中冷管及其消声器设计开发中的关键点探讨

发表于 讨论求助 2019-10-14 13:04:21

转自:大创汽车技术有限公司

背景

随着对传统内燃机油耗的严格要求,使得车辆小型化和提高功率水平变为主流趋势,全球各OEM普遍采用涡轮增压技术,与自然吸气发动机相比,增压后的气体温度较高,需要进行冷却才能导入发动机进行燃烧,因此导通气体的两段管道应运而生,一段是从涡轮增压器连接到中冷器(后文称为“热端中冷管”),另一段是从中冷器连接到节气门体(后文称为“冷端中冷管”)。冷端管子开发难度相对较低,因此本文重点介绍热端中冷管在开发中的关键点,并据此展开一定程度的讨论,希望对汽车行业内同仁有所帮助。

涡轮增压技术在多年前主要应用在柴油机上,那时候的管道主要以钢管为主,在国内的汽油机初期切换到涡轮增压进气的一段时间内,中冷管材料也是以金属为主,连接段采用橡胶,另外也有采用整段橡胶材料的。随着对整车成本的控制和轻量化程度的强烈需求,以及以塑料和橡胶为基础材料的设计开发能力和工艺水平的提高,目前汽油机上所采用的的中冷管主要以橡胶材料或橡胶+塑料为主。


中冷管的功用及开发中的核心问题

在探讨开发中的核心问题前,我们首先来详细的了解一下中冷管的作用。它主要包括以下几方面:

  1. 导通高压气体从增压器流向节气门体和进气歧管,中间经过对气体降温的中冷器,气体导通过程中需要尽量降低流动阻力,减少气体的湍流。设计过程中尽量减小流动的阻力,较少引起湍流的结构设计。另外增压后气体的温度和压强决定着所选择何种材料。

  2. 在导通的气体中并不完全是洁净的压缩空气,还包含有发动机燃烧中产生的一些“副产品”,比如曲轴箱通风气体(含有机油颗粒、汽油蒸汽、水汽等)、EGR气体(尾气成分)、碳罐脱附燃油蒸汽等,这些成分对选择的中冷管材料是有影响的。

  3. 提供解耦的作用,此处的解耦意为解除发动机和车身之间的相对位移,因为中冷管的一端接在增压器上,随发动机振动或晃动,另一端接在中冷器上,与车身一体,众所周知,发动机与车身是存在相对运动的,尤其是启动的瞬间或颠簸路面,因此中冷管必须要有一定的柔性,另外保证足够的疲劳耐久性。

  4. 具有隔绝或消除增压器产生的噪声。随着国内NVH控制水平的提升,目前整车噪声得到显著抑制,声品质也逐步提高,因此中冷管辐射的噪声类似于退潮后海边的岩石一样容易引人注意,所引起的噪声特性会明显恶化车内的声音品质。

针对以上所提到的功用,我们在开发中冷管的时候需要关注以下几个核心问题:管子材料的选择以及工艺方式管道的连接方式噪声辐射解耦、以及结构强度压降等。


管子材料的选择和工艺方式

材料的选择主要考虑到中冷管工作温度,需要区分热端和冷端,其中热端的工作状况较恶劣,因此是论述的重点。气体经增压器增压后,气体温度升高,根据不同的发动机排量或增压程度,温度也会有些差异,针对乘用车普遍使用的汽油涡轮增压发动机,增压压力与增压后气体温度关系如下图所示,一般情况下中冷管热端的长时工作温度区间设定在150℃以上。中冷管冷端的工作温度一般在50~60℃。

针对以上温度区间,热端塑料材料的选择主要为PA6+GF或PA66+GF,当然也需要考虑到不同材料供应商所生产的材料的物理属性会有差别。冷端塑料材料可以选择PP+GF。

橡胶材料的选择上根据工作温度,热端管子一般选择AEM,ACM,氟橡胶,硅橡胶,或内氟外硅橡胶等材料,冷端管子选择范围更宽,如下图所示。

根据所选择的材料就会产生制造工艺和安装方式的差别,目前比较普遍采用的中冷管材料和工艺方式分为:

(1)塑料硬管加橡胶软管结合的链接方式,这种方式是目前广泛采用的。优点是对加工工艺要求较低,塑料硬管可以采用注塑+焊接的方式,也可以采用吹塑的方式,塑料管与橡胶管的连接采用卡箍。缺点是结构复杂,成本较高。但随着近阶段中冷管辐射噪声的问题,如果需要在中冷管上加消声器,这种方式是比较合适的。

(2)带波纹的3D吹塑管,这种类型的管子采用尼龙材料吹塑成型,为了实现中冷管解耦的作用,在管子上直接吹塑出波纹结构,如下图所示。由于波纹处通常较薄,会降低管子的结构强度,因此有些管子在波纹设计上采用断开式波纹(非整周波纹),在一段波纹上仅考虑一个特定方向的解耦,整个管子结合起来后就实现了三个方向的解耦。

(3)两种材料连续挤出式吹塑管,这种形式的管子是为了提高波纹处的柔性,在吹塑过程中采用两种硬度不同的材料,实现两端较硬,中间波纹段较软的结构。

以上介绍的管子类型中,(1)和(2)是应用较多的,近年来由于NVH问题的突出,大多中冷管需要加消声器,消声器结构一般采用尼龙注塑工艺,因此第(1)种类型应用使得消声器结构的使用更加方便。


管子的连接方式

       目前管子与增压器、管子与中冷器、管子各段之间的连接主要由以下几种方式:快插接头、Henn接头、卡箍和内嵌胶套的卡箍方式。目前常用的为母接头为Henn接头,扩压到橡胶管或塑料管上,对手件为增压器或中冷器连接管;另一种为塑料快插接头,母接头上带有金属卡簧和橡胶圈,与之配合的公接头插入到接头内部;除此之外,最传统的橡胶管加卡箍的连接方式也是广泛采用的,尤其是多段管道连接的时候。

Henn接头与增压器连接,装配方便快捷,并且能够保证足够的可靠性,只不过价格相对较高,而且在开发阶段需要采用专用的扩压设备来安装接头,周期较长。快插接头也是目前欧洲应用较多的方式,母接头为塑料注塑而成,卡簧安装在母接头上,内部有密封圈来保证与公接头的密封,在开发中,需要根据管子的受力情况来合理布置卡簧的位置以及接头的结构,保证塑料母接头的强度,从而保证耐久性。下图即为对母接头进行结构优化的分析案例。

隔套连接的方式主要用于两段管子都为硬管的时候,比如一段为注塑,另一段为吹塑,可以在吹塑接头内部加橡胶衬套,橡胶衬套包裹在较硬的注塑管上,采用卡箍打紧。由于3D吹塑的塑料管相比橡胶管的成本低,如果解耦段采用3D吹塑,另外在管道上需要增加消声器,消声器采用注塑工艺制作,这种连接方式是最经济的。


管道透射和辐射噪声的解决方案

       中冷管与噪声相关的问题主要是管道透射和辐射的噪声,增压器在工作过程中,会产生Hiss声、同步噪声、次同步噪声或BPF噪声,如果中冷管的隔声量不够,这些噪声很容易通过管壁透射出来,由于中冷管属于长管类形状,属于线声源,其总体辐射的声功率较高,有时候如果管子较长,相比增压器作为一个点声源,中冷管辐射的声功率级可能会高出几个分贝,因此其噪声辐射务必引起重视。下图为中冷管辐射噪声的典型特征,主要转速范围为2000RPM附近,为频率较宽的Hiss声,车内感受较明显。

除了Hiss声,中冷管还可能会辐射同步、次同步和BPF,比如下图即为次同步噪声通过中冷管透射和辐射,导致驾驶员耳旁出现非常明显的相关性。对于同步和BPF,与此类似,不再累载。

中冷管辐射噪声的测试最简便的方法是近场测量,一般可在中冷管中部位置,距离管子1cm左右的距离放置麦克风,为了寻找车内相关性,驾驶员耳旁位置可以布置麦克风,从而考虑传递路径上(声学包)在哪些频率可以有效的消除噪声,一般情况下推荐在空滤进气口也放置麦克风,目的是避免相似噪声源的干扰,用于分辨是进气口噪声还是中冷管噪声的贡献,一般情况下,增压器噪声会在低压和高压端同时有类似的表现,要确保低压端的消声效果已经微乎其微的情况下,才好下结论说车内噪声是由中冷管产生的。

目前常用的声音处理方法为管壁包裹和消声器法,管壁包裹一般采用橡胶材料包裹塑料管或钢管,由于温度较高,一般采用氟橡胶或硅橡胶,成本非常高。消声器法是在管子靠近增压器的部位加宽频消声器,首先将噪声消除,避免在管子后端向外透射或辐射,这种方法成本较低,但需要有针对性的进行声学设计,而且在整个开发过程中要根据增压器的噪声特性进行调节。

中冷管消声器在开发中有一个难点,由于管道内部的气体并非常温和一个大气压,声速的计算公式为:c=sqrt(K/ρ),式中ρ为介质的密度;K=dp/(dρ/ρ),称为体积弹性模量,dp、dρ分别为压强和密度的微小变化。对于液体和固体,K和ρ随温度和压强的变化很小,主要是随介质不同而异,所以在同一介质中,声速基本上是一个常数。对于气体,K和ρ随压强和温度的变化很大。因此空气属性导致声音属性也随之发生变化,而且在加速过程中,是一直改变的,如果进行主观评价,车的档位以及驾驶习惯都会对中冷管透射的声音特性产生影响和改变。这种情况通过仿真模拟是很难实现的,而且在进行消声器传递损失试验的时候,也只能在室温常压下进行。大创的经验是在整个开发过程中仿真和试验都是在常温常压下进行,在整车调校时候,根据经验对频率进行修正。

对于管道壁的辐射声主要采用隔声量声功率级的评估方法,具体可参考大创公众号在3月10号发表的文章,管道上增加消声器后,整个管道的隔声量可以通过该方法进行测量。

对于消声器本身的消声能力,可以采用传递损失的方法进行仿真和测量,在设计开发的前期,主要是采用传递损失对消声器本身的消声能力进行仿真,并调节消声器内部的参数从而达到预期的频率和消声幅值,制作样件之后,对消声器的传递损失进行测试并调校,最后在实车上安装并调音。

中冷管消声器调音的流程与进气空滤系统基本类似,如果是同步开发流程,需要在开发的前期设计消声器,一般设定某一频率范围达到某一特定的消声量,如下图所示。建议主机厂在项目定点前设定合理的噪声目标,在系统中考虑消声原件,从而避免在开发的后期发现噪声问题,在项目时间节点匆忙的情况下寻找解决方案,这种做法一般会带来成本的上升,设计更改通常发生在中冷管本身以及周边连接件,比如在前期没有考虑消声器,迫不得已在后期添加,如果没有安装空间,有可能需要协调其他部件去释放空间;或者采用走长管道避让的方式。无论哪种方式都会导致成本上升,另外零部件本身模具的更改也会带来成本的增加。推荐的做法是在设计的前期设定一定程度的消声能力,在开发中进行调校,使消声腔移动到合适的频率上,这其实也正是NVH开发工作的基本原则:前期设计,后期调校。

以下为某一设计开发的案例,下图前面两张Colormap为中冷管近场辐射的噪声,第一张图仅仅是一根橡胶管,第二张为加消声器后的结果,消声器可以有效消除Hiss声,频率范围从1000Hz到4000Hz,在2000RPM附近Overall噪声降低10dB左右。第三张图为原状态车内驾驶员耳旁的噪声,第四张为添加消声器后驾驶员耳旁噪声,从对比可见,该消声器起到了非常好的消声效果。

下图为该样件的传递损失曲线和大致结构,仅供参考。

解耦问题

解耦分析的目的是在设计开发中对两个风险项进行评估:

(1)评估中冷管的耐久性,包括橡胶和塑料材料;

(2)评估中冷管组件间连接区域的力和扭矩,考察是否有松脱的风险。

分析方法主要采用结构力学的方法,基于材料的实验数据,定义橡胶,塑料零件的材料属性。如果管道采用编织增强式橡胶材料,模拟其力学特性是比较困难的,但忽略编织材料会引起较大的误差,需要采用特殊的方法来进行模拟这一材料属性。运动模式上:一端施加固定约束条件,另一端根据发动机与车身之间相对位移的幅度,分别施加x,y,z三个方向的强制位移。考察各个连接区域的支反力和扭矩,以及中冷管上的应力。

下图为计算得到的中冷管在强制位移下的变形状态,通过结构分析来得到固定位置的反力,该反力即为发动机和车身在做相对运动时候作用到管口的向下拔脱的里,该反力应该被视为交边往复的作用力,每次的作用力可能不高,但是如果反力较大,多次循环之后很有可能脱落。

橡胶管或塑料上的波纹部分都可以起到解耦的作用,对于单独一段橡胶管解耦,在管子排除轴线方向上的另外两个方向,由于橡胶的柔性,解耦是比较容易的,但是要考虑到在管道轴线方向上是否有足够的解耦长度,为了实现这一目的,一般橡胶管要做成S型或L型,下图为一示例。

其他

除了以上所阐述的核心问题之外,中冷管开发中也要考虑到以下问题:

  1. 减小管路压降,在管路走向上尽量避免急转弯(转弯半径较小),另外避免管径的突变,设计上运用CFD仿真的方法可以对此进行优化。

  2. 尽量缩短管子长度和直径,因为越长越粗的管子容纳的空气就越多,在增压器工作后提供增压压力的短暂时间内,高压气体首先要填充管子,可想而知又长又粗的管子就会导致发动机的响应时间加长。

  3. 如果采用塑料加橡胶的组合管路,尽量缩短橡胶管的长度,多采用塑料管,原因主要是橡胶材料一般需要较厚的壁厚才能达到足够的耐压效果,耐高温的橡胶的价格高于一般的尼龙材料,这样做可以降低成本,当然前提是需要经过合理的优化,保证足够的解耦能力。

  4. 管子支架的耐久性,对于塑料管上增加消声器的结构,一般在消声器上会增加支架,或者靠近消声器的部位,我们可以把消声器看做是一个大质量,因此支架的是否有足够的强度保证耐久就很关键,这可以通过塑料件耐久分析的方法来评估。除此之外要避免消声器作为大质量,支架类似于弹簧,单质量弹簧系统会有明显的共振特性,这个共振频率是个关键特性,如果该支架是车身安装,很有可能会引起车身共振,进而导致车内出现单频的轰鸣声。

  5. 消声器或管子的强度问题,由于消声器在设计过程中需要避让周边其他零部件,为了保证足够的消声容积,有可能需要做随形,但有可能会带来风险,由于消声器要承受内部的高温高压,我们可以将其视为压力容积,压力容积设计准则是尽量向外突出,不要内凹,这是其一。其实是焊接问题,由于尼龙加玻纤材料焊接部位的机械强度远低于其他注塑部位,因此焊接的质量是保证结构强度的关键,这方面作者并不专业,但大创有资深设计开发工程师和标准的设计方法,可以确保焊接质量以及合理控制焊接杂质的产生。

  6. 以上这些问题要么在开发中遇到过或分析过,要么主机厂的朋友曾经向大创咨询过,列出来仅供参考,防患未然。


总结

中冷管和消声器的开发过程主要包含以下几个核心开发步骤:

  1. 在同步开发的前期根据边界数据来创建管子的走向,并布置谐振腔,主要以定位置,设计大概的容积为主,并在此阶段考虑到解耦的问题,定义橡胶管的长度和走向;

  2. 根据整车噪声情况,设定消声器的消声目标,在此阶段如果能够采用标准消声器进行试验是最佳的,可以探测由于温度作用所引起的频率偏移,从而能够定义消声的频率范围;

  3. 进行消声器的传递损失仿真,准确定义谐振腔的大小和参数;

  4. 制作快速样件(包括管子和消声器),通过传递损失试验来调校消声器的消声特性;

  5. 整车噪声测试和调音,修正温度和压力对声音的影响,另外尽量覆盖较多的驾驶工况;

  6. 解耦分析和优化,管道走向确认,如果有塑料部分要对结构应力水平进行优化;

  7. 产品工程化,考虑生产方式、工艺、装配等。

  8. 除此之外其他与产品相关的开发和验证工作也是必不可少的,根据每个主机厂的SOR要求会有所不同,这里不再累述。


中冷管在目前整车上已经绝非一根通气的管子,如果您还停留在这个认知阶段,那您在技术发展的道路上似乎已经跑丢了,目前塑料化已经淘汰了金属管,而下一个阶段将是以消声和轻量化为趋势的技术转变,并与成本控制相辅相成。一个看似普通的管路,里面居然包含着如此广泛的技术关注点,这些正是汽车零部件行业的技术核心,也是最让有激情的汽车人趋之若鹜的。本文是一篇科普性质的文章,具体的开发方法和细节未展开讨论,仅仅希望起到抛砖引玉的作用,能够对行业内的朋友有所帮助。


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