中放置或轴向偏移/反常地像现有的消声器。这样做是为了增加设备的灵活性。拟议的消声器可以适应取向角。
优化(O)
这是DFSS最重要的一步。这里需要优化传递函数通过选择控制参数- p相图中确定的优化组合。然后实验布局(DOE)相结合形成了控制因素以及可能的噪声参数。
通过DOE优化噪声性能
图4.p相图的噪声水平
表1，控制和噪声因素表
|
控制因素 |
水平 |
|||
|
A |
破孔率 |
P1 |
P2 |
P3 |
|
B |
吸收材料数量 |
G1 |
G2 |
G3 |
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资料编号：[147342]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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噪声因数 |
摘要 |
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N1 |
噪声存在 |
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