【CBR600型四缸发动机赛车排气歧管工艺及制造过程分析案例3100字】

CBR600型四缸发动机赛车排气歧管工艺及制造过程分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23566CBR600型四缸发动机赛车排气歧管工艺及制造过程分析案例 1107351.1工艺与材料 140481.2歧管制造过程分析 4139101.3​集合器设计与工艺分析 597801.4消声器设计 6工艺与材料传统汽车的排气系统通常是用铸铁铸造而成的。这种工艺的优点是使用了模具，能够大批量生产，而且成本低、效率高。缺点是铸造成形的排气管内壁粗糙、重量大并且少量生产不方便。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s11铸造型排气管目前，比赛中所用的方程式赛车排气管通常采用弯曲金属管并焊接成形的工艺制造。这种工艺的特点是弯曲成形的排气管重量小，大批量生产不方便，但是小批量生产较为容易。这恰恰与FSAE赛事对赛车排气系统的要求相一致。因此本文所设计排气管也沿用这一制造工艺。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s12弯曲焊接型排气管使用金属管弯曲成形和焊接工艺时需要考虑的最大问题就是弯管的质量。在实际生产过程中，对薄壁钢管进行弯曲时极易出现钢管内侧起皱、外侧沿弯曲中心被压扁的现象，而且这一现象往往非常严重，管道截面形状会由弯曲前的圆形变成弯曲后的扁平状，并且其横截面积也会明显减小，如图5.3。这种现象不仅会对排气管的外观产生影响，更会影响管道的使用质量，而本文赛车排气歧管的设计要求中很重要的一点就是要确保各歧管的各部位管道横截面积均相等，如果生产时横截面积变化显著，就会对使用性能产生很大的影响。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s13弯管变形钢管在弯曲成形时，其外侧受到拉应力而同时产生弹性变形和塑性变形伸长，由于钢管往往刚性较差，并且变形产生的伸长量相对较大，极易导致材料在还没有充分完成切向塑性延伸时就产生径向剪切屈服即τ>τs'，造成法向塑性变形（错位）而在宏观上发生＂坍塌＂，即产生压扁现象。钢管内侧由于受压应力作用而产生塑性压缩。同样，由于压缩量较大且管件刚性不足，关键材料会发生弹性失稳现象，在外力N作用下会沿弯曲圆周方向呈波纹状扩散，造成管件局部区域承受剪切应力的作用，随着力P的增加，材料产生剪切屈服，即τ>τs'，导致使管道内侧起皱，从而就造成了管道截面积的减少。对于这一现象，通常可以采取以下工艺方法加以解决：（1）弯曲和成形时，在弯曲和拉伸侧放置一个辅助支撑心轴，以平衡剪切应力，消除剪切屈服，避免正常的塑性错位（弯曲）并解决钢管容易被压扁的问题。（2）在弯曲形成力PI作用的同时，在钢管上轴向施加拉力P2和抗皱支承，并且所产生的拉应力应不小于由于弯曲而在弯曲压缩区域中产生的压应力，以平衡压力。消除压应力弹性不稳定性防止了钢管的弯折，从而解决了皱纹问题。解决了这两个问题后，基本上解决了钢管的横截面收缩问题。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s14弯管模具由于弯曲心轴的制作需要使用模具，因此在实际工程应用中，这种弯管是由专业工厂预先制造好的，并出售给需要使用的客户。预弯曲管的主要技术参数有：管外径，管壁厚度，中心线半径，弯曲角度和支腿长度，在购买预弯曲管时往往通过这些条件进行选择。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s15预弯管在材料选择方面，市场上共有三种材料可供选择：304不锈钢，中碳钢和钛合金。其中，钛合金是最理想的材料，具有最轻的重量和较低的热导率。不过它的缺点也很明显,那就是高昂的价格和特殊的焊接工艺，因此它首先被排除在外。尽管中碳钢最便宜，但就重量和导热性而言，它不如不锈钢，因此，不锈钢预弯管是排气管中使用最多的材料。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5.7，这是一种专用画线工具。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s16专用画线工具根据所需的尺寸加工出合适的管材。如图5.8图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s17管材切割然后根据设计要求焊接切割管。首先要注意在平面上焊接的管道。将它们固定在发动机上后，确定不是平面管的角度，然后先点焊然后再进行全焊。如图5.9图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s18焊接排气歧管在歧管焊接号之后，要将每个歧管和集合器被焊接在一起。首先，将歧管安装在发动机上，对其进行固定，然后将其固定在适当的位置。使用夹具固定四个歧管，如图5.10所示。然后焊接星形件以堵住四个排气歧管的组合后所留下的间隙，最后焊接集合器。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s19固定歧管​集合器设计与工艺分析由于集合器需要通过焊接的方式与排气歧管相连，因此其必须选用与排气歧管相同的材料。通常制作排气集合器时有两种方法。一是使用整张钣金进行冲压和弯曲，然后焊接成形，如图5.13所示。该方法的主要优点是成本低廉，而且只有一个焊缝，因此焊接造成的影响极小。缺点是成形的集合器各部位的厚度不同且形状可能不够规则。另外，在与排气歧管的进气端相互连接时，四个歧管组合之后形成的星形空间需要用相同形状的星形片进行填充（如图5.14），以防止气体泄漏。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s110冲压弯折成形集合器图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s111星形片第二种方法是通过焊接成形，如图5.15所示。此过程的优势在于，总体精度要优于冲压工艺，并且无需填充星形件。缺点是价格昂贵，焊缝较多且受热影响的区域更多。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s112焊接成形集合器经过分析比较，虽然焊接成形收集器的整体性能较好，但最终还是在考虑成本因素的情况下选择了冲压弯曲成形收集器。消声器设计根据消声器的工作原理，目前有三种常见的消声器解决方案可供选择。第一种称为膨胀室消声器，这是一种抗性消声器,由主管和套住主管的一个膨胀室组成,气体从管道内流入膨胀室时,由于管道横截面积突然增加,使沿着管道向前传播的声波向声源方向逆向反射从而使得声能反射回去；第二种是侧面谐振消声器，这种消声器有一个单独的封闭腔，该封闭腔由小孔或非常短的管子与排气管相通,这些小孔以及短管可以将高频声波移到人耳无法听到的超声波范围,从而达到降噪的目的;第三种类型，是在排气管中增加一个或多个扰流板。但是，这种消声器增加了排气压力损失，相对于它造成的压力损失，它的消音效果实在微乎其微。事实上,在实际工程应用中，大多数车辆使用的消声器是由这三种消声器综合而成的，如图6.1所示。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s113普通消声器、图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s114消声器内部构造这种组合型的消声器主要依靠膨胀室和共振器来降低噪音。从图6.2可以看出，膨胀室被隔板分成了几个部分。当废气流经管道时，气体膨胀，流速减小，脉冲也随之降低，当气体从膨胀室进入下一条管道时，气体由于被再次压缩而体积减小，相当于气体的流动受到了阻碍，从而使得脉冲进一步降低。同时，另一个腔室中，在与其连接的管道壁上开许多小孔，使之成为共振腔，从而使排气脉冲有效降低。以上分析是民用车辆常用的消声器结构。这种消声器降噪效果十分突出。但是，由于废气需要流过多个腔室，所以会产生很大的排气阻力，进而导致发动机排气性能的降低。设计赛车排气系统的首要要求就是获得良好的排气性能，显然这种消声器无法满足这一要求，因此赛车中通常使用的消音器为直通式和吸收式消音器。如图6.3。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s115赛车消声器从图6.3可以看出，该消声器为直通型，可将排气阻力降至最低。同时，在管道的内壁上开出了许多小孔，以使空气流过，从而与外部封闭的金属筒组合形成一个膨胀腔。膨胀腔的内部通常填充有一种玻璃纤维，这种物质能够有效地吸收排气脉冲。由于这种消音器为直进直出式结构，所以它不仅排气阻力很低，而且结构十分简单轻便。不过这种结构也有一个缺点，那就是其内部的消音棉很容易被烧蚀，因此导致其使用寿命较短并且成本较高。在选择消声器时，由于每个制造商的设计方法不同，导致每种膨胀腔的结构也不同，而且质量不同的消音棉以及各个腔室的不同组合都将影响消音器的降噪效果。但是基本上所有的设计方法都会采用膨胀室原理，由于膨胀