CN107002543A - 确定排气系统中使排气管互连的球接头的布置位置的方法及排气系统 - Google Patents

确定排气系统中使排气管互连的球接头的布置位置的方法及排气系统 Download PDF

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Abstract

这里提供了一种确定用于在排气系统中使得排气管相互连接的球接头的布置位置的方法，以及一种能够更有效地阻尼发动机振动的排气系统。在本发明中，应变仪附接在排气系统(1)的多个位置上；将模拟发动机振动的模拟振动施加给排气系统(1)的上游端；且在各应变仪处测量弯曲应变。根据在各应变仪处测量的弯曲应变来检测这样的位置，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在球接头(2)的球形内周表面(26)和球形外周表面(27)之间产生最大静摩擦力的扭矩量的位置，该球形内周表面和球形外周表面相互接触，且将该检测位置确定为用于球接头(2)的布置位置。

Description

确定排气系统中使排气管互连的球接头的布置位置的方法及 排气系统
技术领域
本发明涉及一种用于排出汽车等的发动机的排气的排气系统，特别是涉及一种确定球接头的布置位置的方法，各球接头布置在排气系统的中部，并使得排气管相互连接，以便减小从发动机传递给汽车车体的振动。
背景技术
在用于汽车等的排气系统中，已知一种排气系统，其中，用于使得排气管相互连接的球接头布置在排气系统的中部，以便防止振动通过安装件(例如由橡胶制造的消音器挂架)而从发动机传递给汽车车体，该安装件用于将排气系统安装在汽车车体上。例如，专利文献1公开了一种用于从车辆后部排出发动机的排气的排气系统，该发动机横向安装在车辆的前部，其中，排气系统的排气管有沿车辆的纵向方向大致直线形延伸的部件以及沿车辆的宽度方向大致直线形延伸的部件，且排气管的各部件提供有球接头。根据该排气系统，沿车辆的竖直方向的振动能够通过布置在排气管的、沿车辆的纵向方向大致直线形延伸的部件中的球接头来阻尼，沿车辆的纵向方向的振动能够通过布置在排气管的、沿车辆的宽度方向大致直线形延伸的部件中的球接头来阻尼。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开No.8-218863
发明内容
技术问题
在球接头中，在施加的弯曲力矩大于或等于使得在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩时，在相互接触的球形内周表面和球形外周表面之间产生滑动。伴随该滑动的摩擦耗散了振动能量，以便阻尼从具有球形内周表面的部件和具有球形外周表面的部件中的一个传递给另一个的振动。
在球接头布置于这种位置的情况下，在该位置处，排气系统的上游侧和下游侧沿竖直方向、沿宽度方向或沿纵向方向相互同步运动，有时产生的弯曲力矩并不大于或等于在球形内周表面和球形外周表面(该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触)之间产生最大静摩擦力的扭矩，即使当振动在该位置处最大时。在这种情况下，球形内周表面和球形外周表面并不彼此相对滑动，因此不能阻尼振动。在使用球接头的普通排气系统中，并没有考虑这种情况。
本发明考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种确定用于在排气系统中连接排气管的球接头的布置位置的方法以及提供一种排气系统，从而能够更高效地减小从发动机传递给汽车车体的振动。
解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明将球接头布置在排气系统中并在这样的位置处，在该位置，向排气系统施加规定的振动(例如，假设将安装在使用该排气系统的汽车等上的发动机的振动)将产生大于或等于在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩的弯曲力矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触。
例如，本发明提供了一种确定球接头的布置位置的方法，该球接头在排气系统中使得排气管相互连接，该排气系统用于排出发动机的排气，该方法包括：
检测在排气系统中的这种位置，当规定振动施加给排气系统的上游端时，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在相互接触的球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件；以及
将该检测位置确定为球接头在排气系统中的布置位置。
这里，应变仪可以附接在排气系统的多个位置上；且根据由相应应变仪在模拟发动机振动的模拟振动施加给排气系统的上游端时测量的弯曲应变来确定使得产生的弯曲力矩大于或等于在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩的位置，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触。或者，计算机辅助工程(CAE)分析可以用于获得在模拟振动施加给排气系统的上游端时的应力分布，该模拟振动模拟发动机的振动；以及根据获得的应力分布来检测这样的位置，在该位置处，产生的弯曲力矩大于或等于在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触。
而且，本发明还提供了一种用于排出发动机排气的排气系统，该排气系统包括：
多个排气管；以及
球接头，该球接头使得排气管相互连接；
该球接头布置在这样的位置，当规定振动从发动机施加给排气系统时，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在相互接触的球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件。
发明的有利效果
根据本发明，球接头布置在这样的位置，当规定振动从发动机施加给排气系统时，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触。因此，能够在球接头的内周表面和外周表面之间产生更多滑动。因此，能够更高效地减少通过排气系统而从发动机传递给汽车等的车体的振动。
附图说明
图1是排气系统1的示意图，其中，球接头2布置在通过根据本发明一个实施例的布置位置确定方法来确定的位置处；
图2是球接头2的剖视图；
图3(A)和3(B)是用于解释球接头2的操作原理的视图；
图4是根据本发明一个实施例的布置位置确定方法的流程图。
具体实施方式
下面将介绍本发明的一个实施例。
根据本发明的布置位置确定方法确定用于布置球接头2的合适位置，以便阻尼从汽车等的排气系统1中的发动机传递的振动。
图1是表示具有球接头2的排气系统1的示意图，该球接头2布置在通过本发明实施例的布置位置确定方法来确定的位置处。
如图所示，排气系统1包括：中心消音器3a，该中心消音器3a布置在汽车等的车体(未示出)中心，排气系统1安装在该汽车上；后部消音器3b，该后部消音器3b布置在车体的后部(下文中，也简称为消音器3)；多个排气管4a-4d(下文中，也简称为排气管4)，该排气管4a-4d布置在汽车等(排气系统1安装在该汽车上)的发动机(未示出)和中心消音器3a之间以及在中心消音器3a和后部消音器3b之间，用于通过中心消音器3a从后部消音器3b排出发动机的排气；以及球接头2，各球接头2布置在消音器3和排气管4之间或者在排气管4之间。
在图1所示的排气系统1中，球接头2布置在四个位置处，即：在排气管4a和排气管4b之间的位置；在排气管4b和中心消音器3a之间的位置；在排气管4c和排气管4d之间的位置；以及在排气管4d和后部消音器3b之间的位置。球接头2的布置位置和数目根据本发明实施例的布置位置确定方法来确定，且并不局限于图1所示的实例。在消音器3和排气管4之间或在排气管4之间没有布置球接头2的位置处(在图1中，在中心消音器3a和排气管4c之间的位置)，布置刚性连接件5。代替使用刚性连接件5，两个管也可以焊接或者可以形成为一个单元。尽管这样的排气系统1有两个消音器3a、3b和四个排气管4a-4d，但是这种结构将根据汽车等而合适变化，排气系统1安装在该汽车上。
根据本发明实施例的布置位置确定方法，各球接头2布置在这样的位置处，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于使得在球形内周表面26和球形外周表面27(见图2)之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面26和球形外周表面27是球接头2的部件，并相互接触，且该位置在各消音器3和排气管4之间的位置以及在排气管4之间的位置之中。
图2是表示本发明一个实施例的球接头2的剖视图。
如图中所示，球接头2包括：插入开口21，该插入开口21形成为从附接在相互连接的两个连接物体(消音器3和排气管4，或者两个排气管4)中的一个的端部上的凸缘20沿轴向向内通向所述连接物体的方向(即，图2中所示的方向+O)延伸，且该插入开口21与所述连接物体的排气通路连通；插入部分23，该插入部分23是另一连接物体的端部，凸缘22附接在该另一连接物体上；以及弹簧螺栓24和螺母25，用于连接两个连接物体。
在凸缘20和22中分别形成螺栓孔28和29。弹簧螺栓24各自穿过这些螺栓孔28和29拧入螺母25内，以便连接这两个连接物体，同时沿将插入部分23插进插入开口21内的方向来偏压该插入部分23。
在插入开口21中形成球形内周表面26。具有球形外周表面27(该球形外周表面27具有与插入开口21的球形内周表面26几乎相同的半径)的管形滑动部件30附接在该连接物体(凸缘22固定在该连接物体上)的端部上，从而形成插入部分23。滑动部件30构成为具有增强部件(例如编织金属线)和耐热材料(例如膨胀石墨)。插入开口21的内周表面26和插入部分23的滑动部件30的外周表面27相互接触，因为插入部分23由弹簧螺栓24和螺母25沿将插入部分23插入该插入开口21内的方向偏压。在相互接触的、插入开口21的内周表面26和插入部分23的外周表面27之间的最大静摩擦力由该内周表面26和外周表面27的摩擦特征以及弹簧螺栓24和螺母25的偏压力(即，将插入部分23对着插入开口21按压的力)来确定。
在图2所示的球接头2中，凸缘20(插入开口21与该凸缘20形成一体)附接在相互接触的两个连接物体中的一个的端部上(消音器3和排气管4或2个排气管4)，且作为插入部分23的部件的凸缘22和滑动部件30附接在另一连接物体的端部上。不过，本发明并不局限于此。例如，凸缘20和插入开口21可以与一个连接物体的端部形成一体，而且，凸缘22和插入部分23可以与另一连接物体的端部形成一体。
图3(A)和3(B)是用于解释各球接头2的操作原理的视图。
如图3(A)中所示，在球接头2中，通过产生大于或等于扭矩T(该扭矩的旋转中心是由内周表面26确定的球的中心O)的弯曲力矩而引起滑动，该扭矩T在插入开口21的内周表面26和插入部分23的滑动部件30的外周表面27之间产生最大静摩擦力，同时这些周表面26、27相互接触。由于该滑动，将阻尼从球接头2的上游侧(从发动机)传递给下游侧(后部消音器3b)的振动。另一方面，如图3(B)中所示，当球接头2的上游侧和下游侧沿竖直方向、沿水平方向或者沿纵向方向平行地相互同步运动时，有时将不会产生大于或等于使得在球接头2的插入开口21的内周表面26和插入部分23的滑动部件30的外周表面27之间产生最大静摩擦力的扭矩T的弯曲力矩，甚至当在布置球接头2的位置处振动V较大时。在这种情况下，在球接头2中的插入开口21的内周表面26和插入部分23的外周表面27并不彼此相对滑动。因此，在球接头2的上游侧的振动无阻尼地传递给下游侧。因此，本发明实施例的布置位置确定方法将确定作为球接头2的布置位置的位置，在该位置处，当规定的振动(例如，假定为要安装在使用排气系统1的汽车等上的发动机的振动)施加给排气系统1时，将产生弯曲力矩，该弯曲力矩大于或等于在所述球接头2的插入开口21的内周表面26和插入部分23的滑动部件30的外周表面27之间产生的最大静摩擦力的扭矩。
图4是表示根据本发明实施例的布置位置确定方法的流程图。
步骤S1：排气系统1的设置(没有球接头2)
首先，制备没有球接头2的排气系统1。这种没有球接头2的排气系统1可以是消音器3和排气管4成一体地形成为一个单元的排气系统1，或者是在消音器3和排气管4之间的位置以及在排气管4之间的位置通过刚性连接件5、焊接接头等而刚性连接的排气系统1。然后，排气系统1通过相应安装件(例如由橡胶制造的消音器挂架)而固定在规定的夹具上，该安装件的位置与当该排气系统1安装在使用排气系统1的汽车等的车体上时该安装件将布置的位置相同。这表示了排气系统1安装在汽车等的车体上的状态。
步骤S2：附接应变仪
在排气系统1中，应变仪附接在能够布置球接头2的位置上，例如，消音器3和排气管4连接的位置、排气管4连接的位置以及排气管4弯曲的位置。
步骤S3：输入模拟发动机振动
假定计划将安装在使用排气系统1的汽车等上的发动机的振动产生为发动机的模拟振动。将产生的振动输入至排气系统1上游侧(在发动机侧)的排气管4a。
步骤S4：测量应变和计算弯曲力矩
在从排气系统1的上游侧施加模拟发动机振动的状态中，沿管轴线方向在能够布置球接头2的位置处的弯曲应变通过附接在这些位置处的应变仪来测量。然后，对于能够布置球接头2的各位置，利用测量的弯曲应变以及位于该位置的消音器3或排气管4的截面模量和杨氏模量来计算弯曲力矩。
步骤S5：检察对模拟发动机振动的所有频率的执行
检察步骤S3和S4是否对于模拟发动机振动的所有频率都执行，或者详细地说，对于从假定要安装在使用排气系统1的汽车等上的发动机的振动频率带中以规定频率间隔来选择的所有频率。当并没有对于模拟发动机振动的所有频率都执行了步骤S3和S4时(在步骤S5中为“NO”)，或者换句话说，当还有这样的频率，步骤S3和S4并没有对于该频率来执行时处理返回步骤S3，并对于该频率来执行步骤S3和S4。另一方面，当对于所有频率都执行了步骤S3和S4时(在步骤S5中为“YES”)，处理前进至步骤S6。
步骤S6：确定球接头2的候选布置位置
对于模拟发动机振动的各频率，球接头2的候选布置位置根据在能够布置球接头2的相应位置处的弯曲力矩来确定。例如，对于模拟发动机振动的各频率，在能够布置球接头2的各位置处计算弯曲力矩比率，把弯曲力矩的最大值作为1。然后，对于模拟发动机振动的各频率，相应弯曲力矩比率大于或等于规定值(例如0.9)的位置确定为球接头2的候选布置位置。这时，用于确定球接头2的候选布置位置的模拟振动频率可以根据对于相应模拟发动机振动的频率的最大弯曲力矩值而减小(例如，频率可以根据最大弯曲力矩值的大小而减小)。
步骤S7：设置排气系统1(有球接头2)
在排气系统1(该排气系统1在步骤S1中已经在没有球接头2的情况下装配以及通过相应安装件而固定在规定夹具上，以便表示正被安装在汽车等的车体上的状态)中，在消音器3和排气管4之间以及在排气管4之间的连接位置中，在确定为用于球接头2的候选布置位置的各连接位置处，刚性连接件5由球接头2代替。
步骤S8：加速度传感器的附接
加速度传感器附接在各安装件上，该安装件用于将排气系统1固定在规定的夹具上，并布置在与该安装件将在排气系统1安装于使用排气系统1的汽车等的车体上时被布置的位置相同的位置处。
步骤S9：模拟发动机振动的输入
假定计划将被安装在使用排气系统1的汽车等上的发动机的振动产生为模拟发动机振动，且将产生的模拟发动机振动输入给在排气系统1的上游侧的排气管4a。
步骤S10：加速度的测量
在模拟发动机振动从排气系统1的上游侧施加的状态中，加速度由附接在安装件上的加速度传感器来测量，该安装件用于将排气系统1固定在规定的夹具上。
步骤S11：检察对模拟发动机振动的所有频率的执行
检查步骤S9和S10是否对于模拟发动机振动的所有频率都已经执行，或者详细地说，对于从假定要安装在使用排气系统1的汽车等上的发动机的振动频率带中以规定频率间隔来选择的所有频率。当并没有对于模拟发动机振动的所有频率都执行了步骤S9和S10时(在步骤S11中为“NO”)，或者换句话说，当还有这样的频率，步骤S9和S10并没有对于该频率来执行时，处理返回步骤S9，并对于该频率来执行步骤S9和S10。另一方面，当对于所有频率都执行了步骤S9和S10时(在步骤S9中为“YES”)，处理前进至步骤S12。
步骤S12：确定球接头2的布置位置
对于模拟发动机振动的各频率，球接头2的布置位置根据加速度传感器的测量值来确定。例如，对于模拟发动机振动的各频率，检查加速度传感器的测量值是否低于或等于规定参考值。当加速度传感器的测量值低于或等于规定参考值时，将认为：有产生的弯曲力矩，该弯曲力矩大于或等于在布置于各候选布置位置处的球接头2的、相互接触的球形内周表面和外周表面26和27之间产生最大静摩擦力的扭矩；内周表面26和外周表面27彼此相对滑动；以及因此，通过安装件从排气系统1传递给规定夹具的振动减小。因此，对于模拟发动机振动的各频率，当加速度传感器的测量值低于或等于规定参考值时，将候选布置位置确定为球接头2的布置位置。
上面已经介绍了本发明的一个实施例。
根据本发明，应变仪附接在排气系统1的多个位置上；对于模拟发动机振动的各频率，模拟发动机振动施加在排气系统1的上游侧；根据由相应应变仪在此时测量的、沿管轴线方向的弯曲应变来检测这样的位置，在该位置处，产生的弯曲力矩大于或等于在作为球接头2的部件而相互接触的球形内周表面和外周表面26和27之间产生最大静摩擦力的扭矩；以及将该检测位置确定为球接头2的布置位置。因此，能够在布置于排气系统1中的各球接头2的内周表面26和外周表面27之间产生较大的滑动，因此能够减小从发动机传递给排气系统1的加速度，且包括发动机的排气系统的振动频率能够变换。因此，能够更高效地减小通过排气系统而从发动机传递给车体的振动，同时能够将使得乘客不舒服的频率振动转变成乘客不会感觉不舒服的频率振动。
本发明并不局限于上述实施例，并能够在本发明的范围内变化。
例如，在上述实施例中，球接头2的布置位置确定为这样的位置，在该位置处，当对于模拟发动机振动的各频率(详细地说，从假定要安装在使用排气系统1的汽车等上的发动机的振动频率带中以规定频率间隔来选择的频率)，模拟发动机振动施加给排气系统1的上游端时，产生的弯曲力矩大于或等于在球接头2的内周表面26和外周表面27之间产生最大静摩擦力的扭矩。本发明并不局限于此。在本发明中，这样就足够了，即，球接头2的布置位置确定为这样的位置，在该位置处，当规定的振动(例如，假定要安装在使用排气系统1的汽车等上的发动机的任何振动)从发动机施加给排气系统1时，使得产生的弯曲力矩大于或等于在球接头2的内周表面26和外周表面27之间产生最大静摩擦力的扭矩。
而且，在上述实施例中，应变仪附接在排气系统1的多个位置上；规定振动施加给排气系统1的上游端；且根据由应变仪在此时测量的、沿管轴线方向的相应弯曲应变来检测这样的位置，在该位置处，产生的弯曲力矩大于或等于在球接头2的内周表面26和外周表面27之间产生最大静摩擦力的扭矩。本发明并不局限于此。例如，计算机辅助工程(CAE)分析可以用于获得在向排气系统1的上游端施加规定振动时的应力分布，从而检测这样的位置，在该位置处，产生的弯曲力矩大于或等于在球接头2的内周表面26和外周表面27之间产生最大静摩擦力的扭矩。例如，球接头2的候选布置位置可以确定如下。在图4的步骤S2-S5中，对于模拟发动机振动的各频率，通过CAE分析来获得球接头2的应力分布，且根据获得的应力分布来计算在能够布置球接头2的各位置处的弯曲力矩。然后，在能够布置球接头2的各位置处计算弯曲力矩比率，把弯曲力矩的最大值作为1。然后，对于模拟发动机振动的各频率，将球接头2的候选布置位置确定为弯曲力矩比率大于或等于规定值(例如0.9)的各点。
参考标号列表
1：排气系统；2：球接头；3a：中心消音器；3b：后部消音器；4a-4d：排气管；5：刚性连接件；20、22：凸缘；21：插入开口；23：插入部分；24：弹簧螺栓；25：螺母；26：球形内周表面；27：球形外周表面；28、29：螺栓孔；30：滑动部件。

Claims (5)

1.一种确定球接头的布置位置的方法，该球接头在排气系统中使得排气管相互连接，该排气系统用于排出发动机的排气，该方法包括：
检测在排气系统中的这种位置，当规定的振动施加给排气系统的上游端时，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在相互接触的球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件；以及
将该检测位置确定为球接头在排气系统中的布置位置。
2.根据权利要求1所述的确定球接头在排气系统中的布置位置的方法，其中：
应变仪附接在排气系统的多个位置上；且根据由相应应变仪在模拟发动机振动的模拟振动施加给排气系统的上游端时测量的弯曲应变来检测使得产生的弯曲力矩大于或等于在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩的位置，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触。
3.根据权利要求1所述的确定使得排气管相互连接的球接头在排气系统中的布置位置的方法，其中：
计算机辅助工程(CAE)分析用于获得在模拟振动施加给排气系统的上游端时的应力分布，该模拟振动模拟发动机的振动；以及根据获得的应力分布来检测这样的位置，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触。
4.根据权利要求2或3所述的确定使得排气管相互连接的球接头在排气系统中的布置位置的方法，其中：
对于模拟发动机振动的各频率，当模拟发动机振动施加给排气系统的上游端时，在排气系统中检测这样的位置，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩，该球形内周表面和球形外周表面是球接头的部件，并相互接触。
5.一种用于排出发动机排气的排气系统，该排气系统包括：
多个排气管；以及
球接头，该球接头使得排气管相互连接；以及
该球接头布置在这样的位置，当规定振动从发动机施加给排气系统时，在该位置处产生的弯曲力矩大于或等于在相互接触的球形内周表面和球形外周表面之间产生最大静摩擦力的扭矩。
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