汽車排氣系統(tǒng)吊鉤位置優(yōu)化

李春楠梁婷婷周 健何森東

（1.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津 300000；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545001）

汽車排氣系統(tǒng)吊鉤位置優(yōu)化

李春楠1梁婷婷2周 健1何森東1

（1.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津 300000；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545001）

汽車排氣系統(tǒng)吊鉤振動通過減震橡膠吊耳與車身相連，利用HYPERMESH和MSC．NASTRAN軟件對排氣系統(tǒng)進行有限元建模以及其模態(tài)分析，并根據(jù)平均驅動自由度位移(ADDOFD)法對排氣系統(tǒng)吊鉤位置進行了優(yōu)化，最后結合LMS軟件實際振動測試進行驗證。

排氣系統(tǒng)；模態(tài)分析；吊鉤位置；平均驅動自由度位移法

隨著中國社會經濟水平的提高，汽車產品越來越多的走進了我們的生活，隨之而來的是人們對汽車各種越來越高的要求，其中NVH[Noise(噪聲)、Vibration(振動)、Harshness(不舒適性)][1]逐步變成人們關心的話題。汽車排氣系統(tǒng)作為NVH主要影響因素之一，受到了學術界的廣泛重視，其主要影響是在發(fā)動機排氣過程中產生的振動傳遞至排氣吊鉤然后通過減震橡膠吊耳能量衰減，最后傳遞至車身，使車內駕乘人員感受到排氣系統(tǒng)帶來的振動與噪聲，因此如何合理化布置排氣吊鉤，使其振動能量最少的傳遞至車身成為了排氣系統(tǒng)前期設計的重點關注項目。

1 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

1.1 排氣系統(tǒng)有限元模型的建立

（1）主副消聲器筒體、催化轉化器和管體采用殼單元shell進行網格劃分，并完成厚度和材料信息定義；

（2）法蘭連接處用rbe2剛性單元連接；

（3）吊鉤采用采用PSOLID單元；

（4）金屬材料參數(shù)如下表1。

表1 排氣系統(tǒng)金屬材料特性

完成后的有限元模型如圖1所示。

圖1 排氣系統(tǒng)有限元模型

1.2 排氣系統(tǒng)有限元模型模態(tài)計算及結果

模態(tài)分析時整個模型系統(tǒng)完全自由，對懸掛點位置、法蘭不施加約束。采用MSC Nastran SOL103求解器，應用Lanczos(蘭索斯法)算法[2-3]提取其結構模態(tài),提取200Hz以內的非零模態(tài)，分析結果見表2，主要振型圖見圖2。

表2 模態(tài)分析結果

圖2 模態(tài)振型圖

以上計算結果表明，該排氣系統(tǒng)主要彎曲模態(tài)與扭轉模態(tài)完全可以避開在發(fā)動機(四缸)怠速頻率范圍內25Hz～28Hz，符合排氣系統(tǒng)模態(tài)設計要求，因此筆者將在此基礎上進行排氣系統(tǒng)吊鉤位置分析。

因為忽略了翼緣板對鋼腹板的遮擋作用，所以對模型橫向的溫度加載是對稱的，模型x軸方向的變形也是對稱的。模型在15:00混凝土翼緣板兩邊緣達到最大橫向位移0.75 mm。

2 排氣系統(tǒng)吊鉤位置分析

2.1 平均驅動自由度位移(ADDOFD)法

采用(ADDOFD)法[2]選出模態(tài)振動較小的部位設置懸掛吊鉤位置，減小其振動的能量傳遞至車身，最大程度上避免排氣系統(tǒng)模態(tài)與整車發(fā)生共振，其相關理論：

假設單點激勵,根據(jù)多自由度系統(tǒng)模態(tài)分析理論,響應點和激勵點p之間的頻率響函數(shù)為:

其中，是個測點，第r個模態(tài)振型系數(shù)

Mr和ζr分別是模態(tài)質量，模態(tài)阻尼比，如果激勵力的頻率為ωr，則近似的有：

對于線性系統(tǒng)，位移響應得幅值和頻率響應函數(shù)的幅值成正比，進一步假設振型以質量矩陣歸一化，各階的模態(tài)阻尼近似相等，則：

定義第j 個自由度的平均驅動自由度位移（Average Driving DOF Displacement）為：

ADDOFD(j)可以用來預測j自由度在一般激勵情況下(在某個頻率范圍內的所有模態(tài)均被激發(fā))的位移響應的相應大小。本方法也常應用于模態(tài)試驗中對實驗模型要求較高的情況。如果僅僅測試一階模態(tài)，則平均驅動自由度位移最小點位于這一階模型的節(jié)點處。

2.2 排氣系統(tǒng)吊鉤位置分析

在排氣系統(tǒng)FEM數(shù)模波紋管出氣口段開始每間隔50mm選取一個節(jié)點重新編號，以便對吊鉤位置進行標記，該排氣系統(tǒng)共計標記76個節(jié)點，其中吊鉤初始設計位置為節(jié)點編號22、47、63、73如圖3所示。

圖3 吊鉤位置

通過平均驅動自由度位移(ADDOFD)法計算，計算排氣系統(tǒng)200Hz以內自由模態(tài)，并通過后處理軟件將各階次振型位移輸出，然后計權累加，結果如圖4所示。

圖4 ADDOFD

由圖4曲線與吊鉤實際位置對比可知，該排氣系統(tǒng)吊鉤2布置位置處于曲線峰值，排氣系統(tǒng)吊鉤應該是在圖4曲線波谷或接近波谷的那些點，盡量避免選擇那些位于波峰的點，因此需要重新布置。

3 優(yōu)化與驗證

根據(jù)以上分析結果，在滿足車身對排氣系統(tǒng)主消支返力的前提下，建議將排氣系統(tǒng)吊鉤2位置沿系統(tǒng)坐標—X方向平移500mm，并通過LMS測試設備驗證優(yōu)化前后車內振動。測試時在車內駕乘人員腳底地板位置布置振動傳感器如圖5所示，然后進行三檔全油門加速工況車內振動測試，優(yōu)化前原狀態(tài),測試結果如圖6、圖7所示。

圖5 車內振動測試點示意圖

圖6 測點1原狀態(tài)測試數(shù)據(jù)

圖7 測點2原狀態(tài)測試數(shù)據(jù)

由圖8可知，測點2在優(yōu)化后曲線較為平滑，1200、1900、2500r/min左右峰值基本消除，表明優(yōu)化后車內地板振動明顯降低。綜上所述，該排氣系統(tǒng)吊鉤2位置沿系統(tǒng)坐標—X方向平移500mm使車內振動得到明顯改善。

4 結論

針對排氣系統(tǒng)對車內振動影響問題，通過對排氣系統(tǒng)模態(tài)仿真，對排氣系統(tǒng)懸掛點位置進行優(yōu)化。測試結果表明：排氣系統(tǒng)通過懸掛點傳遞振動是影響車內振動得重要因素之一，并對懸掛點附近車內振動有較大影響，通過優(yōu)化排氣系統(tǒng)懸掛點位置能有效降低車內振動。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

[2] 傅志方,華宏星.模態(tài)分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社,2000.

[3] 楊萬里,陳燕,鄧小龍.乘用車排氣系統(tǒng)模態(tài)分析數(shù)值模型研究[J].三峽大學學報:自然科學版,2005,1(4):345-347.

由圖6～圖7可知，測點2優(yōu)化前Z向振動較大，且于，1200、1900、2500r/min左右存在明顯峰值，表明在此轉速下駕乘人員可以明顯感受到強烈的振動，采用優(yōu)化方案后在此進行三檔全油門加速工。況車內振動測試，測點2測試結果如圖8所示。

Automobile exhaust system hook location optimization

automobile exhaust system hook is connected to the body by vibration damping rubber, using HYPERMESH and MSC. NASTRAN to build exhaust system FEM and its modal analysis, and according to the average driving DOF displacement (ADDOFD) method to optimize the location of the exhaust system hook, Finally combined with LMS software actual vibration testing for validation.

Exhaust system; modal analysis; hook position; ADDOFD

圖8 測點2優(yōu)化方案測試數(shù)據(jù)

U464

A

1008-1151(2015)01-0082-03

2014-12-11

李春楠，中國汽車技術研究中心汽車工程研究院NVH研發(fā)工程師。