（机械设计及理论专业论文）s尾气净化器金属载体的成形研究.pdf

摘要 摘要i itr li ti ii lli t l li riii y 18 8 9 4 3 9 三元催化转化器在汽车尾气净化方面有着广泛的应用前景，催化转化器载体可分为 金属蜂窝载体与陶瓷蜂窝载体。金属蜂窝载体相对与陶瓷蜂窝载体有着诸多方面的优 点，如开口率大，比表面积大等。但是目前金属蜂窝载体的制造工艺复杂以及成本较高， 使得金属蜂窝载体的应用受到很大的限制。 s 型是金属载体的一种基本结构形式，本文通过对s 型金属蜂窝载体的成形方法及 制造工艺进行了研究，详尽推导其结构参数方程，比如开口率，比表面积以及s 型曲线 等；提出了s 型金属载体的成形方法，建立了内芯叠片在卷制过程中的受力模型。中心 孔大小与端面平整度是金属载体的两个重要参数，并从理论上分析其影响因素：中心孔 的大小随着两根卷制芯轴的跨距减小而减小，随着内芯叠片的厚度减小而减小，随着卷 制芯轴的直径减小而减小；端面平整度随着载体内芯长度减小而减小，随着卷制芯轴的 直径的增大而增大。本文还提出了一种s 型金属蜂窝载体的制造工艺，开发了一套s 型 金属蜂窝载体的自动卷制机，使得s 型金属蜂窝载体的制造实现自动化，大大提高了生 产效率。 根据压力变形实验，得出不同规格载体内芯叠片的压力与变形的特性曲线。最后 根据自行设计的卷制机进行实验分析得出不同规格金属载体的卷制参数以及最佳的实 际材料长度与理论长度之比。 关键词：s 型金属蜂窝载体中心孔大小端面平整度自动卷制机 a u t o m a t i cc o i l i n gm a c h i n e ，w ec a na q u i r et h ec o i l i n gp a r a m e t e ro fs e v e r a lm e t a l l i cs u b s t r a t e s a n dt h eo p t i m a lr a t i ob e t w e e na c t u a ll e n g t ha n dt h e o r e t i c a ll e n g t ho ft h em a t e r i a li sa l s o d e t e r m i n e d k e y w o r d s ：s - t y p em e t a l l i ch o n e y c o m bs u b s t r a t e s ，t h es i z eo f c e n t r a lc e l l ，t h ef l a t n e s so f t h e e n d ，a u t o m a t i c a lc o i l i n gm a c h i n e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题提出的背景一l 1 2 金属载体的发展及国内外成形技术。2 1 2 1 金属载体的发展状况2 1 2 2 国内外成形技术3 1 3s 型金属蜂窝载体的特性与应用前景5 1 4 课题研究的目的和内容5 第二章s 型金属蜂窝载体的参数及结构7 2 1 引言7 2 2s 型金属载体的主要参数7 2 3 边界层曲线方程1 1 2 4 中性层曲线方程1 2 2 5 金属蜂窝载体的要求1 3 2 6 本章小结1 4 第三章s 型金属载体成形的理论分析1 5 3 1 引言15 3 2s 型金属载体的成形原理l5 3 3 卷制成形时内芯叠片的受力分析1 6 3 3 1 弯曲过程中内芯叠片的受力分析一1 6 3 3 2 弯曲变形过程1 7 3 3 3 折弯力的计算1 9 3 4 卷制芯轴受力分析2 0 3 5 理论中心孔大小及其影响因素2 1 3 6 端面平整度及其影响因素2 5 3 6 本章小结2 7 第四章s 型金属载体的制造工艺研究2 9 4 1 引言2 9 4 2 生产工艺及技术路线2 9 4 3 工艺计算分析3l 4 4 自动卷制机的设计3 3 4 4 1 自动卷制机的设计参数3 3 4 4 2 自动卷制机的布局3 3 4 4 3 卷制组件设计3 5 目录 4 4 4 成形组件设计3 7 4 4 5 推装机构设计3 8 4 4 6 气动回路设计3 8 4 。5 本章小结3 9 第五章实验分析与研究4 1 5 1 引言4 1 5 2 内芯叠片材料特性分析4 l 5 3 金属载体的卷制参数分析4 4 5 3 内芯中心孔大小的控制4 6 5 4 卷制制品缺陷分析5 0 5 4 1 中心孔过大5 0 5 4 2 内芯端面不平5l 5 4 3 金属载体的内芯孔道不平直。5 1 5 5 本章小结：51 第六章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 4 致谢5 5 参考文献5 7 附录：计算和实验数据6 l 作者在攻读硕士学位期间发表的论文7 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 随着我国汽车和摩托车行业的迅猛增加，车辆尾气是继工业废气污染和燃煤之后的 又一严重大气污染，同时也是造成光化学烟雾和臭氧层空洞的最重要污染源。为了满足 越来越严格的排放标准，从而，对尾气催化净化器的研制便提上议事日程。在汽车尾气 净化器中，催化剂载体是人们的研究热点之一。汽车尾气的主要有害成份包括：c o 、 碳氢化合物( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 等【l 】，严重污染了环境，损害了人体健康。采用催 化转化器可以有效的控制汽车排放污染，它的作用就是利用转化器上的贵金属或钙钛矿 型稀土等作催化剂，使c o ，h c ，n o x 、0 2 各气体间相互之间发生氧化与还原的化学反 应，生成n 2 ，c 0 2 ，h 2 0 等无害气体1 1 1 。其反应如下： ( 1 ) 氧化反应：2 c o + 0 2 2 c 0 2 2 h 2 + 0 2 - 2 h 2 0 4 h c + 0 2 一4 c 0 2 + 2 h 2 0 ( 2 ) 还原反应：c o + 2 n o 一2 c 0 2 + n 2 2 h c + 4 n o 2 c 0 2 + 2 n 2 + h 2 4 h 2 + 2n o 一2 h 2 0 + n 2 ( 3 ) 水蒸气重整反应：2 h c + 2 h 2 0 一2 c o + 3 h 2 ( 4 ) 水煤气变换反应：c o + h 2 0 一c 0 2 + i - 1 2 表1 - 1 欧洲尾气排放标准 t a b 1 1e u r o p e a ne x h a u s te m is s i o ns t a n d a r t s 标准等级开始实施日期c oh cn o xh c + n o xp m 柴油 e u r o11 9 9 2 年7 月 2 7 2 ( 3 1 6 )0 9 7 ( 1 1 3 )0 1 4 ( 0 1 8 ) e u r 0 21 9 9 6 年1 月 10 7 0 0 8 e u r o32 0 0 0 年1 月 0 6 40 5o 5 6o 0 5 e u r 0 42 0 0 5 年1 月0 50 2 5o 30 0 2 5 e u r o52 0 0 9 年9 月0 50 1 80 2 30 0 0 5 e u r o62 0 1 4 年9 月o 50 0 80 1 70 0 0 5 汽油 e u r ol1 9 9 2 年7 月 2 7 2 ( 3 1 6 )0 9 7 ( 1 1 3 ) e u r 0 21 9 9 6 年1 月2 2 0 5 e u r o32 0 0 0 年1 月2 30 2o 1 5 e u r o42 0 0 5 年1 月lo 10 0 8 e l i f o52 0 0 9 年9 月10 10 0 60 0 0 5 * * e u r o6 2 0 1 4 年9 月1 0 1 0 0 6 0 0 0 5 * * 注：( 1 ) 在欧洲五号标准( e u r o5 ) 以前，重于2 5 0 0 公斤的轿车被归类为轻型商用车辆 ( 1 i g h tc o m m e r c i a lv e h i c l e ) n 1 一l ；( 2 ) 宰幸仅适用于使用直喷发动机的车辆； ( 3 ) 括号内的数字为生产一致性( c o n f o r m i t yo f p r o d u c t i o n ；c o p ) 排放限值。 瓷载体，金属金属载体有着壁薄、开口率高、低的比热容、热导率高等优点。它可以降 江南大学硕士学位论文 低汽车排气阻力，改善发动机的动力性能，提高尾气净化效率( 尤其是汽车冷启动时， 由于金属载体低的热容量有利于催化转化器尽早起活) ，同时还能延长尾气净化器的使 用寿命。利用金属的导电性，采用电加热金属蜂窝载体，催化剂能在3 0 s 内达到起燃温 度( 3 5 0 。) 。表1 2 是金属蜂窝载体与陶瓷蜂窝载体的比较数据。从表中可以看出，金 属载体的壁厚不到陶瓷载体的3 0 ，开孔率比陶瓷载体提高近1 3 。比表面积明显高于 陶瓷载体，比热容低于陶瓷载体，更有利于催化剂尽早起活。 表卜2 金属蜂窝载体与陶瓷蜂窝载体的物理参数对比 t a b 1 2p h y s i c a lp a r a m e t e r sc a p a r i s o no fm e t a l l i ch o n e y c o m bs u b s t r a t e s a n dc e r a m i ch o n e y c o m bs u b s t r a t e s 3 0 】 参数金属蜂窝载体陶瓷蜂窝载体 目数( c p s i ) 5 0 6 0 01 0 0 4 0 0 壁厚( m m ) 0 0 6 - 0 0 90 1 5 0 2 开口率( ) 9 0 6 - 9 1 66 7 1 7 6 比表面积( s qm c ud i n ) 3 2 3 62 4 2 7 9 载体重量( r d c ud i n ) 6 2 0 6 9 05 5 0 6 9 0 比热容( k j k gk ) 0 51 0 5 热导率( w m k ) 2 0 1 4 1 o 载体材料密度( k g c ud m ) 7 32 5 2 7 每m 3 载体从o c 力n 热剑1 0 0 0 。c 所需热量( x1 0 3 k j ) 3 l6 3 随着国家对汽车排放标准的提高，将会有更多的金属载体被采用。由于目前的金属 载体成形方法比陶瓷蜂窝载体的成形要复杂的多，并且成本也很高。因此，对金属载体 的生产工艺和成形方法进行研究就显得尤为重要。研制出金属载体的新型成形装置，使 得生产过程实现自动化，并且成形过程合理、简单、经济，这对金属载体的发展和应用 有着很好的促进作用。 1 2 金属载体的发展及国内外成形技术 1 2 1 金属载体的发展状况 金属载体早期出现在2 0 世纪6 0 年代，至今已经历了四个发展阶段，其产品技术也 日臻完善。如图1 1 所示。 ( 1 ) 第一代金属载体( 螺旋状) 螺旋状金属载体是由光滑金属箔和波纹状金属箔螺旋卷绕而成的蜂窝式结构。由于 当时的技术水平不能妥善解决其金属箔与金属箔及金属箔与外壳之间的紧固问题，所以 最初的金属载体未能通过耐久性试验。其后，人们还尝试着加装十字架和固定销等一系 列加强措施，但其耐久性仍不尽如人意【4 】【5 】【3 0 1 。 ( 2 ) 第二代金属载体( 螺旋状) 第二代金属载体( 产生于1 9 7 8 年) 在第一代载体螺旋状结构的基础之上采用了高 温焊接工艺，从而解决了芯体的固定问题，实现了金属箔与金属箔及金属箔与外壳之间 接触点的牢固焊接。但是，第二代载体在试验及实际应用中出现了金属蠕变疲劳现象， 2 第一章绪论 从而大大降低了载体的耐久性【4 1 【5 1 1 3 0 1 。 ( 3 ) 第三代金属载体( s 型) 第三代金属载体采用了s 型结构，成功地解决了金属蠕变疲劳问题，其机械耐久性 远大于螺旋型金属载体【4 】【5 11 3 0 。 ( 4 ) 第四代金属载体( s m 型) 为了达到高负荷应用条件的要求，基于s 型载体的第四代s m 型金属载体( 产生于 1 9 9 1 年) 应运而生。s m 型载体具有无可比拟的机械耐久性，可以应用于温度高于9 0 0 和加速度大于8 0 9 的工况，从而在摩托车甚至赛车中开拓了新的应用领域嗍【5 】【1 6 】【3 0 】。 编沁 燃缈 ( f ) 【 图1 - 1 金属载体的结构形式 ( a ) 带十字架螺旋型金属载体( b ) 螺旋型金属载体 ( c ) s 型金属载体( d ) s m 型金属载体 f i g 1 1s t r u c t u r a lf o r mo fm e t a l1i eh o n e y c o m bs u b s t r a t e ( a ) s p i r a im e t a l l i cs u b s t r a t e sw i t he r o s s ( b ) s p i r a im e t a l l i cs u b s t r a t e s ( c ) s t y p em e t a l l i cs u b s t r a t e s ( d ) s m - t y p em e t a l l i cs u b s t r a t e s 1 2 2 国内外成形技术 目前国内从事金属载体生产和工艺设备开发的单位有：上海金昌公司、山西利民机 械厂、武汉新中公司、桂林利凯特公司、温州亿达公司和西安中机环保公司等，这几家 生产商的年产量达到6 0 万件以上，金属载体主要供应国内的几家汽车和摩托车尾气净 化器催化剂制造商，如桂林利凯特公司、力扬公司等。它们生产所用不锈钢薄带主要是购 买s a n d v i k 等公司产品，国内也已经能够提供这种不锈钢薄带1 2 】【3 】。 国外汽车尾气净化催化剂的金属载体己在大批量制造，采用薄带型金属蜂窝载体， 主要是将铁系不锈钢薄带加工成各种波纹形，交替放置波纹带与平带，并卷绕成圆柱状 或加工成其他形状，经过特殊的焊接加工处理后，就可得到金属蜂窝载体的成品。主要生 产公司有：e m i t e c 公司、k c m i r a 公司和新日铁公司等。这几家生产商的年产量达到1 0 0 0 3 江南大学硕士学位论文 万件以上，它们的金属载体主要供应世界各地的汽车排气净化催化剂制造商，如：j o h n s o n m a t t h e y 公司、得尔富公司、e n g e l h a r d 公司、丰田、铃木、本田、雅马哈和德固萨公 司等。e m i t e c 和k e m i r a 公司生产所用不锈钢薄带主要是由s a n d v i k 等公司专门制造【2 】 f 3 】 o ( 1 ) 国内成形技术 1 9 9 7 年梅德茂首次提出了金属蜂窝芯体的数控加工技术【6 j 。 2 0 0 0 年徐成林、张克金等人发明了一种新型的金属载体，它由衬带、波纹带和外壳 组成，其特征为：衬带为丝网结构，丝网衬带与波纹带叠放在一起，卷制成芯体结构， 外壳套在芯体外。当废气通过网带作衬带的金属载体时可以形成明显的紊流，增加了废 气与载体上催化剂的接触机会、接触时间和接触面积，提高了后处理器的净化效率。由 于用网带作衬带减轻了金属载体的重量，降低了后处理器的制造成本【7 1 。 2 0 0 0 年何洪、郭凯发明了一种三元催化转化器电加热装置，可以解决汽车冷启动的 污染控制问题，结构紧凑，通电后快速加温，效率高，延时开关自动控制加热的时间， 使用安装方便【8 j 。 2 0 0 2 年冯志君、张红贞、胡利凯和晋文在他们的专利中提出一种新型的载体，它的 芯体是由带纵向小波纹的波纹板和带小孔的特种不锈钢平板重叠卷制而成。其优点是提 高转化率【9 l 。 2 0 0 4 年陈勇军、史庆南和左孝青提出了一种金属蜂窝载体的低成本制造工艺，即“多 孔金属蜂窝载体增塑挤压工艺。并且研究了载体材料与粘接剂的配方，载体模具设计 以及增塑挤压工艺成形及其影响因素的探讨i l 0 。 ( 2 ) 国外成形技术 德国依米泰克( e m i t e c ) 公司推出一种横向凹脊结构( t s 结构) ，t s 结构是由平板 和波纹板经过横向二次冲压处理成形的横脊结构。由于t s 载体的横脊结构干扰了层流 的形成，增加了通道内废气气流的紊流成份，即相应提高了废气与管道内表面山的催化 剂涂层的接触面积和接触时间。试验表明t s 结构载体比普通载体高出1 0 的转化率【l l 】 【1 4 1 【l8 】 1 9 】。 德国依米泰克( e m i t e c ) 公司开发了一种l s 结构金属载体，l s 结构载体的突出特 点是增加了纵向次级流道，相当于在原有载体上增加孔目数，从而提高了流道内的物质 传递系数及催化器转化效率f l l 】f 1 3 】【1 4 】【1 7 】【1 8 】【1 9 1 。 电加热型金属载体催化转化器( e h c ) 能够显著提高发动机冷启动工况下的废气转 化效率，进而被誉为1 9 9 8 年以来催化转化器领域最伟大的技术创新之一。 m a e y a m a ( 1 9 8 8 ) ，h i r o h a s h i ( 1 9 8 8 ) ，a e o ( 1 9 8 8 ) 和s u y a m a ( 1 9 8 5 ) 在他们的专 利中都曾提到用不锈钢带在滚齿机上压成等边三角形波纹板，再在它的上面铺一层相同 宽度的不锈钢带，卷制成所需的金属载体芯体。 l i d a ( 1 9 9 3 ) 2 0 1 和o k a b e ( 1 9 9 5 ) 1 2 1 在他们的专利中都提出把铁素体不锈钢带加工 成波纹状，交替放置平板和波纹板，再绕成圆柱状，从而制成金属蜂窝载体。 2 0 0 7 年日本益子清二在他的专利中提出一种新型的金属载体及其制造方法，特点是 4 第一章绪论 在金属载体的卷起终端处没有台阶且即使把金属载体压入外壳中也不会产生小室形状 的局部变形暇j 。 1 3s 型金属蜂窝载体的特性与应用前景 金属载体由芯体，涂层和外壳组成。芯体主要是通过交替叠合的平板和波纹板卷制 而成。平板和波纹板的材料主要有f e c r - a i ，n i c r 和f e m o w 等三类合金，外壳的材 料大多为奥氏体不锈钢【3 1 】【3 2 】。涂层催化剂的种类有普通金属催化剂、a b 0 3 型稀土复合 氧化物催化剂和铂族贵金属催化剂f 3 3 1 。金属载体的物理参数包括壁厚，目数，开口率， 几何表面面积，比热和热导率等，其参数值如表1 2 所示。金属载体具有很好的耐冲击 性能和机械性能、导热性好、热容小、金属载体与金属外壳之间的匹配性能好及抗震能 力较强等优点，2 0 世纪7 0 年代末德国的m e r c e d e s - - b e n z 汽车公司在其高级轿车上安装 了金属载体催化净化器以减少冷启动时废气排放。金属蜂窝载体的主要特点有： ( 1 ) 几何表面积更大，金属蜂窝结构中的网眼壁厚可比陶瓷材料少1 3 ( 薄至 o 0 4 m m ) ，相同体积时比陶瓷蜂窝载体几何表面积大4 0 ，重量轻4 5 ，这可以在获得 同样净化效率的同时使催化剂体积减少，净化器质量更轻，节约活性组分的用量【2 3 】【2 9 1 。 ( 2 ) 耐振动性强，金属的强度高，耐振动性强，便于使用，形状、安装位置的随 意性好j 。 ( 3 ) 起燃更快速，金属材料具有优良的导热性，热容小，能确保催化剂的快速启 动，在某些净化器上可采用电加热技术，起活性更好【2 3 】f 2 9 】。 ( 4 ) 生产工艺复杂，成形较为困难，成本较高。金属载体的价格比陶瓷载体高约 5 0 ，这在一定程度上限制了它的推广应用【2 3 】。 1 4 课题研究的目的和内容 本文主要对s 型金属载体的成形机理及工艺进行研究，并进行实验分析与研究。其 具体研究内容分为以下几点： ( 1 ) 分析金属载体的结构形式，计算其各个参数( 壁厚，目数，开口率，几何表面 面积等) 及内在联系，并且推导s 型金属载体的边界层曲线方程和中性层曲线方程，为 成形方法提供理论依据。 ( 2 ) 提出成形的理论依据，中心孔大小与端面平整度是金属载体成形中最重要质 量。分析理论中心孔的影响因素，以及端面平整度的影响因素。 ( 3 ) 对金属载体的制造工艺进行研究，提出可行的制造工艺。并提出金属载体的 成形方法，并利用p r o e 对成形装置进行结构设计。 ( 4 ) 实验分析包括不同规格载体内芯叠片的材料特性( 压力与变形关系) ；不同规 格金属载体的卷制参数确定；内芯中心孔大小与内芯叠片长度的关系；以及内芯叠片的 实际长度与理论长度的最佳比值的确定。 5 江南大学硕士学位论文 6 第二章s 型金属蜂窝载体的参数及结构 第二章s 型金属蜂窝载体的参数及结构 2 1 引言 应用于汽车尾气净化器金属载体相比陶瓷载体有着诸多方面的优势，主要体现在其 壁厚、开口率、比表面积、背压和比热容等方面。s 型是金属载体的一种结构形式，相 对螺旋结构有着较强的机械耐久性。在不久的将来s 型金属载体势必会取代螺旋结构的 载体，成为金属载体的基本结构。目前国内对金属载体的研究尚处于起步阶段，汽车尾 气净化器普遍使用螺旋式金属载体，在国外螺旋式载体早已被s 型结构所取代。本章主 要讨论s 型金属载体的性能参数及其优点，并且着重研究其结构特点。 2 2s 型金属载体的主要参数 s 型金属蜂窝载体由内芯和外壳组成，如图2 1 所示。内芯的制作方式一般为：首 先将数层平板和波纹板依次叠加在一起，其次，将叠合体放置于两根卷制芯轴的中间， 再其次，通过成形装置将其卷制成圆形载体，最后将内芯推装到载体的外壳之中。本节 将就金属载体的主要结构参数目数、壁厚、开口率、比表面积等展开研究，推导出相关 公式，其参数表如表2 1 所示。 外壳 内芯 图2 - 1 金属蜂窝载体的结构 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fm e t a l l i ch o n e y c o m bs u b s t r a t e s 表2 - 1 金属蜂窝载体的结构参数 t a b 2 - 1s t r u c t u r a lp a r a m e t e ro fm e t a l l i ch o n e y c o m bs u b s t r a t e s 参数符号参数意义参数符号参数意义 盛 载体的内芯直径 办 叠加以后半极和波纹椒的总厚厦 啊 平板厚度( 壁厚) 彳波纹板幅值 红 波纹极高度 ， 波纹板的一个周期的弧长 甩l 平板层数 三 叠加以后的平板和波纹板长度 玎2 波纹板层数 s 内芯的横截面积 丁 波纹板的波长 矽 开口率 p 金属载体的长度 矽 比表面积 口 目数 ( 1 ) 机械耐久性 尾气净化器用金属载体在使用时承受着发动机尾气的高温冲刷，由于其较薄的金属 平板和波纹板与较厚的外壳之间的热膨胀系数有一定的差异，从而就产生了较高的热负 7 江南大学硕士学位论文 荷和机械负荷。此外，发动机的振动及尾气的冲击也显著的增加了金属载体的机械负荷。 所以为了保证载体内芯与外壳的牢固连接，其连接结构不仅需要一定的强度，还必须具 备一定的韧性，以免会产生金属蠕变。为了提高金属载体的耐久性，全球领先的尾气净 化器金属载体生产厂家依米泰克公司开发了s 型金属蜂窝载体。 假设一个直径为9 0 m m 的金属载体的中心部位比外壳部位温度高出2 5 0 。，利用有 限元模拟算法f e s ( f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ) 分析螺旋状金属载体和s 型金属载体的 结果表明：虽然该温度差导致这两种结构的载体发生的变形均为0 0 7 3 m m ，但是区别在 于，螺旋状的金属载体的最外层平板和波纹板承受了全部变形张力，而s 型金属载体将 变形扭转全部传向内芯的中心部位，从而降低了内芯的局部张力( 如图2 2 所示) 1 4 1 5 j 。 由于这种原因，从而导致了，螺旋状金属载体的内芯与外壳容易脱落。大量的实验也表 明s 型金属载体的机械耐久性明显高于螺旋状金属载体t 4 1 t 5 。 图2 - 2s 型金属载体受热变形示意图 ( 2 ) 背压 背压是指发动机排气的阻力压力，它是衡量催化转化器性能的重要参数之一，降低 催化转化器的背压有利于改善发动机的性能。背压主要由催化转化器的净开口率决定。 净开口率主要由载体的壁厚和涂层的厚度决定。假设金属载体与陶瓷蜂窝载体的涂层厚 度相等，那么载体的壁厚就决定着催化转化器的背压的大小。载体的壁厚越大，废气通 过催化转化器的背压越大，这会降低发动机的动力；壁厚越小，废气通过催化转化器的 背压越小，会增加发动机的动力。从表1 1 中可以看出，金属载体的壁厚远远小于陶瓷 载体的壁厚，因此，废气通过金属载体的背压要远远小于陶瓷载体的背压。图分别为4 0 0 目的陶瓷载体与金属载体端面背压分布情况。从图中可以看出陶瓷载体端面压力整体压 力值较大且分布较均匀，因而其端面平均压力较大；金属载体端面压力整体压力值较小， 小压力值占很大比重，大压力值点较少，因而其端面平均压力较小1 4 1 引。 8 第二章s 型金属蜂窝载体的参数及结构 f i g 2 - 4b a c kp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n f o rc e r a m i cs u b s t r a t e so f 4 0 0c p si 目数是指载体内芯断面上每平方英寸上所具有的孔数，是载体的结构参数之一，其 单位为c p s i ，即( c e l l sp e rs q u a r ei n c h ) ，它与格c m 2 的换算如下：i c p s i = o 1 5 5 格c m 2 。 为适应不同的排放要求，金属载体的规格也比较多。不同规格载体的使用的内芯材料也 有所不同。表2 2 所示为不同规格金属载体所采用的平板、波纹板以及焊带的规格。 表2 - 2 不同目数的金属载体所使用的平板、波纹板和焊带情况 t a b 2 - 2f l a ts h e e t c o r r u g a t e ds h e e ta n dw e i db e l tu s e di n m e t a l l i cs u b s t r a t e so fd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n s 序号 规格c p s i波纹板高度m m波长m m平板厚度m m焊带厚度m m 11 0 0 2 4 5 2 8 0 0 9 o 0 3 22 0 01 7 3 7 5 o 0 9o 0 3 33 0 01 43 0 80 0 6o 0 3 44 0 0 1 2 2 6o 0 60 0 3 下面来推导目数的计算公式，图2 3 为平板、波纹板叠合示意图。从示意图中易见 在虚线框内，载体所具有的孔数为2 ，再计算出虚线框所占的面积： s = t ( h l + 呜) 再根据载体目数的定义，计算出载体的目数： 2 口= 一 t ( h l + h 2 ) 一i i 一、 c 、 t 、 ：广 、 、n 、 图2 - 3 平板、波纹板叠合示意图 f i g 2 - 3s u m m a ti o ns c h e m ef o rf l a ts h e e ta n dc o r r u g a t e ds h e e t ( 4 ) 比热容 9 ( 2 - 1 ) 江南大学硕士学位论文 比热容是指单位质量的某种物质温度升高1 所吸收的热量( 或降低1 所释放的 热量) 。表2 1 所示，金属载体的比热容远远小于陶瓷载体的比热容。因此，在发动机 冷启动阶段，金属载体能够较陶瓷载体载体迅速升温，使得涂层催化剂尽早起活，提高 了尾气净化效率。 一 ( 5 ) 开口率 开口率是指单位面积上的孔表面积，理论上讲，开口率越大，可以提高发动机的动 力性能。但是往往为了提高尾气净化效果，使得尾气与载体叠片的接触面积增大，采用 较大目数的载体，从而导致载体的开口率降低。下面就来着重推导金属载体的开口率计 算公式。 叠加在一起平板和波纹板总的厚度： h = 胛( j 2 l + 红) 波纹板幅值： 彳：丝( 2 3 ) 2 内芯的横截面积： s ：堕( 2 4 ) 4 叠加以后的平板和波纹板长度： 三： 兰堑 ( 2 5 ) 4 n ( 鼍+ 吃) 波纹板的方程为： y ：a s i n 丝x ( 2 6 ) 2 波纹板的一个周期的长度： z = 筘乒2 砌2 矶毋c 等，出 浯7 ， 将式2 - 7 变换成： k 2 4 t 2 + 4 n - 2 a 2 ； i = 一 万 令y = 争斗习赚少。，匀 令后= 丽2 a t r ，e ( 后面两y ，则： ，：2x匦t2+472a2e ( 七) 上式公式可根据第二类完全椭圆积分计算。 开口率计算公式为： l o ( 和( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 第二章s 型金属蜂窝载体的参数及结构 矽：1 一垒! 三垒( 2 1 0 ) 丁( + 吃) 将式2 1 0 变换成： ：坠 ( 2 11 ) 7 z ( 啊+ 坞) 一 从式2 - 1 l 中，易见：如果在其它参数( 丁，红，) 不变时，开口率随着壁厚扛的增大 而减小。 ( 6 ) 比表面积 比表面积是指单位体积上载体内芯所具有的表面积，它是衡量金属蜂窝载体的净化 效果的重要参数。比表面是指单位体积载体的表面积。比表面积越大，废气与载体的接 触面积越大，废气的净化效果越好；反之，废气的净化效果越差。 比表面积的计算公式为： 矽：堕婴( 2 1 2 ) 2矽= 二l z 一 7 t ( h l + h 2 ) 表2 3 所示为1 0 0 目，2 0 0 目，3 0 0 目和4 0 0 目等四种规格金属载体的开口率和比 表面积计算值。 表2 - 3 开i ：3 率和比表面积计算结果 t a b 2 3t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l tf o ro p e n i n gg a t ea n dr e l a t i v es u r f a c er a t i o 规格 波纹板平板厚一个周期比表 e p s i 波高m m波长m m波长波高 度m mk查表e弧长l开口率面积 l o o2 4 0 5 2 82 2 00 0 9o 8 2 1 2 87 4 8o 9 l1 9 3 2 0 01 7 03 7 42 2 0o 0 9o 8 21 2 85 3 0o 8 82 6 8 3 0 0 1 4 0 3 0 8 2 2 00 0 50 8 2 1 2 84 3 60 9 23 3 l 4 0 01 2 02 6 42 2 00 0 50 8 21 2 83 7 4o 9 03 8 3 2 3 边界层曲线方程 载体边界层曲线是指内芯叠片在卷制完成时最外一层平板所形成的曲线。基于s 型 金属蜂窝载体的结构特点，将数层平板和波纹板依次叠加在一起，放置于两根平行的卷 制芯轴中间，在卷制的过程中，假设平板和波纹板都没有发生变形，即平板和波纹板的 厚度以及内芯叠片的总厚度在卷制过程中未发生变化。由此可以推导出s 型金属蜂窝载 体的边界层曲线方程2 1 3 ，曲线如图2 4 所示。 江南大学硕士学位论文 x 2 + ( y + 詈) 2 = ( 鲁) 2 ，( 乡= 。一岛) y ：罕4 a 2 _ h 2x 一警肛) ( y 一弘m 争2 肛幺训 。( 2 - 1 3 ) y ：罕j a 2 _ h 2z + 百a d i + 3 a h 胁州) ( y + 弘+ 和p = 吼训 式中：口一过曲线上点和原点的直线与y 轴负方向之间的夹角； h 一叠加以后平板和波纹板的总厚度； 一载体的内芯直径； 口一双立柱的中心距； d ，一卷制芯轴的直径。 y 簇 、 淤 过f 、动广 ； 、 图2 - 4 金属蜂窝载体的边界层曲线 f i g 2 - 4b o u n d a r yc u r v e so f m e t a l l i ch o n e y c o m bs u b s t r a t e s y 缪弧 图2 - 5 金属蜂窝载体的中性层曲线 f i g 2 5c e n t r a lc u r v e so f m e t a lli ch o n e y c o m bs u b s t r a t e s 2 4 中性层曲线方程 中性层曲线是指内芯叠片在卷制完成时中间一层材料所形成的曲线。基于s 型金属 蜂窝载体的结构特点，将数层平板和波纹板依次叠加在一起，放置于双立柱的中间，在 卷制的过程中，假设平板和波纹板都没有发生塑性变形，即平板和波纹板的厚度未发生 变化。由此可以推导出s 型金属蜂窝载体的中性层曲线方程2 。1 4 ，曲线如图2 5 所示。 1 2 第二章s 型金属蜂窝载体的参数及结构 h + d 户万丽 x ，( o a 段) ( y 一手c h + d i 2 脚段， y = 罕1 a d l + 广2 a h x - i ，( b 1 5 c 段)1 ，= l乙e j 。 办2 办 ( y + 铲c 丁3 h + d 1 一( c 。段， ( 2 1 4 ) 式中：厅一叠加以后平板和波纹板的总厚度5 j “o 载体的内芯直径； 口一双立柱的中心距： 日1 一立柱横截面的直径。 2 5 金属蜂窝载体的要求 作为汽车排气净化催化剂用金属蜂窝载体，要求其具有大的表面积、小体积、耗材 少、附着性好、排气背压低、温度耐久性高、骤热耐久性高、机械强度高、耐腐蚀性高、 热容量低、导热性好、制造误差小、外壳简单、成本低。汽车尾气净化器用金属蜂窝载 体工作时要承受高速气流的热冲击，以及路面的不平整和发动机引起的剧烈振动，因此 金属蜂窝载体要有很高的机械强度，这就对其成形提出了很高的技术要求。在外观上金 属蜂窝载体内芯应卷制严实，充满外壳，端面平齐，无轴向窜动【2 】【3 】；内芯孔道层次清 楚，孔道平直，大小及密度均匀，无堵孔【2 】【3 】；外壳匀净平整，无焊接烧孔，内芯端面 平整【2 】【3 1 。表2 - 4 所示为金属蜂窝载体的尺寸、外形和允许偏差的规赳2 】【3 】。 表2 - 4 金属蜂窝载体的尺寸、外形和允许偏差的规定2 1 t a b 2 - 4r e g u l a t i o n sf o rs i z e s h a p ea n da li o w a n c eo fm e t a lh o n e y c o m bs u b s t r a t e s 【2 】【3 j 江南大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章主要讨论了金属载体的主要参数，以及其优越性。并推导s 型结构金属载体的 边界层和中性层曲线方程。为成形方法提供理论依据。具体可以分为一下几点： ( 1 ) 本章主要研究了金属载体的性能参数，推导出金属载体的开口率及比表面积 计算公式。 ( 2 ) 推导出s 型结构金属载体的边界层曲线方程。 ( 3 ) 推导出s 型结构金属载体的中性层曲线方程。 1 4 第三章s 型金属载体成形的理论分析 第三章s 型金属载体成形的理论分析 3 1 引言 目前国内对金属载体的制造工艺主要集中在螺旋式结构，对s 型金属载体的制造工 艺尚处于起步阶段。s 型金属载体的制造工艺较为复杂，目前国内很少涉及这方面的研 究。本章提出s 型金属载体的成形方法，着重分析内芯叠片在卷制过程中的受力情况， 以及卷制芯轴的受力情况。中心孔大小与内芯端面平整度是s 型金属载体的两个重要参 数，并从理论上分析其影响因素。 3 2s 型金属载体的成形原理 s 型金属载体的制造工艺较为复杂，目前国内工艺普遍存在以下问题：( 1 ) 内芯孔 隙不均匀，局部孔道被破坏；( 2 ) 内芯中心孔的孔道过大，导致载体的净化效果下降； ( 3 ) 内芯端面不平整。针对这些问题，本节提出一种s 型金属载体的成形方法，如图 3 1 所示。该成形装置主要由滑轨l ，滑轨座2 ，c 成形块3 ，卷制芯轴4 ，b 成形块56 a 成形块7b c 气缸8a 气缸9 气缸座等组成。 图3 - 1s 型金属载体的成形装置 1 滑轨2 滑轨座3c 成形块4 卷制芯轴5b 成形块 6a 成形块7b c 气缸8a 气缸9 气缸座 f i g 3 1t h ef o r m i n gd e v i c eo fs t y p em e t a l l i cs u b s t r a t e s 1s 1 i d e r2s 1 i d e r i n gs e a t3cf o r m i n gb l o c k4s h a f t5bf o r m i n gb l o c k 6af o r m i n gb l o c k7b cc y li n d e r8ac y li n d e r9c y li n d e rm o u n t s 卷制过程中，a 组成形块一直贴紧在内芯叠片的外侧，促使内芯叠片早期的弯曲， 因此a 组成形块称之为内成形块。b c 成形块保证载体最终的成形，因此称之为外成形 块。由此我们知道，内成形块在卷制过程中起到很关键的作用，如果内成形块的推力过 大，将会增加卷制的阻力，这样会导致卷制芯轴的变形加大，同时也会导致内芯的波纹 板的变形加剧，使得载体卷制后的载体成了废品。如果在卷制过程中，内成形块的推力 江南大学硕士学位论文 不够，也将会导致内芯叠片弯曲程度不够，使得内芯的中, t , - t l 过大，而成为一个废品。 3 3 卷制成形时内芯叠片的受力分析 在卷制过程中，首先a 组成形块向前滑移，依靠内成形块将内芯叠片弯曲成s 型， 其次，在卷制到一定角度时，b 组成形块向前滑移，将内芯叠片进一步弯曲；最后，在 卷制到一定角度时，c 组成形块向前滑移，将内芯叠片最终卷制成圆形载体。内芯叠片 的整个卷制过程如图3 2 所示。由此可以分析出s 型金属载体在卷制过程中，内芯叠片 经历了两次弯曲过程。第一次弯曲出现在两根并行的芯轴从0 。卷制到1 8 0 。第二次 弯曲出现在两根并行的芯轴从1 8 0 。卷制到3 6 0 。因此可将整个内芯叠片卷制过程分 解成两段内芯叠片弯曲过程。 图3 - 2 内芯叠片的卷制成形过程 f i g 3 - 2t h er o