CN110566329A - 一种汽车消声器固定支架及其特性计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车零件技术领域，具体是一种汽车消声器固定支架及其特性计算方法，所述固定支架包括有隔热支架和吊耳组件，所述吊耳组件包括有橡胶吊耳和吊耳托盘，所述吊耳托盘的边缘设置有与橡胶吊耳外形结构相同的折边，所述隔热支架为几字形支架，所述隔热支架上设置有通孔，所述橡胶吊耳为中字型结构，所述橡胶吊耳的两端分别设置有安装孔，所述隔热支架通过螺栓贯穿通孔和安装孔与吊耳固定连接，吊耳托盘设置有用于避让螺栓的避让孔，本发明的结构简单，下部宽大上部紧凑，减少支架和橡胶吊耳在恶劣工况下的位移量，橡胶安装托盘又能起到隔热作用，一定程度上保护橡胶吊耳，减少排气系统的热辐射。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零件技术领域，具体是一种汽车消声器固定支架及其特性计算方法。
背景技术
汽车排气系统主要是用于排出发动机工作的废气，同时使排出的废气污染和噪音减小。而排气系统的固定支架，主要起到减震降噪和延长排气系统寿命的作用。
现有的汽车消声器一般由焊接于排气管上的排气吊钩、橡胶吊耳、下部车身焊接吊钩组成，这种形式的排气系统吊挂装置，在进行排气系统吊钩的强度分析时发现，当对下部车身吊钩进行受力分解时，吊钩和橡胶产生的X向(或Y向)位移，会导致在恶劣工况下橡胶吊耳与热源距离变小。对于汽车消声器的支撑和固定支架，有专利(专利号：CN203532032U)公开了一种汽车消声器固定装置，其采用L形支架，支架上设有与车架固定连接的纵臂和横臂，使汽车消声器固定于车架上。但该专利用于圆形汽车消声器固定时，汽车消声器不易正确装配；纵臂为一平板结构，装配整个汽车消声器时该纵臂与车架面重合，占用车架上的空间较多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车消声器固定支架及其特性计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的技术方案是：
一种固定支架，所述固定支架包括有隔热支架和吊耳组件，所述吊耳组件包括有橡胶吊耳和吊耳托盘，所述吊耳托盘的边缘设置有与橡胶吊耳外形结构相同的折边，所述隔热支架为几字形支架，所述隔热支架上设置有通孔，所述橡胶吊耳为中字型结构，所述橡胶吊耳的两端分别设置有安装孔，所述隔热支架通过螺栓贯穿通孔和安装孔与吊耳固定连接，所述橡胶吊耳放置在吊耳托盘内，吊耳托盘设置有用于避让螺栓的避让孔。
进一步的，所述隔热支架包括有用于承托橡胶吊耳的连接面和两个一体成型在连接面两侧的法兰面一，所述法兰面一垂直于连接面，法兰面一远离连接面的侧边一体成型有弧面结构的法兰面二，所述法兰面二的中心线垂直于法兰面一。
进一步的，所述橡胶吊耳两端的安装孔分为第一安装孔和第二安装孔，所述螺栓贯穿第二安装孔与隔热支架固定连接，所述第一安装孔通过铰接轴与车体的底部铰接，所述第一安装孔和第二安装孔的中心线相互垂直，所述第一安装孔的中心线与法兰面二垂直，所述第二安装孔的中心线垂直于连接面。
进一步的，所述吊耳托盘的避让孔能够与第二安装孔中心线重合，所述折边围绕橡胶吊耳靠近第二安装孔的一端设置。
进一步的，所述橡胶吊耳的中心设有工字形孔。
进一步的，所述吊耳托盘远离避让孔的侧边设置有限位挡边。
进一步的，一种汽车消声器固定支架及其特性计算方法，包括有以下步骤：
应力计算步骤：所述隔热支架在弹性状态下的应力与应变之间的线性关系：
σ＝E×ε…………………………………(1)
σ：应力，隔热支架受外因而变形时，在隔热支架各部分之间产生相互作用的内力，应力在所考察的截面某一点上单位面积的内力，E：弹性模量，ε：应变，隔热支架与外力同方向的伸长率。
隔热支架在开始塑性变形前吸收弹性变形功We，单位体积所能吸收的弹性变形功用下式表示：
E：弹性模量；
σε：为弹性极限，指隔热支架受外力到某一限度时，若除去外力，其变形即消失而恢复原状，若继续增大外力，会产生塑性变形直至断裂，单位为MN·m-2；eε：最大弹性应变，隔热支架与外力同方向的最大伸长率。
热传递计算步骤：橡胶吊耳受到排气系统的热传递采用的雷诺数、热传导和努塞尔数来表示：
雷诺数的计算公式如下：
其中，μ：排气系统的气流速度；L：排气系统的热量传递的长度；θ：排气系统的气流的动力粘度；
努塞尔数的计算公式如下：
其中，k为传热系数；A为隔热支架与橡胶吊耳的传热面积，T为橡胶吊耳的实际温度，T0橡胶吊耳的初始温度℃；d为橡胶吊耳与热源的实际距离；Q为由汽车消声器传递至支架的热量；
排气系统的周围有一定气体流速时，平均对流换热系数可以表示如下：
其中，L：排气系统的热量传递的长度，k:传热系数；
本发明通过改进在此提供一种汽车消声器固定支架及其特性计算方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
其一：本发明的结构简单，下部宽大上部紧凑，保证安装的稳定性，减少支架和橡胶吊耳在恶劣工况下的位移量，减小占用空间。
其二：橡胶安装托盘又能起到隔热作用，一定程度上保护橡胶吊耳，减少排气系统的热辐射。
其三：本发明固定支架布置在汽车消声器两侧，减少橡胶所受热辐射。
其四：尽量减少支架和橡胶的位移，并减少橡胶所受排气管路热辐射，以提高固定支架的稳定性和耐老化性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:
图1是本发明固定支架与汽车消声器的立体装配示意图；
图2是本发明的立体结构示意图一；
图3是本发明的立体结构示意图二；
图4是本发明消声器隔热支架和橡胶吊耳之间传递热量的简化示意图；
附图标记说明：
汽车消声器1，固定支架2，橡胶吊耳3，第一安装孔31，工字形孔33，吊耳托盘4，折边41，限位挡边42，螺栓5，隔热支架6，连接面61，法兰面一62，法兰面二63。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种汽车消声器固定支架，如图1-图4所示，所述固定支架2包括有隔热支架6和吊耳组件，所述吊耳组件包括有橡胶吊耳3和吊耳托盘4，所述吊耳托盘4的边缘设置有与橡胶吊耳3外形结构相同的折边41，所述隔热支架6为几字形支架，所述隔热支架6上设置有通孔，所述橡胶吊耳3为中字型结构，所述橡胶吊耳3的两端分别设置有安装孔，所述隔热支架6通过螺栓5贯穿通孔和安装孔与吊耳固定连接，所述橡胶吊耳3放置在吊耳托盘4内，吊耳托盘4设置有用于避让螺栓5的避让孔，固定支架2布置在汽车消声器1两侧，隔热支架6焊接在汽车消声器1，橡胶吊耳3铰接在车体的底部，本发明设计汽车消声器1隔热支架6，可以使橡胶吊耳3安装在汽车消声器1的隔热支架6内，减少热辐射的影响量。
本发明是基于结构受力和传热基础上提出的，对于载货汽车而言，在大多数情况下，客户的使用条件会超载，那么排气系统的热量比正常装载条件下的大，排气管路表面的温度升高。
一般乘用车的排气系统都采用吊钩+吊耳组合式，这种组合的优点是布置简单，但是客户对于乘坐舒适性要求较高，即对吊钩结构强度、刚度和模态的综合要求比较高。而对于载货汽车而言，因为其严苛的使用条件为满载或超载，那么对应发动机的发热量会较高，排气系统辐射热较大，在此状态下，若排气吊钩焊接在排气管路上，则橡胶吊耳3长时间受到力和热辐射的双重作用而造成橡胶材料的加速老化。
本发明设计汽车消声器1隔热支架6，可以使橡胶吊耳3安装在汽车消声器1的隔热支架6内，减少热辐射的影响量。
所述隔热支架6包括有用于承托橡胶吊耳3的连接面61和两个一体成型在连接面61两侧的法兰面一62，所述法兰面一62垂直于连接面61，法兰面一62远离连接面61的侧边一体成型有弧面结构的法兰面二63，所述法兰面二63的中心线垂直于法兰面一62，隔热支架6的法兰面二63点焊在汽车消声器1上，减小传热面积。
所述橡胶吊耳3两端的安装孔分为第一安装孔31和第二安装孔，所述螺栓5贯穿第二安装孔与隔热支架6固定连接，所述第一安装孔31通过铰接轴与车体的底部铰接，所述第一安装孔31和第二安装孔的中心线相互垂直，所述第一安装孔31的中心线与法兰面二63垂直，所述第二安装孔的中心线垂直于连接面61，通过螺栓5将橡胶吊耳3和吊耳托盘4固定在隔热支架6上。
所述吊耳托盘4的避让孔能够与第二安装孔中心线重合，所述折边41围绕橡胶吊耳3靠近第二安装孔的一端设置，吊耳托盘4也能起到隔热功能。
所述橡胶吊耳3的中心设有工字形孔33，在减小成本的同时，
所述吊耳托盘4远离避让孔的侧边设置有限位挡边42。
一种汽车消声器固定支架及其特性计算方法，包括有以下步骤：
应力计算步骤：所述隔热支架6在弹性状态下的应力与应变之间的线性关系：
σ＝E×ε…………………………………(1)
σ：应力，隔热支架6受外因而变形时，在隔热支架6各部分之间产生相互作用的内力，应力在所考察的截面某一点上单位面积的内力，单位为MN·m-2；E：弹性模量，单位为MN·m-2；ε：应变，隔热支架6与外力同方向的伸长率。
隔热支架6在开始塑性变形前吸收弹性变形功We，单位体积所能吸收的弹性变形功用下式表示：
E：弹性模量；
σε：为弹性极限，指隔热支架6受外力到某一限度时，若除去外力，其变形即消失而恢复原状，若继续增大外力，会产生塑性变形直至断裂，单位为MN·m-2；eε：最大弹性应变，隔热支架6与外力同方向的最大伸长率。
在材料制造过程中，需要有较高的弹性比功，而通过适当的热处理可以使材料获得较高的弹性极限，进而获得较高的比功，通过以上计算，能够针对性对隔热支架6进行选材。
举例：常见材料为铸铁或不锈钢材料。以中碳钢和高碳钢为例，两者的弹性模量E均为206800MN·m-2，弹性极限σε分别为310MN·m-2和970MN·m-2，根据公式计算，两者的弹性比功分别为0.23MN·m-2和2.27MN·m-2。
由以上两种材料的对比可以看出，高碳钢更适合作为排气系统的固定支架2，它表示金属材料吸收弹性变形功的能力，可用于金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大变形功，此种材料的金属在加载时以不可逆方式吸收能量或理解为内耗，而在卸载时释放弹性变形功We。利用弹性滞后的特性，可用于汽车的排气系统固定支架2和吊钩等消震材料，以达到汽车稳定运行的目的。
汽车在行驶过程中会有各种工况，如加速、制动、转弯、转弯制动、前后轮单跳、前后轮双跳等工况。在以上工况过程中，隔热支架6需要满足强度和刚度的要求，使其在不同工况下加载负荷时，能够满足最大应力和最大塑性应变的要求。
对于汽车消声器1与隔热支架6之间的热传导，设其为平板传热，对于“几”字形空腔金属的隔热支架6，利用对流换热特性简化计算，其中，金属支架表面气流的雷诺数为Re，平均对流换热系数为根据以下简化模型计算空腔内的气流温升，以此预测排气系统在工作时橡胶吊耳3的温度。
如图4所示，图4中A为消声器壁面，B为隔热支架6厚度，C为橡胶吊耳3，热量传递从排气系统经过隔热支架6到橡胶吊耳3上，热传递计算步骤：橡胶吊耳3受到排气系统的热传递采用的雷诺数、热传导和努塞尔数来表示：
简化计算方法如下：假设气流速度μ＝4m/S,气流的运动粘度θ＝1.57×10-5m2/s,空气的导热系数κ＝2.6×10-2w·m-2·k-2,支架截面长度L＝30mm,汽车消声器1表面积A＝0.35m2，由汽车消声器1传递至支架的热量Q＝2.5kw，汽车消声器1及排气管表面温度T0＝450℃～480℃。
雷诺数的计算公式如下：
其中，μ：排气系统的气流速度；L：排气系统的热量传递的长度；θ：排气系统的气流的动力粘度；
橡胶吊耳3受热的热传导公式如下：
其中，k为传热系数；T为橡胶吊耳3的实际温度，T0橡胶吊耳3的初始温度℃；d0为橡胶吊耳3与热源的常规距离；d为橡胶吊耳3与热源的实际距离；
努塞尔数的计算公式如下：
其中，k为传热系数；A为隔热支架6与橡胶吊耳3的传热面积，T为橡胶吊耳3的实际温度，T0橡胶吊耳3的初始温度℃；d为橡胶吊耳3与热源的实际距离；
排气系统的周围有一定气体流速时，平均对流换热系数可以表示如下：
其中，L：排气系统的热量传递的长度，k:传热系数；
根据换热量的计算得到：ΔT＝317℃，则在恶劣工况如满载爬坡工况下，综合考虑热传导和热对流，由汽车消声器1经隔热支架6传递给橡胶吊耳3的温度为T1＝T0-ΔT，橡胶吊耳3的本体温度将达到132℃～162℃。
能承受该温度范围的橡胶材料，可以从常见的三元乙丙橡胶EPDM中选择，尤其是以过氧化物交联的三元乙丙橡胶，具有耐臭氧、耐热、耐候等耐老化的优异性能，可在高于150℃的环境下使用不产生龟裂。
基于以上简化计算，本发明橡胶吊耳3采用尤其是以过氧化物交联的三元乙丙橡胶，强度和耐老化性能均满足整车行驶的需求。
实际应用前景：
汽车是一个连续系统，即系统的质量和弹性是分布在结构上的，而汽车消声器1一般为抗性汽车消声器1，该类型的汽车消声器1的消声原理是通过设置内部管道和挡板，使排气系统的能量衰退，汽车消声器1内每一个带管的小室相当于滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电感和电阻，称为声质量和声阻。每一个带管的小室都有自己的固有频率，这些固有频率叠加，容易造成排气系统的共振。将支架焊接于汽车消声器1，可以改变其固有频率。
从能量角度考虑，将汽车消声器1作为一个整体，在相同的辐射热量的情况下，热流密度与面积成反比，由于汽车消声器1内能量的衰退和辐射面积增大，汽车消声器1外表面气流的热流密度变小。因此，将固定支架2布置在汽车消声器1两侧，一定程度上可以减少橡胶所受热辐射。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种汽车消声器固定支架，其特征在于：所述固定支架(2)包括有隔热支架(6)和吊耳组件，所述吊耳组件包括有橡胶吊耳(3)和吊耳托盘(4)，所述吊耳托盘(4)的边缘设置有与橡胶吊耳(3)外形结构相同的折边(41)，所述隔热支架(6)为几字形支架，所述隔热支架(6)上设置有通孔，所述橡胶吊耳(3)为中字型结构，所述橡胶吊耳(3)的两端分别设置有安装孔，所述隔热支架(6)通过螺栓(5)贯穿通孔和安装孔与吊耳固定连接，所述橡胶吊耳(3)放置在吊耳托盘(4)内，吊耳托盘(4)设置有用于避让螺栓(5)的避让孔。
2.根据权利要求1所述的一种汽车消声器固定支架，其特征在于：所述隔热支架(6)包括有用于承托橡胶吊耳(3)的连接面(61)和两个一体成型在连接面(61)两侧的法兰面一(62)，所述法兰面一(62)垂直于连接面(61)，法兰面一(62)远离连接面(61)的侧边一体成型有弧面结构的法兰面二(63)，所述法兰面二(63)的中心线垂直于法兰面一(62)。
3.根据权利要求2所述的一种汽车消声器固定支架，其特征在于：所述橡胶吊耳(3)两端的安装孔分为第一安装孔(31)和第二安装孔，所述螺栓(5)贯穿第二安装孔与隔热支架(6)固定连接，所述第一安装孔(31)通过铰接轴与车体的底部铰接，所述第一安装孔(31)和第二安装孔的中心线相互垂直，所述第一安装孔(31)的中心线与法兰面二(63)垂直，所述第二安装孔的中心线垂直于连接面(61)。
4.根据权利要求1所述的一种汽车消声器固定支架，其特征在于：所述吊耳托盘(4)的避让孔能够与第二安装孔中心线重合，所述折边(41)围绕橡胶吊耳(3)靠近第二安装孔的一端设置。
5.根据权利要求1所述的一种汽车消声器固定支架，其特征在于：所述橡胶吊耳(3)的中心设有工字形孔(33)。
6.根据权利要求1所述的一种汽车消声器固定支架，其特征在于：所述吊耳托盘(4)远离避让孔的侧边设置有限位挡边(42)。
7.根据权利要求1～6所述的一种汽车消声器固定支架的特性计算方法，其特征在于：包括有以下步骤：
应力计算步骤：所述隔热支架(6)在弹性状态下的应力与应变之间的线性关系：
σ＝E×ε…………………………………(1)
σ：应力，隔热支架(6)受外因而变形时，在隔热支架(6)各部分之间产生相互作用的内力，应力在所考察的截面某一点上单位面积的内力，E：弹性模量，ε：应变，隔热支架(6)与外力同方向的伸长率；
隔热支架(6)在开始塑性变形前吸收弹性变形功We，单位体积所能吸收的弹性变形功用下式表示：
E：弹性模量；σε：为弹性极限，指隔热支架(6)受外力到某一限度时，若除去外力，其变形即消失而恢复原状，若继续增大外力，会产生塑性变形直至断裂，单位为MN·m-2；eε：最大弹性应变，隔热支架(6)与外力同方向的最大伸长率；
热传递计算步骤：橡胶吊耳(3)受到排气系统的热传递采用的雷诺数、热传导和努塞尔数来表示：
雷诺数的计算公式如下：
其中，μ：排气系统的气流速度；L：排气系统的热量传递的长度；θ：排气系统的气流的动力粘度；
努塞尔数的计算公式如下：
其中，k为传热系数；A为隔热支架(6)与橡胶吊耳(3)的传热面积，T为橡胶吊耳(3)的实际温度，T0橡胶吊耳(3)的初始温度℃；d为橡胶吊耳(3)与热源的实际距离；Q为由消声器传递至支架的热量；
排气系统的周围有一定气体流速时，平均对流换热系数表示如下：
其中，L：排气系统的热量传递的长度，k:传热系数。
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