【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ???????????????（ ） 式中： C — 沿徑向的積分常數(shù)。 圖 彎道內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)示意圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 17 由此可見(jiàn)，在彎曲流線(xiàn)主法線(xiàn)方向上，速度隨距曲率中心的距離減少而增加，所以在彎曲管道中，內(nèi)側(cè)速度高，外側(cè)速度低，垂直軸線(xiàn)方向的截面上速度分布梯度較大，能量損失增大， 截面的有效利用率低。因排氣氣管彎曲而引起的壓力損失如公式 ()所述： ?????????????????? ???（ ） 式中： — 氣體密度 ； — 氣體流速 可以看出 增大 曲率半徑 R可以減少因排氣管彎曲造成的壓力損失。 然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中為了考慮到工藝和空間布置，只能在可能的情況下盡量選擇 曲率半徑 大的彎管。 排氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋接口設(shè)計(jì) 發(fā)動(dòng) 機(jī)位置 確定后 ， 因?yàn)榕艢馄绻芘c發(fā)動(dòng)機(jī)的接口位置 為汽缸蓋，在汽缸蓋上已經(jīng)加工好接口， 所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī) 布置確定后歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)接口已經(jīng)確定了， 如圖 。 圖 排氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 18 排氣歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋 是通過(guò)法蘭與螺栓連接，并且用墊圈密封。 如圖 。歧管穿過(guò)中間大孔并且用凸臺(tái)固定，傍邊是螺栓固定孔。而凸臺(tái)是車(chē)床加工出不銹鋼套筒，然后焊接在歧管頭部。 圖 排氣法蘭 圖 排氣歧管接頭和法蘭 集合器 位置選擇 然后根據(jù)整車(chē)的布置選擇一個(gè)合適的 集合器 的位置，并且以這個(gè)位置和歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)連接處做歧管的末端和開(kāi)端。整個(gè)排氣 歧管的設(shè)計(jì)就是以這兩個(gè)位置為基準(zhǔn)的。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 19 首先就要確定從空間布置上來(lái)說(shuō) 集合器 的位置選擇。從側(cè)面看為了留給座椅油箱空間， 集合器 的位置只能在主環(huán)平面之后如圖 。 圖 集合器 位置側(cè)面 從正面來(lái)看為了保證不與發(fā)動(dòng)機(jī)支架和機(jī)油濾清 干涉， 集合器 的位置應(yīng)該放在發(fā)動(dòng)機(jī)支架和發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)與機(jī)油濾清之間 ，如圖 。 圖 集合器 位置正面 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 20 然后根據(jù) 以上兩個(gè)大致位置和排氣歧管要求的長(zhǎng)度進(jìn)行布置，由于從正面看最右側(cè)的排氣管需要避開(kāi)機(jī)濾和發(fā)動(dòng)機(jī)支架，而且離 集合器 最遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱艘屗母艢夤艿乳L(zhǎng)，讓它走直線(xiàn)。這樣一來(lái)這根排氣管的形狀是固定的，只要 集合器 位置確這根排氣管的長(zhǎng)度就是確定的。而排氣歧管要求長(zhǎng)度為 ，再設(shè)計(jì)中就是不斷嘗試 集合器 的位置，來(lái)符合這個(gè)要求。直到最后確定位置 如圖 。 圖 確定集合器位置 排氣歧管管路管路排布方案選擇 當(dāng) 集合器 的位置確定下來(lái)后 就是要建立歧管的模型，然而排氣歧管管路的排布有很多種方法，而且根據(jù)前文描述的的方法， 集合器 位置不是唯一的，可以找到多個(gè)符合要求的位置，這時(shí)候就要從工藝和性能綜合分析在這 些不同位置和不同的歧管管路排布方法組合 下 產(chǎn)生的多種方案 。淘汰明顯不符合要求的方案，減少有限元分析的工作量。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 21 為了讓描述更加精確，現(xiàn)規(guī)定每缸排氣歧管的編號(hào)從賽車(chē)正面看，從右到坐分別為 4管 如圖 。 圖 排氣歧管編號(hào) 然后就是在 集合器 上的排氣管 布置，一 個(gè)叫成功的布置列子如圖。 它的排氣歧管和 集合器 的排布方式如圖 ，它的排布方式見(jiàn)圖 。 圖 排氣歧管 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 22 圖 排氣歧管管口 現(xiàn)在就分析一下每種排布方式的利弊和優(yōu)點(diǎn)。 第一種如圖 ： 圖 排氣歧管管口（ a） 這種排布方 式的確定就是 4管需要避開(kāi) 2管。所以會(huì)有比較多的彎折 。 然而 它 可以避免由于 4管廢氣出口帶靠近廢氣進(jìn)口、導(dǎo)致彎管的中心線(xiàn)半徑太小，在市場(chǎng)上沒(méi)不到如此規(guī)格的預(yù)彎管。這個(gè)布置的三維模型如圖 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 23 圖 排氣歧管 正面 （ a） 圖 排氣歧管側(cè)面（ a） 第二種方案如圖 ： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 24 圖 排氣歧管管口（ b） 這種排布方式的優(yōu)點(diǎn)就是四缸的排氣歧管彎曲都比較少 ， 排氣流暢，然而 3號(hào)管由于廢氣入口與出口太近需要彎曲中心線(xiàn)半徑很小的預(yù)彎管 ，在市場(chǎng)上較難尋找。 它 的三維圖如圖 。 圖 排氣歧管 正面 （ b） 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 25 圖 排氣歧管側(cè)面面（ b） 第三種方案 如圖 ： 圖 （ c） 這種排布方式不是很理想最主要的原因就是 4號(hào)管特別彎曲，制造難度大。三維模型如圖 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 26 圖 排氣歧管（ c） 由于 如果 把 2號(hào)管布置在 集合器 遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè) ，顯然 4管很難布置因?yàn)楹苋菀装l(fā)生干涉。所以這種布置方案沒(méi)有嘗試去做。 從上述分析可以的是第一和第二種方案比較優(yōu)秀，在實(shí)際的工程運(yùn)用中由于市場(chǎng)上找不到合適第二種方案的預(yù)彎管。所以選擇了 第一種 方案。 排氣歧管 工藝 分析 及 制造過(guò)程分析 歧管工藝與材料 傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)工藝為鑄鐵或者球墨鑄鐵鑄造而成（圖 ），這種工藝的優(yōu)點(diǎn)就是使用模具成產(chǎn)，大批量生產(chǎn)成本低，效率高。 它 的缺點(diǎn)也很，大就是排氣管內(nèi)壁粗糙、重量大、小批量生產(chǎn)不方便。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 27 圖 鑄造排氣管 賽車(chē)排氣管多用金屬管彎曲成形、焊接工藝制造。這種工藝的特點(diǎn)便是排氣管重量輕，不利于大量制造 ，但是小批量生產(chǎn)容易。正好符合了 FSAE賽車(chē)對(duì)排氣系統(tǒng)的要求。排氣歧管使用金屬管彎曲成形和焊接工藝的關(guān)鍵就是彎曲質(zhì)量的問(wèn)題。在工程實(shí)踐中 , 對(duì)薄壁鋼管進(jìn)行彎曲時(shí)極易造成彎曲成型的嚴(yán)重變形內(nèi)側(cè)顯著起皺 , 外側(cè)沿彎曲中心明顯壓扁 , 其截面形狀由彎曲前的圓形變成彎曲后的扁平形 , 并且截面積也顯著收縮 ,如圖。這既會(huì)影響使用質(zhì)量 , 又嚴(yán)重影響外觀質(zhì)量 , 而用于賽車(chē)排氣管的彎管 , 管件的等截面積是首位的 ,如果產(chǎn)生了截面積顯著收縮 , 就嚴(yán)重影響了使用的性能。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 28 圖 彎管變形 鋼管彎曲 成型時(shí) , 其外側(cè)受拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生彈、塑性變形伸長(zhǎng) , 由于彎曲的薄壁鋼管相對(duì)拉伸量較大 , 而管件往往剛性較差 , 導(dǎo)致材料在還沒(méi)有充分完成切向塑性延伸時(shí)產(chǎn)生徑向剪切屈服 , 即 , 造成法向塑性位錯(cuò) ( 變形 ) 而呈現(xiàn)宏觀 “ 坍塌 ” , 即產(chǎn)生壓扁現(xiàn)象。內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生塑性壓縮 , 同樣 , 因壓縮量較大及管件剛性不足 ,材料首先產(chǎn)生 材料首先產(chǎn)生彈性失穩(wěn) , 在外力 N作用下沿彎曲圓周方向呈波紋狀 , 造成管件局部區(qū)域承受剪切應(yīng)力的作用 , 隨著 P 力的增加 ,材料產(chǎn)生剪切屈服 , 即 , 從而產(chǎn)生向管內(nèi)起皺的現(xiàn)象 。 這就產(chǎn)生了截面積 的收縮。 針對(duì)產(chǎn)生彎曲截面積收縮的 原因 , 采取下列工藝方法予以解決 :(1) 彎曲成型時(shí) , 在彎曲拉伸邊設(shè)置輔助支承芯棒 2,如圖 所示 , 以平衡剪應(yīng)力 , 消除剪切屈服 , 避免法向塑性位錯(cuò) ( 彎形 ) , 從而解決壓扁問(wèn)題。 (2)在彎曲成型力 P1 作用的同時(shí) , 管件軸向施以拉 伸力 P2和防皺支承3, 由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力應(yīng)不小于由于彎曲成型產(chǎn)生的彎曲壓縮區(qū)的壓應(yīng)力 , 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 29 以平衡壓應(yīng)力 , 消除彈性失穩(wěn) , 避免管件波折 , 從而解決起皺問(wèn)題。解決了這兩個(gè)問(wèn)題 , 管件的截面積收縮就基本上得到了解決 , 本例的關(guān)鍵問(wèn)題也就基本 解決。 圖 彎管模具 運(yùn)用這種芯棒彎管工藝對(duì)設(shè)計(jì)最大的一個(gè)影響便是這種工藝需要用到模具，所以 在實(shí)際的工程運(yùn)用中這種彎管都是事先由專(zhuān)業(yè)工廠(chǎng)以一定的規(guī)格制造完成，銷(xiāo)售給需要使用的客戶(hù)（圖 ）。而選擇這樣的預(yù)彎管就必須知道這些管材的技術(shù)參數(shù)，主要就是：管外徑、管壁厚、中心線(xiàn)半徑、彎曲角度、腿長(zhǎng)。見(jiàn)圖 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 30 圖 預(yù)彎管 圖 彎管規(guī)格參數(shù) 在材料選擇方面市面上有 304 不銹鋼、中碳鋼、鈦合金三種材料選擇，其中鈦合金重量最、輕導(dǎo)熱系數(shù)低是最理想的材料，可惜由 于價(jià)格昂貴焊接工藝特殊所以首先排除。而中 碳鋼雖然是最便宜的但是在重量和導(dǎo)熱方面都不如不銹鋼，所以最后 選擇了不銹鋼預(yù)彎管最為排氣管的材料。 歧管制造過(guò)程分析 排氣歧管制 造的第一個(gè)步驟就是切割管材如圖 。其中使用了專(zhuān)用畫(huà)線(xiàn)工具。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 31 圖 專(zhuān)用畫(huà)線(xiàn)工具 根據(jù)所需的尺寸加工出合適的管材。如圖 圖 管材切割 然后把截好的管材更具設(shè)計(jì)要求組合焊接好，注意首先焊接 在一個(gè)平面內(nèi)的管材，在發(fā)動(dòng)機(jī)上固定好之后在確定好不在一個(gè)平面管材的角度先點(diǎn)焊再滿(mǎn) 焊 如圖 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 32 圖 排氣歧管 歧管焊接完畢后就是把每個(gè)歧管和集合器焊接在一起。先是把歧管裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上固定好 ，定好位置。 使用夾具固定好四個(gè)歧管，如圖 。 圖 排氣歧管（ 1） 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 33 然后把星形片焊接上堵住四根歧管矩形組合后留下的空隙 ，最后把集合器焊接上，歧管算是完成了。 實(shí)際工程圖紙如圖 ： 圖 排氣歧管（ 1） 圖 排氣歧管（ 4） 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 34 集合器設(shè)計(jì)與工藝分析 集合器 由于要和排氣歧管焊接在一起，所以材料選擇必須和歧管一直，以便焊接。在集合器的工藝方案上有兩種選 擇。 第一種就是用整塊板材沖壓彎折后焊接成形，如圖 。 這種工藝的優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格便宜，焊縫只有一條，焊接影響小。缺點(diǎn)就是材料厚度不一，形狀不準(zhǔn)。還有就是在和歧管末端連接的時(shí)候需要把四根歧管矩形組合后留下的空隙用星形片填上（圖 ），以免漏氣。 圖 沖壓彎折成型集合器 圖 星形片 第二種便是焊接成形，如圖 。 這種工藝的優(yōu)點(diǎn)就是整體精度比沖壓成形好，無(wú)需填補(bǔ)星形空間。缺點(diǎn)就是貴，焊縫多，熱影響區(qū)域比較多。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 35 圖 焊接成形集合器 經(jīng)過(guò)分析對(duì)比 較雖然焊接 成形 集合器 整體性能比較好，可是考慮到成本因素最后選擇了沖壓彎折成形的集合器。 消聲器設(shè)計(jì) 根據(jù)消聲器的 原理，目前常見(jiàn)的有三 種消聲器的方案可供選擇。第一種為膨脹箱，在該箱內(nèi)氣體流過(guò)管子中突然擴(kuò)大的官腔；第二種為側(cè)置共振器，它具有單獨(dú)的封閉小室，由小孔或者很短的小管子與排氣管相通；第三種，管子中的收縮部分也起到消聲作用，通俗 說(shuō) 的就是在排氣管中加入了擾流片。但這種消聲器增大了排氣壓力損失，與降低噪聲 相比是得不償失的。 實(shí)際工程 運(yùn)用中多數(shù) 車(chē)倆 是使用三種方法 組合消聲 ，如圖 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 36 圖 普通消聲器 圖 消聲器內(nèi)部構(gòu)造 這種消聲器主要靠膨脹箱和共振器協(xié)同消聲，從圖 隔板分割成了幾個(gè)腔室，當(dāng)廢氣在管道中流過(guò)的時(shí)候會(huì)氣體膨脹，流速降低進(jìn)而降低脈沖，從膨脹腔進(jìn)入下一個(gè)管道的時(shí)候又會(huì)被壓縮，相當(dāng)于受到了阻擾排氣脈動(dòng)又降低了，而