摩托车消音器的优化设计研究

0 引言

在整个摩托车的设计中，运输发动机不仅有消声的作用，而且直接影响发动机的性能。排气系统的更改将影响进气系统，并因此影响整个引擎的动力特性。由于大多数摩托车使用者居住在农村，道路和地形区域较差，因此对摩托车的性能和焊接能力的要求较高。在实际应用中，已经发现现有排气管与消声器之间的连接会进一步中断，因此有必要研究摩托车消音器的安装方法和设计的合理性。本文重点研究了摩托车噪音的控制方法，通过分析消音器的原理来进行设计的优化，希望能够为摩托车降噪优化提供有效参考。

1 摩托车噪声现状及控制方法

通常噪音的主要来源来自于发动机排气，发动机所排气体温度能够达到800℃，压力约为0.4-0.5MPa。当发动机排气门打开时，废气从脉冲状空间散发出来，形成非常大的能谱，频响范围从几十个到10，000Hz以上的复杂声音是一种宽带声音。现在，世界上每个国家都将噪音水平作为测试车辆和设定声音控制声音标准的基准。根据从125毫升到250毫升摩托车的平均噪声限值，与其他国家进行比较。显然，中国与其他国家之间仍然存在差距，改善摩托车功能并降低排气噪声仍然非常迫切。

控制汽车噪声控制的主要方法是控制声源，并使用声音控制技术来控制汽车的分配模式，例如吸声、噪声分离、振动分离、减水、人身保护等，使得震动和声波降低以此达到降噪的效果。目前有效使用最为广泛的降噪方法是采用排气消音器，针对降低摩托车噪音所开发的高性能输出消音器通过改造结构的方法有效提升了消音器的质量。

2 消声器的种类及其评价

消音器从原理上将能够阻止声音的传播并且消除空气中的动力学噪音的同时还能够不影响空气的通过。消音器种类较多，如小孔消音器、微孔板消音器、阻性消音器、阻抗符合消音器以及抗性消音器等。消音器的质量可以从三个方面来考虑：

2.1 消声器的消声性能（消声声功率级和频谱特性）

①消声器的噪声水平通常反映在传输和插入的损失中。传输损耗定义为消声器的输入音量和输出音量之间的差：LTL=LW1-LW2

其中，LTL为声功率传递损失，dB；LW1、LW2为消声器输入和输出的声功率级。

传输损耗完全取决于消声器的声音传输矩阵，这是消声器的主要属性。实践表明，在严格的实验室控制条件下，预计的传递损失通常和实测的值是相同的。

②插入损耗定义为在安装消音器之前和之后在恒定测量位置测得的计算出的声级（或总声压级，带压级）之差：LL=Lp1-Lp2

其中，LL为声压级插入损失，dB；Lp1、Lp2为安装消声器前、后在某点测得的声压级。

插入损失主要与排放条件和声援信号有关，并非消音器的固有属性。由于在安装和拆卸消声器之前和之后很难量化这些因素，因此需要进一步的分析和研究以更好地预测安装损失。

③现阶段也可以通过安装损耗来检测消音器的性能。在对消声器的降噪效果进行评估时，只采用正常的音量和压级是不足够的，还需要深入了解消音器在各个频率上的压级。

2.2 消声器的空气动力性能

发动机消声器的空气动力性能用发动机的功率损失比RN来表示

其中，Pe1为内燃机在标定工况下不使用消音器的功率；Pe2为内燃机在标定工况下使用消音器的功率。

关于降低汽车（包括摩托车）噪音设计的当前性能，如果要求消音器小，重量轻，并且当噪音降低到20~30时其功率损耗应小于5%，当消音量提高至20～30dB时，由于消声器的体积不能过于增加，因此其功率损耗应相应降低，但不应超过7%。

2.3 消声器的结构性能（尺寸、价格、使用寿命等）

通过消音器的具体性能以及空气动力学的特征就能够决定消音器的尺寸，通常尺寸越小价格也越便宜，使用寿命也越长。

3 摩托车发动机排气消声器的要求

设计摩托车发动机排气系统时，应考虑以下要求：①良好的降噪性能，请尝试使触摸机的频率特性与泵的频率特性相匹配。②降低对排气流的阻力并减少排气。③必须确保其具有较高的耐高温性，良好的防锈性，并且不允许污染，并且不允许废气无线电装置污染和生锈。选择设备时，避免使用玻璃棉之类的材料，因为这样的吸收剂会阻塞并降低润滑剂的性能。④具有良好的空气动力学性能，因此暴露于高温空气中后不会产生再生声音。⑤性能良好，能够长期使用以及满足使用的要求。⑥结构见解，体积合理，重量轻，成本低，工艺性能好。

4 排动管的优化设计

具有二行程汽油发动机的摩托车发动机排气系统，用于检查流动效果，该系统由传动管和消音器组成。图1显示了普凌PL50汽油机排气系统和济南JM250汽油机的示意图。

从图1中可以看出排气管与消声器之间的关系是十分复杂的。想要建立一个好的系统需要仔细的分析和计算。让我们从精心设计的排气管开始。

提出了排气管的构造，这是因为二冲程汽油发动机的充气性能低，并且在通风过程中通过排气口损失了大量新的充气。它的设计理念是原始的，仅在清洁孔之后。打开后会导致气缸充气在排气系统上产生“泵吸效应”，并加速空气交换过程，这需要排气管中的空气流在适当的时候在排气口形成低压点。为了实现上述目的，在排气系统中内置了扩散器，使得上升的气体由于管段的膨胀而产生强烈的负波。在进行建筑设计（L1、L2、L3、β1、D、d）合理时，打开清洁口后不久，该负压波便通过排气管流回排气口，从而在排气口上施加负压。通过按压好坏来加快进气和排气的通风过程。当扫气口关闭而排气口未关闭时，排气系统中的气流对新的排气口产生“反压”作用，新进料的反压返回到气缸。这就要求在这段时间内，在高压区附近的排气管中可能形成排气口，设计特定的步骤来在膨胀管后面设计一个密封管，以使气体由于其横截面的减小而产生正压力波，并计算结构的相应尺寸（β2、D、L4、L5、d1、d2），以便正压力波在扫气口刚刚关闭后返回排气口。

5 消音器的优化设计

为了改进现有摩托车消音器的设计，有必要在以下方面改进其性能：①在所需频带上加大消音量；②确保摩托车安装消音器，同时降压也在可控范围内；③在提供消声器时，消声器应尽可能便宜并且使用寿命长。研究表明，随着消音室扩音室长度的增加，音量呈指数增加，从而导致其截止频率朝着低频变化，并增强了阻止低波的能力。此外，增加容积还可以有效地降低后向压力并改善发动机性能，因此，在充分利用小配件的情况下，增加第一增压室的容积非常重要。研究表明，现有摩托车后面的膨胀室宽度很小。根据理论研究，我们发现，随着消声器膨胀室宽度的增加，增加的速率将相应地增加，而最大的减少量也将相应地增加。如上所述，这还将增加其音量，这将改善低噪声的降低。因此，应在优化消音室的的同时拓宽膨胀室的宽度。排气管的选择对摩托车消音器的消音量有直接的影响，排气管直径越小消音量的减少就会越大，降低下波的切割频率，但是排气管的直径不能太小，因为减小排气管的直径会大大增加空气流速，就会直接影响到发动机的具体性能，因此在对消音器进行优化时需要缩小排气管的直径。

图1 普凌PL50汽油机排气系统和济南JM250汽油机

6 消声器结构参数的选择

6.1 消声器扩张比选择

经研究与分析可以得出消声器膨胀率能够直接影响到声音的输入量，因此对消声器的性能而言应当选择合适的扩展率。增加膨胀率可以通过缩小消声器入口或者缩小出口管的宽度或者缩小消音器宽度来完成。消声器的进气管直径受到内燃机循环出口尺寸的局限性，一旦大于内燃机的最大输出量就会增加反向压力，进而导致功率飙升增加噪音，也会严重地影响到消音器的质量。另外，消声器的外部尺寸也有一定的范围限制，不能够太大。在消声器的整体结构中应当选择适合的扩张率，通常控制在9-16之间。这样就能够达到最大的降噪水平。

6.2 消声器容积的选择

选择消音器体积时，尽可能选择最大的溶剂，这样就能够有效降低下限失效频率，提升降噪的效果。消声器的音量过小会导致功率损耗的增加。

6.3 消声器内部结构的选择

为了满足排气消音器的要求，选择消音器的结构时需要加长孔。通常，将拉伸孔连接至模制管和由油漆制成的板以形成多级消声器。研究表明，级数越多，降噪程度越大，同时，可以改善非常高的压力效果，但级数大于5时，增益会增加阶段数少2~5。

7 结语

从增加消音器的设计和灵活性的效果来看，设计优化方式工作的发动机系统似乎更有意义。

①疲劳分析涉及许多因素：材料质量，焊接质量，机械技术，机械质量和部分操作条件都将对疲劳寿命产生重大影响。因此，人们普遍认为疲劳质量分析是可靠的，换句话说，在分析中发现的薄弱环节是准确的。②根据消音器的原始设计添加加强板是解决故障问题的绝佳方法。同时，将识别出的连接板放置在消声器重量的中央可以显著降低故障系数值的可能性。③考虑到疲劳寿命最小值的转移的问题，内部消音管延伸到连接管的下端以加强排气面积并防止疲劳失效。获得这些结论可以有助于优化消音器的设计，解决排气消音器断裂问题，增加公司产品的预期寿命并提高公司产品的竞争力。