FSAE赛车排气系统设计与分析

1、目 录摘 要1ABSTRACT20 引言41 绪论41.1 大学生方程式汽车大赛简介41.2 FSAE赛车排气系统与民用车性能取向比较61.3 赛事规则的限制72 排气系统基本原理82.1 排气系统在发动机中的基本作用82.2 排气系统设计基本理论82.2.1 压力波在管道中传播特性和气柱谐振效应概述92.2.2谐振效应在排气歧管设计中的运用92.2.3 消声器设计原理123 排气系统设计方案分析123.1 4出2布置123.2 4出2出1布置133.3 4出1布置143.4 布置方案选择154 排气系统设计154.1 排气歧管设计154.1.1 基本参数计算154.1.3 集合器位置选择18

2、4.1.4 排气歧管管路管路排布方案选择204.2 排气歧管工艺分析及制造过程分析264.2.1 歧管工艺与材料264.2.2 歧管制造过程分析304.3 集合器设计与工艺分析344.4 消声器设计355 用FLUENT有限元分析软件分析排气管385.1流体力学与CFD分析简介与流体性质简介385.2网格划分与边界条件设置395.3 排气气流云图分析416 改进方案436.1 设计方案缺陷分析436.2 改进方案447 总结和建议457.1 总结457.2 建议46参考文献48译文49原文说明58摘 要本论文以2011第二届FSAE中国大学生方程式汽车大赛为设计背景，设计并且制造一辆方程式赛车

3、的排气系统。整个设计过程在满足大赛规则的基础上，降低排气系统重量、提高排气效率和发动机动力表现、工艺性能满足制造要求。本文主要工作是完成了赛车排气系统的参数的设计计算，排气系统的性能分析和排气管的加工制作。（1）根据排气管设计的要求，选择排气管的设计思路，完成排气管关键参数的计算和排气管的布置方案；（2） 使用CATIA软件完成排气系统的三维建模，并导入有限元分析软件Fluent进行排气性能分析。分析结果表明，所设计的排气系统能够满足FSAE赛车的要求；（3）根据所设计的排气管参数，输出工程图纸，完成了排气管的加工制作，并根据加工制作存在的问题，提出了排气管设计的进一步意见。本课题的研究和制造

4、为今后FSAE赛车排气系统的设计与制造提供参考，总结了设计与制造过程汇总的经验和教训。具有一定的工程价值。关键词：排气系统，谐振效应，消声器，弯管Exhaust system Design of FSAE carABSTRACTBased on the 2011 Formula SAE-China, the second college student formula car competition in China,this pare was to design and manufacture a exhaust system for Formula racing car. The desi

5、gned exhaust system should fulfill the requirement of low mass, higher power performance and easy fabrication, on the basis of FSAE rules.The main task for this paper is to design and analysis of exhaust system for FSAE car. （1）Based on the characteristics of exhaust system, design theory was select

6、ed, then the main parameter of exhaust system were determined, and also the arrangement of exhaust pipes.(2) The CATIA software was used to establish the 3-D model.The model was imported into Fluent software to analysis the performance of desigened exhaust system. Results showed that the desighed ex

7、haust head can meet the requirement of FSAE car.(3)The exhaust system was fabricated according to the design.The future improvement of fabrication was proposed improve the performance of exhaust system. This paper is both summery of design and fabrication of exhaust system for FSAE car, which can pr

8、ovide useful reference of the design of exhaust system for teams in China. Key Words: Exhaust system, Muffler , Resonance effect, bendFSAE赛车排气系统设计与分析张勰嵩 0 引言众所周知，要设计制造一辆完整的汽车是一个很复杂的过程，特别是对一群大学生而言，因此大学生方程式大赛将使车队成员们付出巨大的心血。它将挑战本科生、研究生团队构思、设计、制造小型具有高性能的方程式赛车的能力。通常一个车队需要用8至12个月的时间设计、制造、测试和准备赛车。正如F1一样，FS

9、AE并非一项单纯的体育运动，而是汽车制造业中的科技创新大赛，至今还没有一项运动具有如此多的高科技。可以这样说，汽车的形成与发展引发了汽车运动，而汽车运动引发高科技的不断突破，从而带动了整个汽车工业的发展。而本文正是结合车队的实际工作，帮助车队完成一套完整的赛车的排气系统设计，并且解决其中排气管制造工艺以及性能评价等问题。1 绪论1.1 大学生方程式汽车大赛简介大学生方程式赛车(Formula SAE)在国际上被视为“学界的F1方程式赛车”。该赛事是一项车辆性能设计方面的比赛而不是一项竞技比赛。本赛事也是一场“工程教育式的体验”。 作为美国汽车工程师协会于1979年创办的赛事，FSAE已经有二十

10、多年的历史了，目前举办赛事的国家除美、英、德、意、澳及巴西，日本也于几年前加入推广这项比赛，借以培养及训练车辆工程研发设计人才，然而该项赛事在中国起步比较晚，我校RISE 方程式车队参加了2010年第一界中国FSAE大赛，虽然成绩一般，然而学生的工程能力得到了极大地锻炼。图1.1 FSAE比赛正如上海设立F1赛事一样，FSAE赛事在各高校间开展对于中国赛车而言也是一件令人欣喜的事。这不仅能够提供大学生们亲自参与设计制造的机会，更值得高兴是，与其它院校的学生能够增进交流，并更深入地接触社会，同时也能通过FSAE赛车来展示我校，展示汽车学院，这无疑是一件双赢的事。1.2 FSAE赛车排气系统与民用

11、车性能取向比较FSAE赛车或者说大多数高性能赛车的排气管系统和民用车排气管在性能取向上来说是非常不一样的。排气管最基本的作用就是引导发动机废气，隔绝排气高温。民用车为了控制成本，往往使用易于大量生产的工艺和材料制造，而且在设计的时候往往也是为了能够尽量减少成本，没有在排气系统如何优化发动机表现上面多下功夫。而赛车排气管则是相反，由于赛车产量少，追求高性能表现，对成本控制要求低。所以往往用不易于量产的工艺和材料。图1.2 赛车排气歧管而在设计上差别更是巨大，由于可以使用比较费时费力的工艺，在排气系统的设计上受到的束缚很小，可以做更多有利发动机性能的设计。而更重要的赛车的设计完全是为了竞速，所以在

12、总布置上面就给排气系统留下足够的空间，这样排气系统就可以使用一些在民用车上做不了的设计。比如利用气体的震动和惯性让排气系统在排气门附近的压力降低，这样排气更加顺畅，提高了发动机的充量系数。从而获得更大的功率和扭矩。具体的就是优化设计排气歧管，让排气初段互相独立，各不干扰，且排气顺畅，计算好合适的排气歧管初段长度，保证每个汽缸的排气歧管长度等长，最后又要让各缸排气歧管相会一处排出废气。排气系统另外一个重要功能就是降低发动机排气噪声，在这点上赛车虽然降噪要求比较低，然而FSAE并不是专业的竞速赛事，考虑到赛事的安全性等，也有一定的噪音要求。1.3 赛事规则的限制规则中对于赛车的排气系统做了如下要求

13、：1）赛车排气系统上必须安装消音器，用以使噪音达到允许程度。2）尾气出口必须要合理布置。使赛以任何速度行驶时，车手都不会遭受尾气污染。排气口不得处于后轴中心线后60cm(23.6 in)之后的位置，离地距离不得高于60cm(23.6 in)。3）如果排气系统的零部件从车身两侧延伸到主环以前，那么这些零部件必须有护罩遮盖，以防车手或其它人员烫伤。4）噪音等级上限为110 dB。需要说明的是FSAE比赛的规则不是死扣文字的，而是给比赛裁判和各个车队一个基本的技术规范，在比赛场地车间的时候只要裁判认为某部车的设计不合理，会影响到车手的安全问题，就会被判定不符合规则，所以根据成熟车队的经验在至少保证符

14、合上述规则之外根据规则精神至少还要加上这样几个要求：5）排气管和车手以及油箱等要有一定距离，即便有隔热设备在，如果靠的太近也是会让裁判觉得很不安全。6）排气系统要合理固定在车架上不能有用不牢靠的固定方式。2 排气系统基本原理2.1 排气系统在发动机中的基本作用排气系统最基本的功能就是引导发动机做功产生的废气派出车外，由于排气对发动机换气的影响和排气噪声的存在。排气系统在设计的最大目标就是优化排气过程提高发动机换气效率以及减少排气噪音。2.2 排气系统设计基本理论凡用空气燃烧燃料的发动机，它所能发出的功率，归根到底，受限与空气的进入，空气与燃料的化合以及废弃派出的速率。持续输出高额持续功率的关键

15、在于易于换气。当然，在发动机中还必须有效利用空气，否则混合气质量不高也是得不到高功率的。不过本文目前只考虑换气过程中的排气部分，混合气的形成过程不再讨论范围。往复式内燃机，也就是最常用的汽车发动机与吸进稳定气流并持续燃烧燃料的旋转式发动机（如燃气轮机）相比，往复式发动机本质上是一种工作过程断续的发动机。每个气缸吸一口空气，并使燃料在其中燃烧，然后排出燃烧产物，再吸一口空气。因而，流进和流出发动机的气流是脉动的。这个特点带来了许多特殊问题。由于脉动带有能量，所以如能了解它和仔细分析它，就能利用这部分能量减少维持充量流动所需要的功；反之，如果对它缺乏了解，脉动能量就会阻扰充量流动，降低了发动机的功

16、率和效率。另外这种脉动也是排气噪声的主要原因，排气噪声的本质是排气出口处的气压压力变化，这种变化以声波方式在大气中传播就变成了声波。利用排气气体的这种脉动特性合理设计消声元件是降低排气噪声的主要方法。2.2.1 压力波在管道中传播特性和气柱谐振效应概述根据压力波在管道中传播的理论：当正压波经过一开口端，会反射一个负压波；当它经过一个闭口端，会反射一个正压波。当负压波经过一个开口端，会反射一个正压波；当它经过一个闭口端，会反射一个负压波。这就是压力波动效应。图2.1进排气动态效应的压力波示意图气流在等截面管道中流动时，可以把管道中气体看成是一个具有一定质量的气柱，管道相当于汽缸，而气柱相当于活塞

17、。当气柱（活塞）往返运动时（谐振），管道（汽缸）的体积就时而增大，时而变小；体积增大相当于负压波，体积减小相当于正压波。2.2.2谐振效应在排气歧管设计中的运用赛车排气系统在设计上力求让发动机在功率和扭矩上达到最大值。原理上是这样的在废气喷出排气系统的时候, 废气由于惯性的关系在排气歧管开口端扩散后会有一段真空低压波向发动机出口反射, 真空低气压波一直会反射到排气气门处。如果将时间控制在当排气过程接近完成, 进气气门已打开并开始进气的时间, 也就是排气气门与进气气门同时打开的时候, 真空低气压带就会因为真空吸力的关系把燃烧室中的废气吸出排气门, 并将新鲜的混合气吸入缸体, 这样对于发动机进气效

18、率和排气效率有明显提升。 假设一辆发动机排量为1000CC的摩托车, 那么在1000r/min旧的时候实际进气效率有70%就算不错的了。因为在高转速, 发动机排气门在极短时间内是不可能完全排出废气的, 进气门也是不可能完全进气充分的。这样来说排气的惯性低气压对于提高发动机性能是十分重要的。四冲程发动机只有在活塞做功后的排气冲程临近结束时及进气冲程的刚开始时会出现气门同时开启。高转速的发动机因其转速很高, 每次气门同时开启的时间间隔比较短, 所以排气管的歧管通常做得比较短, 可以让真空低气压很短时间就反射回排气门。低转速发动机因其转速低,每次气门同时开启的时间间隔比较长, 所以排气管的歧管通常也

19、做得比较长, 让真空低气压波用比较长的时间才能回到排气门处。在具体的工程设计中，为了让多汽缸发动机工作更加顺畅所以个气缸在相同的工作转速一起利用谐振效应，提高发动机的输出功率。可以有两种方法实现每个汽缸工作一致：第一种：让排气歧管的截面相同、长度等长，由于从歧管终端反射回的低压波在歧管中的传播速度和歧管的截面积，当地声音速度有关。只要使用相同的歧管管径和长度，那么每个歧管谐振效应发生作用的发动机转速是一样的，就可以做到发动机动力输出效果最佳。第二种：让排气管的截面和长度不相等，如果排气歧管的截面面积比较大，排气阻力自然就会变小。这样截面大的管做的短，截面小的管做的长就可以让每个歧管产生谐振效应

20、的工作转速一样。分析这两种方法，第一种方法制造工艺简单，设计和计算过程简单，然而缺点就是对布置空间的要求高。如果没有足够的空间让歧管布置得当长度相同就会很难设计。第二种方法特点正好相反，由于需要长短不一粗细不一样的歧管，制造工艺复杂，设计和计算也不简单。最重要的就是管的直径和气体惯性有很大的联系，如果每根歧管的截面积不同，在实际设计中很难保证良好的谐振效应。所以在实际工程运用中绝大多数的排气歧管都是等截面等长度设计的。影响排气惯性的条件有以下几种：（1）速度：保持排气高速，也就能够提高惯性及真空低气压带。（2）密度：保持排气的高密度，因为相同速度下的物体密度高会产生比较大的惯性。(3）流畅：保

21、持排气流畅性；因为不流畅就会降低速度。(4）排气管内壁的光滑程度：内部的光滑可以减少排气阻力。(5) 温度：保持排气管内排气的高温才能保持排气的速度。(6）排气管内径：过粗的内径会让排气有更多的空间而减小排气的密度，过细的内径会因为它能通过的排气太少而减小排气的速度。排气时间的长短是根据发动机转速而改变的，所以排气管需要根据发动机的实际情况来寻找一个粗细合适的内径，从而和发动机完美曲配。2.2.3 消声器设计原理消声器的形式很多，但所根据的基本原理实际上只有很少的几种。主要分两大类，一类为吸收式消声器，即声能在管中的传递因为被管道中用适当的材料做成内衬吸收一部分而减弱了；另一类为滤波是消声器，

22、即通过管子形状的局部变化，影响管子中的气体波动，即把输入的压力波的组成成分改变后再传向排气出口。实际设计中往往复合这两种方法来设计消声器3排气系统设计方案分析上海工程大学2011参赛车辆选用了本田CBR600 F4i摩托车搭载的发动机，这台发动机为四缸发动机。而发动机废气在流过排气歧管后要聚拢在一起通过消声器来降噪这時便有了几种排气扩散及负压形成方式。3.1 4出2布置如图3.1，这种布置的优点便是排气管设计简单，然而缺点也是非常大的，就是这种设计负压产生的不够，由于排气歧管长度确定，而且利用排气惯性一定要让气体扩散，也就是说要让排气管歧管的终端体积变大，最好的方法当然是直接就在歧管结束的地方

23、吧废气排到大气中，然而由于比赛规定了赛车噪音不得超过110 dB，根据以往经验，排量为600CC的发动机不装消音器是不可能吧噪音降低在这个要求之下的，也就是说只能靠在消音器之前排气歧管结束的地方实现，而如图3.1可以看出这种方法由于两根管在末端合并不能提供足够的空间给废气扩散产生足够的负压。而且需要购买两个消音器。总体来看这个方案是不值得考虑的。图3.1 4出2布置排气3.2 4出2出1布置如图3.2，这种布置方案因为会产生两次真空低压，从汽缸出来的压缩波在每个接头处进行膨胀，并在管子开口端做最后膨胀之前想排气口返回两个稀疏波。在中等转速范围内，这样适时稀疏波会兼顾中段和尾段发动机转速范围内排

24、气门处的低压，显著的有利于充量系数的提高和获得良好的扭矩特性，在高速下，第二次减压来的太晚，所以产生的负压不够强烈。在制造方面，由于需要三个2出1集合器，制造量较大。图3.2 4出2出1布置排气3.3 4出1布置如图3.3，这种4出1排气管只有一次产生负压，然而由于集合器（4 into 1 collector ）可以做的足够大而且四根歧管在一个空腔内产生负压，这样就能得到一个大而快的稀疏波，所以负压很强。但是中等转速下第二次减压的好处就消失了，特别在气门重叠期间。所以必须在良好的扭矩特性或最大功率之间做出选择。由于集合器在排气系统中比较常见所以在市面上比较容易买到合适的集合器。图3.3 4出1

25、布置排气3.4 布置方案选择综合比较第二第三种方案，虽然4出2出1的在整个发动机转速范围内表现更好，但是考虑到赛车发动机的高转速特性和在比赛中赛车处于极限状态的情况较多，所以4出1比较合适。而且从制造工艺上来说4出1比较容易实现。所以选择了4出1方案。4 排气系统设计4.1 排气歧管设计4.1.1 基本参数计算排气管设计最基本的参数就是排气歧管的长度和管内径和弯曲中心线半径。计算公式如下： （4.1）P 排气歧管长度，inh；ED 180+排气气门早于排气行程下止点开启曲轴转角，度；RPM 发动机目标优化转速，rad/min； （4.2）P 排气歧管长度，in；CC 发动机排量，；P 排气歧管

26、长度，in；ID 排气歧管内径，in；根据上面公式计算结果为：；计算曲率半径R的目的是要知道弯曲对流体的影响如何在工艺和性能之间做好平衡。流体在弯管中流动的能量损失主要由三部分组成，一部分是由切应力产生的沿程损失，特别是流动方向改变、流速分布变化中产生的这种损失；另一部分是形成漩涡所产生的损失；第三部分是由二次流形成的双螺旋流动所产生大的损失。发动机排气过程中弯管处的流动主要由前两部分组成。气流在弯管内流动时，由于离心力的作用，使得弯管内侧流速大，压力小(如图4.1)外侧流速小，压力大，显然在弯管内侧加速段AO内不存在边界层分离现象，而在扩压段OB中S点开始产生边界分离现象，形成涡流区，造成局

27、部流动损失增大。根据牛顿第二定律和伯努力方程可得弯曲管道中流线上质点的速度V和曲率半径R的关系如下：V=CR （4.3 ）式中： C 沿径向的积分常数。图4.1 弯道内的气流运动示意图由此可见，在弯曲流线主法线方向上，速度随距曲率中心的距离减少而增加，所以在弯曲管道中，内侧速度高，外侧速度低，垂直轴线方向的截面上速度分布梯度较大，能量损失增大，截面的有效利用率低。因排气气管弯曲而引起的压力损失如公式(4.8)所述：p=v22 （4.4 ）式中： 气体密度kgm3； v 气体流速ms可以看出增大曲率半径R可以减少因排气管弯曲造成的压力损失。然而在实际设计中为了考虑到工艺和空间布置，只能在可能的情

28、况下尽量选择曲率半径大的弯管。4.1.2 排气歧管与发动机缸盖接口设计发动机位置确定后，因为排气歧管与发动机的接口位置为汽缸盖，在汽缸盖上已经加工好接口，所以当发动机布置确定后歧管与发动机接口已经确定了，如图4.2。图4.2 排气歧管与发动机安装位置排气歧管和发动机缸盖是通过法兰与螺栓连接，并且用垫圈密封。如图4.3。歧管穿过中间大孔并且用凸台固定，傍边是螺栓固定孔。而凸台是车床加工出不锈钢套筒，然后焊接在歧管头部。图4.3 排气法兰图4.4 排气歧管接头和法兰4.1.3 集合器位置选择然后根据整车的布置选择一个合适的集合器的位置，并且以这个位置和歧管和发动机连接处做歧管的末端和开端。整个排气

29、歧管的设计就是以这两个位置为基准的。首先就要确定从空间布置上来说集合器的位置选择。从侧面看为了留给座椅油箱空间，集合器的位置只能在主环平面之后如图4.5。图4.5 集合器位置侧面从正面来看为了保证不与发动机支架和机油滤清干涉，集合器的位置应该放在发动机支架和发动机连接点与机油滤清之间，如图4.6。图4.6 集合器位置正面然后根据以上两个大致位置和排气歧管要求的长度进行布置，由于从正面看最右侧的排气管需要避开机滤和发动机支架，而且离集合器最远，设计的时候为了要让四根排气管等长，让它走直线。这样一来这根排气管的形状是固定的，只要集合器位置确这根排气管的长度就是确定的。而排气歧管要求长度为15.5i

30、n，再设计中就是不断尝试集合器的位置，来符合这个要求。直到最后确定位置如图4.7。图4.7 确定集合器位置4.1.4 排气歧管管路管路排布方案选择当集合器的位置确定下来后就是要建立歧管的模型，然而排气歧管管路的排布有很多种方法，而且根据前文描述的的方法，集合器位置不是唯一的，可以找到多个符合要求的位置，这时候就要从工艺和性能综合分析在这些不同位置和不同的歧管管路排布方法组合下产生的多种方案。淘汰明显不符合要求的方案，减少有限元分析的工作量。为了让描述更加精确，现规定每缸排气歧管的编号从赛车正面看，从右到坐分别为1、2、3、4管如图4.8。图4.8 排气歧管编号然后就是在集合器上的排气管布置，一

31、个叫成功的布置列子如图。它的排气歧管和集合器的排布方式如图4.9，它的排布方式见图4.10。图4.9 排气歧管图4.10 排气歧管管口现在就分析一下每种排布方式的利弊和优点。第一种如图4.11：图4.11 排气歧管管口（a）这种排布方式的确定就是3、4管需要避开1、2管。所以会有比较多的弯折。然而它可以避免由于3、4管废气出口带靠近废气进口、导致弯管的中心线半径太小，在市场上没不到如此规格的预弯管。这个布置的三维模型如图4.12。图4.12 排气歧管正面（a）图4.13 排气歧管侧面（a）第二种方案如图4.14：图4.14 排气歧管管口（b）这种排布方式的优点就是四缸的排气歧管弯曲都比较少，排

32、气流畅，然而3号管由于废气入口与出口太近需要弯曲中心线半径很小的预弯管，在市场上较难寻找。它的三维图如图4.15。图4.15 排气歧管正面（b）图4.16 排气歧管侧面面（b）第三种方案如图4.17：图4.17排气歧管管口布置（c）这种排布方式不是很理想最主要的原因就是4号管特别弯曲，制造难度大。三维模型如图4.18。图4.18 排气歧管（c）由于如果把1、2号管布置在集合器远离发动机一侧，显然3、4管很难布置因为很容易发生干涉。所以这种布置方案没有尝试去做。 从上述分析可以的是第一和第二种方案比较优秀，在实际的工程运用中由于市场上找不到合适第二种方案的预弯管。所以选择了第一种方案。4.2 排

33、气歧管工艺分析及制造过程分析4.2.1 歧管工艺与材料传统的排气系统工艺为铸铁或者球墨铸铁铸造而成（图4.19），这种工艺的优点就是使用模具成产，大批量生产成本低，效率高。它的缺点也很，大就是排气管内壁粗糙、重量大、小批量生产不方便。图4.19 铸造排气管赛车排气管多用金属管弯曲成形、焊接工艺制造。这种工艺的特点便是排气管重量轻，不利于大量制造，但是小批量生产容易。正好符合了FSAE赛车对排气系统的要求。排气歧管使用金属管弯曲成形和焊接工艺的关键就是弯曲质量的问题。在工程实践中, 对薄壁钢管进行弯曲时极易造成弯曲成型的严重变形内侧显著起皱, 外侧沿弯曲中心明显压扁, 其截面形状由弯曲前的圆形变

34、成弯曲后的扁平形, 并且截面积也显著收缩,如图4.20。这既会影响使用质量, 又严重影响外观质量, 而用于赛车排气管的弯管, 管件的等截面积是首位的,如果产生了截面积显著收缩, 就严重影响了使用的性能。图4.20 弯管变形钢管弯曲成型时, 其外侧受拉应力作用而产生弹、塑性变形伸长, 由于弯曲的薄壁钢管相对拉伸量较大, 而管件往往刚性较差, 导致材料在还没有充分完成切向塑性延伸时产生径向剪切屈服, 即, 造成法向塑性位错( 变形) 而呈现宏观“坍塌”, 即产生压扁现象。内侧受压应力作用而产生塑性压缩, 同样, 因压缩量较大及管件刚性不足,材料首先产生材料首先产生弹性失稳, 在外力N作用下沿弯曲圆

35、周方向呈波纹状, 造成管件局部区域承受剪切应力的作用, 随着P 力的增加,材料产生剪切屈服, 即 , 从而产生向管内起皱的现象。这就产生了截面积的收缩。针对产生弯曲截面积收缩的原因, 采取下列工艺方法予以解决:(1) 弯曲成型时, 在弯曲拉伸边设置辅助支承芯棒2,如图4.21 所示, 以平衡剪应力, 消除剪切屈服, 避免法向塑性位错( 弯形) , 从而解决压扁问题。(2)在弯曲成型力P1 作用的同时, 管件轴向施以拉伸力P2和防皱支承3, 由此产生的拉应力应不小于由于弯曲成型产生的弯曲压缩区的压应力, 以平衡压应力, 消除弹性失稳, 避免管件波折, 从而解决起皱问题。解决了这两个问题, 管件的

36、截面积收缩就基本上得到了解决, 本例的关键问题也就基本解决。图4.21 弯管模具 运用这种芯棒弯管工艺对设计最大的一个影响便是这种工艺需要用到模具，所以在实际的工程运用中这种弯管都是事先由专业工厂以一定的规格制造完成，销售给需要使用的客户（图4.22）。而选择这样的预弯管就必须知道这些管材的技术参数，主要就是：管外径、管壁厚、中心线半径、弯曲角度、腿长。见图4.23。图4.22 预弯管图4.23 弯管规格参数在材料选择方面市面上有304不锈钢、中碳钢、钛合金三种材料选择，其中钛合金重量最、轻导热系数低是最理想的材料，可惜由于价格昂贵焊接工艺特殊所以首先排除。而中碳钢虽然是最便宜的但是在重量和导

37、热方面都不如不锈钢，所以最后选择了不锈钢预弯管最为排气管的材料。4.2.2 歧管制造过程分析排气歧管制造的第一个步骤就是切割管材如图4.24。其中使用了专用画线工具。图4.24 专用画线工具根据所需的尺寸加工出合适的管材。如图4.25图4.25 管材切割然后把截好的管材更具设计要求组合焊接好，注意首先焊接在一个平面内的管材，在发动机上固定好之后在确定好不在一个平面管材的角度先点焊再满焊如图4.26。图4.26 排气歧管歧管焊接完毕后就是把每个歧管和集合器焊接在一起。先是把歧管装在发动机上固定好，定好位置。使用夹具固定好四个歧管，如图4.27。图4.27 排气歧管（1）然后把星形片焊接上堵住四根

38、歧管矩形组合后留下的空隙，最后把集合器焊接上，歧管算是完成了。实际工程图纸如图4.28：图4.28 排气歧管（1）图4.29 排气歧管（4）4.3 集合器设计与工艺分析集合器由于要和排气歧管焊接在一起，所以材料选择必须和歧管一直，以便焊接。在集合器的工艺方案上有两种选择。第一种就是用整块板材冲压弯折后焊接成形，如图4.30。这种工艺的优点就是价格便宜，焊缝只有一条，焊接影响小。缺点就是材料厚度不一，形状不准。还有就是在和歧管末端连接的时候需要把四根歧管矩形组合后留下的空隙用星形片填上（图4.31），以免漏气。图4.30 冲压弯折成型集合器图4.31 星形片第二种便是焊接成形，如图4.32。这种

39、工艺的优点就是整体精度比冲压成形好，无需填补星形空间。缺点就是贵，焊缝多，热影响区域比较多。图4.32 焊接成形集合器经过分析对比较虽然焊接成形集合器整体性能比较好，可是考虑到成本因素最后选择了冲压弯折成形的集合器。4.4 消声器设计根据消声器的原理，目前常见的有三种消声器的方案可供选择。第一种为膨胀箱，在该箱内气体流过管子中突然扩大的官腔；第二种为侧置共振器，它具有单独的封闭小室，由小孔或者很短的小管子与排气管相通；第三种，管子中的收缩部分也起到消声作用，通俗说的就是在排气管中加入了扰流片。但这种消声器增大了排气压力损失，与降低噪声相比是得不偿失的。实际工程运用中多数车俩是使用三种方法组合消

40、声，如图4.33。图4.33 普通消声器图4.34 消声器内部构造这种消声器主要靠膨胀箱和共振器协同消声，从图4.35中可以看到由隔板分割成了几个腔室，当废气在管道中流过的时候会气体膨胀，流速降低进而降低脉冲，从膨胀腔进入下一个管道的时候又会被压缩，相当于受到了阻扰排气脉动又降低了，而且在其中一个腔室通的通道会设计成管壁上开有小孔，这样就变成了共振腔了，排气脉冲进一步降低。以上分析的是民用车常用的消声器结构，这种结构制造简单，消声效果好然而很显然，由于废气需要经过多个腔室，排气阻力很大。不是很适合赛车对排气性能的追求，所以在赛车上多运用直通式，吸收式消音器如图4.35。图4.35 赛车消声器从

41、图4.35中可以看出这正消音器是直通式的，排气阻力可以降到最低在管道的管壁上打了许多小孔让气流流过，这样和外面的封闭的大桶配合组成的膨胀腔，而且在腔中间填满了消声玻璃纤维，用来吸收气体脉冲。这种消音器由于是直通的阻力极低，而且结构简单重量轻，缺点就是消音棉容易被烧蚀，影响使用寿命，价格贵。在消音气的参数选择上，由于每个厂家的设计不一样，每个膨胀腔的设计不同，消音棉的不同品质，腔室的组合不同都会影响到消音效果。可是基本上来说所有设计都会使用膨胀腔原理，而膨胀腔的容积大小直接影 响到消声效果，所以在选型的时候主要就是更具效应器的体积来选择的，更具经验数据消声器的容积与发动机的排量之比应该在34之间

42、。美国Nelson消声器公司推荐的消声器容积计算公式为：V=QnVst/1000i （4.12 ）式中： n 发动机转速，r/min； v 消声器容积； i 缸数； 冲程数； Vst 发动机排量，L； Q 修正系数，取2到6，对消声器要求越高时，Q应越大。根据此公式对消声器容积进行计算得到消声器体积为：5.5升。5 用FLUENT有限元分析软件分析排气管5.1流体力学与CFD分析简介与流体性质简介 流体力学是以流体为研究对象，研究其平衡、运动时的宏观物理量变化规律，以及互相作用。虽然伯努利等人在经典理论上的贡献让流体力学有了比较完备的理论基础，但是在实际运用中有很多问题是没有解析解，只有靠计算

43、机用数值方法计算近似值。CFD是计算流体力学的简称，它是基于离散化的数值计算方法，对流体的流场进行分析的一个科学分支。而fluent作为一款很流行的CFD软件很适合用来分析排气系统的气流。根据流体力学基本理论，流体流动可以做以下划分：（1） 可压缩与不可压缩流体；根据流体压缩性的大小可以将流体分为可压缩流体与不可压缩流体。密度随压强变化较大且不可视为常数的流体，称为可压缩流体；反之，密度随压强变化很小且可视为常数的流体称为不可压缩流体。除击水现象外，液体均可视为不可压缩流体。而气体分为低速气体（V50m/s）和高速气体（V50m/s），低速气也可视为不可压缩流体，这是由于低速气体的压力和温度在

44、整个流动过程中变化很小，重度和密度变化也很小，可以近似看成常数。高速气流侧需要考虑密度变化的影响，视为可压缩流体。（2） 定常流动与非定常流动按流动要素是否随时间变化，可以将流体流动分为定常流动与非定常流动。定常流动（又称非稳定流域或者非恒定流）是指流场中任一空间点上各运动要素不随随时间变化。而非定常流动（又称非稳定流域或非恒定流）中至少有一个运动要素随时间变化。（3） 层流与湍流若流体质点互相不掺混，有条不紊地做有序的成层流动，这种流动状态称为层流。反之，流体质点相互掺混做无序的随机运动，此时的流动状态称为湍流。其局部速度、压力等物理量在时间和空间都可能发生不规则脉动。5.2网格划分与边界条

45、件设置假定流场内的气体为烟气，物质性属性见表5.1，忽略配气相位角以及管道内其它压力波对流场得影响，气体流动为可压缩、非定常流动模型，进出口边界条件均采用压力边界条件，入口压力为0.3Mpa，温度为1000K,出口压力为0.11Mpa，温度为700K，其余为壁面边界条件，因为气体流动速度很快，可以假定壁面是绝热的，选择三维单精度求解器进行计算如图。表 5.1 烟气性质/kgm-3Cp /Jkg-1K-1/Wm-1 K-1/kgm-1 s-10.35412460.08514. 14e - 05图5.1 1号排气歧管网格划分图5.2 3号排气歧管网格划分5.3 排气气流云图分析首先将Gambit中

46、输出的mesh文件导入Fluent，选用3D单精度模拟，定义求解器为以绝对压力为基础，流体材质为烟气。气体流速较高，粘性定义为k-epsilon方程。边界条件设定为，压力入口（Pressure inlet）由正对于排气口截面的0.3Mpa标准大气压为进气压力。压力出口（Pressure outlet）是对着集合器，由于在集合器中会发生气体膨胀故定义为0.11Mpa。壁面定义为光滑，恒定。残差设定为1x10，则计算结果小于该值后求解收敛。以下为分析结果：图5.3 1号排气歧管速度云图从速度云图可以看出排气气流在管道中流动顺畅只是在弯管出有比较高的流速。最高速度为5.93e+02 m/s，出现在排

47、气歧管第一个弯管处。图5.4 1号排气歧管压力云图图5.5 3号排气歧管压力云图从压力云图中可以看出在排气歧管的头部特别是气流冲击的弯管背部有着很高的压力，压力随着歧管长度的增加显著变小，最高速2.31e+05Pa。从速度云图和压力云图中可以看出弯曲段对气流的影响巨大，如果在设计中可以减小排气弯曲，排气气流就会顺畅很多。6 改进方案6.1 设计方案缺陷分析本次排气系统设计最主要的工作就是排气歧管的设计和制造，由于集合器和消声器是选型购买而来，所以改进余地不大。而在排气歧管的制造过程中还是发现了许多设计问题。比如3、4号歧管弯曲的次数过多导致制造麻烦，而且由于焊接段数多让排气歧管内的焊缝曾多，排

48、气阻力变大，更重要的是在制造的时候由于焊缝过多导致加工精度下降，装配困难。另外与发动机接口处由于凸台加工精度不足，所以让发动机和排气歧管的装配难度又加大了。总的来讲：（1）歧管弯曲多，排气损失大；（2）歧管拼接焊缝太多，加工难度大，精度低，排气阻力大。（3）歧管口和发动机相出凸台加工精度低，装配不方便。6.2 改进方案改进设计方案时，应该寻找造成缺陷的原因。从分析可以看出排气管弯曲太多是造成歧管缺陷最大的原因。而在排气歧管设计阶段就发现排气歧管的弯曲段得多少是和歧管终端在集合器上面如何布置有关的，而弯曲程度最少的方案是图4.10的布置方案。最终没有采用这个方案的原因是最后4号歧管进口和出口的距

49、离太近导致需要弯曲半径很小的预弯管。而在这种弯曲半径很小的预弯管很难买到。所以最佳的办法就是把集合器的位置改变。设计中之所以会让集合器在和发动机这么近的距离，是由于总布置中防火墙和油箱的布置没有给排气系统留下足够的空间。所以要合理设计排气歧管，最好的办法就是在总布置中给排气歧管留下足够的空间，让集合器的位置可以远离发动机给歧管弯曲留下足够的空间，避免过小的弯曲半径出现。这样便可以使用图4.10的布置方案，减少弯曲段得数目，焊缝也就自然少了。加工难度降低、排气阻力减小。另外还可以在集合器中加入导流星形块替代星形片，让气流更加顺畅。如图6.1。图6.1 导流星形块图6.2 导流星形块7 总结和建议

50、7.1 总结本次排气系统设计是一FSAE大赛为背景，以实际制造出一套符合比赛规则，适合比赛车辆，性能优良的排气系统为目的。由于FSAE比赛课赛车排气系统的特殊性，在设计和加工阶段解决了许多从来没有遇见的困难，使用了许多在平时教学和民用车设计中很少见的工艺和方法。本文主要工作是完成了赛车排气系统的参数的设计计算，排气系统的性能分析和排气管的加工制作。（1）根据排气管设计的要求，选择排气管的设计思路，完成排气管关键参数的计算和排气管的布置方案；（2） 使用CATIA软件完成排气系统的三维建模，并导入有限元分析软件Fluent进行排气性能分析。分析结果表明，所设计的排气系统能够满足FSAE赛车的要求

51、；（3）根据所设计的排气管参数，输出工程图纸，完成了排气管的加工制作，并根据加工制作存在的问题，提出了排气管设计的进一步意见。总的来讲，本次工程设计着重考虑了谐振效应和新的工艺在FSAE赛车上的运用，为日后制造排气系统留下的宝贵的经验。7.2 建议如前文所述排气系统的设计最主要的就是让排气系统更加顺畅，而谐振原理的运用最重要的就是计算好合适的排气歧管管径和长度。在确定好这两个最重要的参数后就是尽量减低排气阻力。而根据计算和fluent分析可知排气气流在歧管中遇到最大阻力的便是在弯管处，所以减小弯管是设计很重要的一个方法。而且考虑到加工工艺，减少弯管也是很有好处的。总结设计过程，在减少弯曲方面限

52、制最大的就是留给排气系统的空间不够。而本次赛车的设计过程是先完成了车架设计和加工后才开始排气系统设计，所以限制了排气系统的布置空间。如果在赛车设计初期能够较早考虑排气系统的布置，给予足够的空间就能大大提设计出来的排气系统整体的整体性能和工艺性。参考文献1 刘惟信.汽车设计M.北京:清华大学出版社,2001.2 钱汝鼎.工程流体力学M.北京:北京航空航天大学出版社,1989.3 朱红钧，林元华，谢龙汉.Fluent 12 流体分析及工程仿真M.北京:清华大学出版社,2011.4 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册(设计篇)M.北京:人民交通出版社,2001.5 朱红钧，林元华，谢龙汉. Flu

53、ent 流体分析及工程仿真实用教程M. 北京:人民邮电出版社,2010.6 黄键,林晓辉,严世榕.基于FLUENT的柴油机排气歧管内流场的数值模拟J.福州大学学报,2010，38（1）:81-85.7 Philip H.Smith,John C.Morrison. Scientific design of exhaust&intake systems, M. Ohio: UpperSaddle River,New Jersey Columbus,2004.8 Smith, Carroll.Tune To WinM. Aero Publishers 1978.9 陈家瑞.汽车构造M .北京:人民

54、交通出版社,2005.10 吉林工业大学内燃教研室.内燃机理论与设计上册M.北京:机械工业出版社,1975.11 W.J.D.安南德,G.E.罗埃.内燃机中的气体流动M.北京:中国农业机械出版社,1988.12 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与震动:理论与应用M.北京:北京理工大学出版社,2006.13 顾伯良等译.BOSCH汽车工程手册M.北京: 北京理工大学出版社,2004.14 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册(设计篇)M. 北京:人民交通出版社,2001.译 文第一章基本知识1.1 基本要求作为一辆车的机械部件之一，从制造者的角度来看，排气系统需要满足的基本要求有：能走快速方便的制造；

55、能够与一个车系的的车适用；都够快速安装的车架上与发动机上；和其它部分干涉小，有足够的间隙；发动机室温度低；如果需要能够给进气预热；耐久性好；可以接受的噪音水平；发动机低转速的时候扫气效果好，高转速发动机动力损失小。前面所述没有考虑到要求的要求的优先顺序。有可能对于一个比赛排气系统来说最后一条是最重要的，但是剩余的要求是重要的，一个设计者不能只考虑发动机性能而忽略了其它的要求。当然还有公认的对于一般发动机的重要要求，就是最大的动力。现代发动机中对动力限制最大的就是节气门。一部车大部分的行驶里程是在四分之一到五分之一的负荷下跑出的。最高速度很少使用，只有在空旷的大直路上使用。然而，节气门全开任然有一个需要考录的地方；加速超车，在现在道路越来越堵的情况下更加重要了。现在驾驶车辆是换挡越来越简单了，特别是一些小发动机的转速特征越来越好。比如，在三档50英里每小时得时候节气门全开是很好的超车方法。在这个情况下，额外的动力很难不被感受到，个别感受到是当50英里每小时发动机瞬时动力输出大大好于60或者70英里每小时。1.2 对设计的影响除了需要最大动力和瞬间的反应比如当节气门突然开启