ES2222428T3 - Metodo optimo de concepcion de nervaduras para componentes de un sistema de escape. - Google Patents

Abstract

Un método para diseñar un componente de un sistema de escape, comprendiendo el método: diseñar una configuración original para el componente del sistema de escape; convertir la configuración en una malla tridimensional; deformar la malla tridimensional para definir una configuración teórica óptima para el componente del sistema de escape para mejorar las frecuencias naturales del componente del sistema de escape; definir la malla tridimensional como una pluralidad de superficies planas de intersección; proyectar un diseño de puntos bidimensionales sobre la configuración teórica óptima; refinar las intersecciones de los paneles entre los puntos del diseño de puntos proyectado para definir las curvas con un radio de flexión substancialmente igual a la distancia entre los puntos del diseño de puntos para definir una configuración óptima que se puede fabricar para el componente del sistema de escape.

Description

Método óptimo de concepción de nervaduras para componentes de un sistema de escape.

Campo de la invención

La invención objeto se refiere generalmente a sistemas de escape, y más específicamente al diseño y localización de estructuras de refuerzo sobre un componente del sistema de escape para reducir al mínimo el ruido relacionado con la vibración.

Descripción de la técnica relacionada

El sistema de gas de escape de un vehículo automóvil canaliza el gas de escape desde el motor hasta un lugar donde el gas de escape puede emitirse de forma segura. El sistema de escape atenúa también el ruido asociado con la combustión del motor y el gas de escape que fluye. Un sistema típico de gas de escape incluye al menos un tubo de escape que se extiende desde el motor, al menos un silenciador de escape que comunica con el tubo de escape y al menos un tubo de cola que se extiende desde el silenciador. Un convertidor catalítico se comunica generalmente con el tubo de escape entre el silenciador y el motor.

El silenciador de escape de la técnica anterior incluye una entrada que comunica con el tubo de escape, una salida que comunica con el tubo de cola y una pluralidad de tubos internos y cámaras que permiten una expansión controlada del siguiente gas de escape y crea componentes de alteración acústica. La expansión del gas de escape disipa la energía asociada con el gas de escape que fluye y reduce significativamente los niveles de ruido. Los niveles de ruido son reducidos cuando encuentran componentes de alteración acústica.

Los técnicos pueden diseñar componentes internos de un silenciador basados en las características de flujo de gas de escape y la salida acústica del motor. El proceso del diseño es generalmente iterativo. Por tanto, un silenciador prototipo puede desarrollarse basado en las características de flujo y la salida acústica del gas de escape. El silenciador de prototipo es sometido a ensayo en banco con el motor, y se analiza la emisión de ruido. La serie de tubos y cámaras en el silenciador puede ser alterada entonces en un esfuerzo por mejorar la actuación del silenciador.

La mayoría de los silenciadores de la técnica anterior comprenden una serie de tubos cilíndricos convencionales que son soportados paralelos entre sí por una pluralidad de placas de desviación transversales. El sub-conjunto de los tubos y placas de desviación es deslizado en un armazón exterior tubular, de forma que las placas de desviación y el armazón exterior definen cámaras dentro del silenciador. Son perforados algunos tubos dentro de ciertas cámaras, mientras que otros tubos pueden terminar dentro de una cámara. Las tapas extremas opuestas o las cabeceras son montadas en los extremos opuestos del armazón exterior tubular. Una tapa extrema está provista, típicamente, con una entrada a la que se monta el tubo de escape. La tapa extrema opuesta está provista típicamente con una salida a la que se monta el tubo de cola.

La técnica anterior incluye también silenciadores formados por estampación. Un silenciador formado por estampación incluye placas que son estampadas para definir canales. Las placas son fijadas en relación opuesta unas con respecto a otras, de manera que se registran los canales. Una pareja de canales registrada define el equivalente funcional de un tubo convencional. El silenciador formado por estampación de la técnica anterior incluye una pareja de armazones exteriores formados por estampación, de manera que están fijados alrededor de los tubos definidos por las placas internas. Las porciones periféricas del armazón exterior y al menos una de las placas internas son fijadas entre sí para definir las cámaras que se comunican con los tubos formados por las placas internas. Los armazones exteriores están formados adicionalmente para definir al menos una entrada, y al menos una salida.

Los componentes del sistema de escape deben competir con otros componentes requeridos de un vehículo para el espacio definido limitado sobre un vehículo. Los silenciadores tubulares convencionales tienen algunas opciones para el tamaño, configuración y localización de entradas y salidas. Por tanto, los silenciadores tubulares convencionales no están bien adaptados para muchas aplicaciones, donde el espacio disponible está muy limitado. Por otro lado, los silenciadores formados por estampación no están limitados a una configuración tubular, y no requieren que la entrada y la salida estén en los extremos opuestos del silenciador. Por tanto, los silenciadores formados por estampación proporcionan más opciones de diseño que los silenciadores tubulares convencionales y son más deseables en muchas situaciones.

El ruido asociado con un sistema de escape de automóvil no está limitado al ruido generado por el gas de escape que fluye. Más particularmente, las fuerzas ejercidas por los gases de escape que fluyen y las fuerzas creadas por la energía acústica y de vibración del motor provocan que vibren los paneles tanto del silenciador tubular convencional como de un silenciador formado por estampación. Son amplificadas las vibraciones que coinciden con las frecuencias naturales en el armazón del silenciador. Los primeros varios modos de frecuencia natural pueden generar ruido desagradable independientemente del ruido asociado con el gas de escape.

Los fabricantes del sistema de escape han hecho frente típicamente al problema del ruido relacionado con la vibración, formando nervaduras en el armazón exterior y proporcionando una envoltura exterior separada. Las nervaduras y la envoltura exterior están destinadas a proporcionar rigidez mejorada, y reducir al mínimo así el ruido relacionado con la vibración. El diseño y localización de las nervaduras no han sido muy científicos generalmente. Un silenciador típico con un armazón exterior tubular incluirá una serie de nervaduras paralelas espaciadas que se extienden longitudinalmente a lo largo del silenciador. El espacio y el tamaño de las nervaduras sobre los silenciadores tubulares convencionales han sido dictados de manera significativa de un silenciador a otro. Algunos de los fabricantes del silenciador consideran que su patrón de nervadura funciona como una marca, y por tanto, ha existido poco incentivo para mejorar el diseño de la nervadura. Los silenciadores formados por estampación han incluido también nervaduras paralelas. Aunque los silenciadores formados por estampación se han adaptado a muchas configuraciones, las nervaduras se han extendido generalmente transversales a la dirección longitudinal del silenciador. Las ligeras variaciones del patrón de la nervadura sobre el silenciador formado por estampación podrían realizarse como parte del diseño iterativo descrito anteriormente de un silenciador. No obstante, variaciones de diseño de este tipo seguirían típicamente la tendencia que prevalece de las nervaduras paralelas, y los esfuerzos de re-diseño se han basado en ensayo y error.

Los fabricantes del sistema de escape están bajo presión substancial para reducir el peso de un sistema de escape. Adicionalmente, los fabricantes de automóviles típicamente sub-contratan el diseño y fabricación de los sistemas de escape, y el precio es un factor importante en la selección de un proveedor. Los ahorros de coste y peso pueden alcanzarse empleando metal más fino para el silenciador, eliminando el armazón exterior. No obstante, el ruido relacionado con la vibración se incrementa probablemente cuando el metal más fino es utilizado para el silenciador o cuando se elimina un armazón exterior.

Se ha desarrollo software por Altair Engineering y vendido bajo la marca OPTISRUCT® para identificar localizaciones sobre paneles de un silenciador, bandeja de aceite o similar que vibrará a frecuencias naturales seleccionadas. El software es empleado introduciendo los datos para definir el tamaño y la configuración del panel. El software identifica entonces los lugares que vibrarán a las frecuencias naturales seleccionadas y emite una geometría de armazón teórica que reduciría substancialmente las vibraciones a las frecuencias naturales seleccionadas. No obstante, la geometría de armazón teórica requerirá típicamente una matriz tridimensional con decenas de miles de superficies de intersección. De ahí que la geometría de armazón teórica producida por el software OPTISTRUCT® sea reconocida por no poderse fabricar y, se utiliza simplemente como una guía para desarrollar un patrón más efectivo de nervaduras paralelas. Por ejemplo, la identificación OPTISTRUCT® de localizaciones que vibrará a las frecuencias naturales seleccionadas y la geometría de armazón teórica puede presentarse a un técnico que designará las nervaduras paralelas en lugares que vibrarán a las frecuencias naturales seleccionadas y en lugares que aparecerán para requerir el refuerzo por otras razones. Los cambios geométricos que resultan de este patrón de nervadura propuesto serán introducidos al software OPTISTRUCT®, y se ejecutará una nueva simulación para determinar si se han evitado las vibraciones a las frecuencias naturales seleccionadas. Alternativamente, el técnico puede introducir los datos en relación con la anchura mínima de la nervadura, los ángulos de sección transversal recomendados para cada nervadura y la profundidad máxima de la nervadura. El software recomendará entonces uno o más patrones de nervadura opcional que eliminarán o reducirán substancialmente la vibración a las frecuencias naturales seleccionadas. Por tanto, el software OPTISTRUCT® puede utilizarse como parte de un esfuerzo por reducir el peso y los costes.

Un objeto de la invención es proporcionar un método eficiente para diseñar las nervaduras en un silenciador para proporcionar la resistencia óptima al ruido relacionada con la vibración a espesores de material reducidos.

Resumen de la invención

La solicitud objeto se refiere a un método para diseñar una configuración específica para un silenciador que mejora la resistencia a la vibración. El método comprende una etapa inicial de introducción de una geometría de armazón inicial como se dicta por las características de flujo de gas de escape y el espacio disponible. La entrada puede definir una matriz de X, Y y Z coordenadas. El método comprende entonces convertir la geometría inicial del armazón en una malla que comprende una pluralidad de cuadrados de rejilla.

El método continúa identificando los lugares sobre al menos un panel que mostrará las frecuencias de interés naturales y simulando después una hipotética deformación óptima de la malla para llevar al máximo la resistencia de las frecuencias naturales del panel. La simulación de la deformación hipotética óptima definirá una geometría de armazón teórica óptima que no se puede fabricar substancialmente en vista del gran número de superficies muy pequeñas más planas creadas a partir de la malla deformada. La etapa de simulación de la malla deformada puede llevarse a cabo utilizando el software OPTISTRUCT® vendido por Altair Engineering.

El método continúa proyectándose sobre el diseño de puntos bidimensionales de geometría teórica óptima que no se puede fabricar, que define una rejilla con puntos espaciados por un radio mínimo deseado de flexión para el material en lámina metálica seleccionado. Esta proyección produce una representación tridimensional de la geometría teórica óptima. Las superficies uniformes son creadas entonces desde el diseño de puntos para producir una configuración que se puede fabricar, que se adapta substancialmente a una porción principal de las superficies definidas por la geometría óptima hipotética de la malla deforma-
da.

El método reduce substancialmente el tiempo que se requeriría de otro modo para diseñar y someter a ensayo las nervaduras convencionales. Adicionalmente, el silenciador resultante reduce el número de frecuencias naturales que generan el ruido relacionado con la vibración, al mismo tiempo que se reduce simultáneamente el espesor y el peso del material.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista en perspectiva de un armazón de silenciador formado por estampación de acuerdo con la invención objeto.

La figura 2 es una vista en perspectiva del armazón de silenciador que muestra el lugar de la primera frecuencia natural.

Las figuras 3 y 3A son una vista en perspectiva de una malla de panel basada en los paneles del armazón del silenciador mostrado en la figura 1.

Las figuras 4 y 4A son una malla organizada que muestra la malla de la figura 3 para los paneles que muestran la primera frecuencia natural.

Las figuras 5, 5A y 5B muestran la deformación teórica óptima de la malla para los paneles objetivo mostrados en la figura 4.

La figura 6 es una vista en perspectiva similar a la figura 2, pero que muestra la localización de la primera frecuencia natural de la geometría teórica óptima de la figura 5.

La figura 7 es una vista en planta ampliada de una sección del panel deformada teóricamente mostrada en la figura 5 con un diseño de puntos bidimensionales proyectado sobre la misma

La figura 8 es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 8-8 en la figura 7 y que muestra la configuración óptima que se puede fabricar.

La figura 9 es una vista en perspectiva similar a la figura 5, pero que muestra la geometría óptima que se puede fabricar alcanzada por el refinamiento mostrado en las figuras 7 y 8.

Descripción detallada de la forma de realización preferida

Un armazón de silenciador de acuerdo con la invención se identifica generalmente por el número 10 en las figuras 1 y 9. El armazón de silenciador incluye un panel inferior 12, una pluralidad de paneles laterales 14 que se extienden angularmente desde el panel inferior 12 y una pestaña periférica 16 que se extiende desde los paneles laterales 14 para acoplamiento con una pestaña periférica correspondiente de otro armazón del silenciador. Un canal de entrada 18 y un canal de salida 20 se forman adyacentes a la pestaña periférica 15 y los paneles laterales 12 permiten que un tubo de escape y tubo de cola se comuniquen con los componentes internos del silenciador.

Ciertas regiones sobre el panel inferior más grande 12 del armazón del silenciador 10 vibran a frecuencias naturales bien seleccionadas dentro del intervalo audible. La localización de estas regiones se determina por las técnicas analíticas conocidas. Las localizaciones de las regiones que vibrarán en la primera frecuencia natural se ilustran en la figura 2. Las localizaciones que tienen otras frecuencias naturales pueden determinarse de una manera similar. En un silenciador típico, del primer al décimo modos de frecuencia natural tendrán valores de frecuencia que son de interés, y las localizaciones de estas frecuencias naturales se determinan por las técnicas analíticas conoci-
das.

Las deformaciones del armazón que mejorarán el valor de frecuencias naturales puede alcanzarse convirtiendo inicialmente la geometría del armazón de la figura 1 a una malla, como se muestra en la figura 3. La malla es definida por un gran número de cuadrados de rejilla con coordenadas que se adaptan substancialmente a la geometría definida por el panel inferior 12, los paneles laterales 14 y la pestaña periférica 16. Los paneles laterales 14 típicamente son también pequeños para tener frecuencias naturales que serán detectadas por los humanos y plantearán dificultades de formación con nervaduras profundas. Por tanto, los paneles laterales 14 requieren nervaduras menos profundas para el diseño de deformación óptimo.

La geometría de los paneles 12 y 14 definidos por la malla de la figura 4 es objeto de una deformación simulada en la que las secciones de rejilla individual definidas por la malla en la figura 4 son deformadas con respecto a las secciones de rejilla adyacente. Las deformaciones son simuladas inicialmente en los lugares de la mayoría de las frecuencias naturales inaceptable, y los impactos de tales deformaciones son valorados por la simulación. A través de una serie de iteraciones que implican los cambios de configuración simulados a loa paneles 12 y 14, se determina una configuración teórica óptima para los paneles 12 y 14 del armazón 10, como se muestra en la figura 5. La configuración óptima mostrada en la figura 5 incluye decenas de miles de pequeños paneles de intersección alineados angularmente de la malla que se ha mostrado en la figura 4. La simulación adicional puede valorar las frecuencias naturales de la configuración teórica mostrada en la figura 5. Más particularmente, la figura 6 muestra una simulación de la primera frecuencia natural del panel 10 mostrado en la figura 5. Una comparación de las figuras 2 y 6 muestra que las áreas aisladas bien definidas en la figura 2 que vibrarían a la primera frecuencia natural, han sido sustituidas por el patrón de distribución de frecuencia mostrado en la figura 6, que se produciría a una frecuencia más alta.

No obstante, el patrón de deformación hipotético óptimo mostrado en la figura 5, no se puede fabricar substancialmente en vista de los ángulos complejos definidos por las decenas de miles de paneles de intersección. Más particularmente, el metal podría no estar deformado de una manera con un coste efectivo para alcanzar la serie compleja de superficies de intersección mostradas en la figura 5. La decisión acertada convencional para diseñar silenciadores emplearía simplemente la salida de la figura 5 para seleccionar el lugar de las nervaduras paralelas que deben formarse en el armazón 12. Este proceso requeriría tiempo de diseño técnico considerable y tanto simulación como ensayo en banco.

El método de la invención continúa proyectando un diseño de puntos bidimensionales sobre la configuración teórica óptima mostrada en la figura 5. El diseño de puntos bidimensionales, como se muestra en la figura 7, define una serie bidimensional de puntos que están espaciados por un radio de flexión mínimo seleccionado para el metal en lámina desde el que debe formarse el panel. Un espacio preferido entre los puntos del diseño de puntos es 4,5 mm. No obstante, las distancias entre los puntos del diseño de puntos bidimensionales dependerán del tipo y del espesor del metal. Esta proyección del diseño de puntos bidimensionales sobre la configuración teórica óptima define efectivamente un diseño de puntos tridimensional. Las secciones de la configuración teórica óptima que se une entre los puntos del diseño de puntos y que se une sobre las diferentes facetas o superficies de la configuración teórica óptica son refinadas con radios que se adaptan al espacio entre los puntos, como se muestra en la figura 8. Por tanto, la configuración teórica óptima es convertida en una configuración que se puede fabricar con menos superficies de intersección y curvas más uniformes entre las superficies de intersección. El resultado final, como se muestra en la figura 9, es una serie irregular de discontinuidades definidas por las curvas uniformes entre las superficies planas de intersección que se adaptan substancialmente con la geometría hipotética óptima descrita en la figura 5.

Este proceso descrito anteriormente permite un descenso en el espesor del material sin sacrificar la rigidez del panel. Por tanto, el ruido relacionado con la vibración puede controlarse siempre que se alcance peso reducido y menor coste. Adicionalmente, el tiempo de diseño puede reducirse evitando la necesidad de un técnico para diseñar los patrones de nervadura alternos y someter a ensayo los varios patrones de nervadura diseñados para efectividad en la reducción del ruido relacionado con la vibración.

La forma de realización ilustrada muestra el diseño de las deformaciones en el armazón de salida de un silenciador formado por estampación. No obstante, el método descrito aquí puede utilizarse para protecciones térmicas, resonadores, conos extremos del convertidor, convertidor y armazones de silenciador, tapas extremas, placas desviadoras internas y paneles interiores para componentes del sistema de escape.

La forma de realización describe el uso de un diseño de puntos bidimensionales que es proyectado sobre la configuración teórica óptima que no se puede fabricar. El diseño puntos es la geometría de uso deseada, pero puede utilizarse cualquier geometría a partir de la cual pueda fabricarse una superficie o bien directa o indirectamente. Estas geometrías incluyen pero no están limitadas a líneas, arcos y ranuras.

Claims (8)

1. Un método para diseñar un componente de un sistema de escape, comprendiendo el método:

diseñar una configuración original para el componente del sistema de escape;

convertir la configuración en una malla tridimensional; deformar la malla tridimensional para definir una configuración teórica óptima para el componente del sistema de escape para mejorar las frecuencias naturales del componente del sistema de escape; definir la malla tridimensional como una pluralidad de superficies planas de intersección; proyectar un diseño de puntos bidimensionales sobre la configuración teórica óptima; refinar las intersecciones de los paneles entre los puntos del diseño de puntos proyectado para definir las curvas con un radio de flexión substancialmente igual a la distancia entre los puntos del diseño de puntos para definir una configuración óptima que se puede fabricar para el componente del sistema de escape.

2. El método de la reivindicación 1, donde el diseño de puntos bidimensionales define una rejilla rectangular bidimensional.

3. El método de la reivindicación 2, donde la rejilla del diseño de puntos bidimensionales comprende una pluralidad de puntos, siendo espaciados dichos puntos entre sí por una distancia que se adapta a un radio de flexión mínimo seleccionado para material a partir del cual se fabrica el componente del sistema de escape.

4. El método de la reivindicación 2 ó 3, donde la rejilla del diseño de puntos bidimensionales comprende uno rectangular fuera de los puntos en un espacio de aproximadamente 4,5 mm.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende adicionalmente las etapas seleccionadas al menos de un panel sobre la configuración original, y lugares de simulación para al menos una primera frecuencia natural sobre el panel seleccionado antes de deformar la malla tridimensional para definir una configuración teórica para el componente del sistema de escape.

6. El método de la reivindicación 5, que comprende adicionalmente la etapa de simular lugares que vibrarán al menos a la primera frecuencia natural después de deformar la malla tridimensional para definir una configuración teórica óptima.

7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde después de diseñar la configuración original, el método comprende adicionalmente la etapa de seleccionar al menos un panel de la configuración original y realizar etapas del método posteriores sobre el panel.

8. Un método para la fabricación de un sistema de escape, comprendiendo el método:

diseñar una configuración original para el silenciador de escape basado en las características de disponibilidad del espacio y de flujo de escape;

convertir la configuración original digitalmente a una malla digital tridimensional;

simular lugares sobre la malla tridimensional que vibrará al menos a una primera frecuencia natural;

deformar digitalmente la malla tridimensional para definir una configuración teórica óptima para el silenciador de escape para mejorar las frecuencias naturales del silenciador de escape;

definir la malla tridimensional mejorada como una pluralidad de superficies planas de intersección;

proyectar digitalmente un diseño de puntos bidimensional sobre las superficies planas de intersección;

refinar las intersecciones de los paneles entre los puntos del diseño de puntos proyectado para definir las curvas con un radio de flexión substancialmente igual a las distancias entre los puntos del diseño de puntos para definir una configuración óptima que se puede fabricar para el silenciador de escape;

proporcionar una lámina de metal; y

deformar la lámina de metal para adaptarse a la configuración óptima que se puede fabricar.