乘用車排氣系統吊鉤位置優化

楊小東 李東晗 齊冬亮 趙寧

摘要：

使用模態分析和平均驅動自由度位移法，對某乘用車排氣系統吊鉤位置進行分析評估，提出優化方案，采用排氣系統頻響分析驗證優化效果。優化后各吊鉤振動位移和加速度明顯降低，驗證該排氣系統吊鉤位置優化方案的合理性和可行性。

關鍵詞：

排氣系統； 模態； 平均驅動自由度位移法； 頻響； 吊鉤； 結構優化

中圖分類號： U467.48

文獻標志碼： B

Optimization on exhaust system hanger location of passenger car

YANG Xiaodong， LI Donghan， QI Dongliang， ZHAO Ning

（Technology Center， Wuxi Weifu Lida Catalytic Converter Co.， Ltd.， Wuxi 214177， Jiangsu， China）

Abstract：

Using the modal analysis and average driving degree of freedom method， the position of the hanger of a passenger car exhaust system is analyzed and evaluated. The optimization scheme is proposed and the optimization result is verified by frequency response analysis of the exhaust system. The vibration displacement and acceleration of each hanger are obviously reduced after the optimization. The rationality and feasibility of the optimization scheme of the hanger position of the exhaust system are verified.

Key words：

exhaust system； modal； average driving degree of freedom method； frequency response； hanger； structure optimization

0 引 言

乘用車排氣系統的性能，關系到尾氣排放、整車NVH、結構耐久等諸多性能。其中，排氣系統隔振元件的設計和位置排布對整車的振動特性有至關重要的影響。[13]在國內，很多學者將有限元分析方法引入到排氣系統振動特性的分析驗證中，進行大量嘗試，并取得一定的成果。RAO等[4]和姚運仕等[5]認為，排氣系統懸掛點位置對車內振動和噪聲有重要影響。趙海瀾等[6]、田育耕等[7]、王春慧[8]、傅志方等[9]和楊萬里等[10]結合有限元法模態分析和平均驅動自由度位移（average driving degree of freedom，ADDOF）法，對排氣系統吊鉤位置的選擇進行初步研究。

本文結合系統模態分析和ADDOF法，對某乘用車排氣系統吊鉤位置進行分析評估，對原吊鉤位置進行優化，通過頻響分析檢驗吊鉤位置的合理性和有效性。優化后吊鉤的力和位移響應明顯低于原設計方案，說明該吊鉤位置的優化流程合理可行。

1 吊鉤位置優化關鍵技術和理論

1.1 吊鉤位置優化流程

對某乘用車排氣系統吊鉤進行位置優化和分析驗證，優化流程見圖1。首先，對某型乘用車排氣系統原結構進行有限元模態分析，獲取排氣系統的主要固有頻率和相關振型；然后，采用ADDOF法對關鍵模態振動位移進行加權疊加，并確定排氣系統吊鉤的優化方案；最后，采用頻響分析方法計算排氣系統的振動響應特性，分析各吊鉤的位移和作用力曲線，確認優化方案的合理性和可行性。

1.2 有限元建模

排氣系統的幾何模型和網格劃分見圖2。其中，連接管、凈化器筒體、消聲器筒體、消聲管和消聲器隔板使用殼體網格建模，連接厚法蘭采用六面體實體網格建模，波紋管和橡膠吊耳采用彈簧單元建模。[10]對排氣系統原吊鉤位置進行標注：A點為凈化器原吊鉤位置；B1、B2和B3為前級消聲器原吊鉤位置；C點為后級消聲器原吊鉤位置。

排氣系統主體結構材料選用超純鐵素體不銹鋼，管道、消聲器、凈化器、隔板的材料為SUH409L不銹鋼，連接法蘭材料為Q235，橡膠吊耳材料為EPDM，相關材料參數見表1。

1.3 ADDOF法

模態向量反映該階模態的振動性狀，各階模態對響應的貢獻量或權數不同。根據單點激勵多自

由度系統模態分析理論[9]，位移響應的幅值和頻率響應函數的幅值成正比，進一步假設振型以質量矩陣歸一化，各階模態阻尼近似相等，則

X（ω）∝Nr=1l，rp，rω2r （1）

式中：l，r為第l個測點、第r階模態振型系數；p，r為第p個測點、第r階模態振型系數；ωr為第r階模態激振力的頻率。

為預測某個自由度在一般激勵情況下（在某個頻率范圍所有模態均被激發）位移響應的相對大小，定義第j個自由度的ADDOF為

S（j）=Nr=12j，rω2r （2）

S（j）可預測自由度在一般激勵情況下位移響應的相對大小。利用有限元分析軟件，計算排氣系統在發動機激發頻段的固有頻率和模態振型，選取位移較小處布置排氣系統吊鉤。

2 排氣系統吊鉤位置評估和優化

2.1 排氣系統模態分析和吊鉤位置評估

通過有限元模態分析，得到排氣系統固有頻率和振型見表2。由此可知，排氣系統1階模態為18.37 Hz，振型為排氣系統總成z方向的1階彎曲，該振型為主振型，對排氣系統振動貢獻最大。

2.2 吊鉤位置優化

根據上述分析結果，確定排氣系統吊鉤位置優化方案，見圖4，其中：A點為凈化器原懸掛點，AN點為凈化器新懸掛點；C點為后級消聲器原懸掛點，CN點為后級消聲器新懸掛點。將前端凈化器原吊鉤位置向后移動134 mm，后級消聲器原吊鉤位置向前移動271 mm。

2.3 吊鉤位置優化效果驗證

為驗證排氣系統吊鉤位置優化的合理性，對其進行振動響應分析，研究優化前后各吊鉤的振動特性。由于排氣系統的z向振動主要通過橡膠吊耳傳遞到車身，故采用z向激勵進行驗證，分析頻率為20.00～200.00 Hz。

凈化器吊鉤的振動位移響應曲線見圖5。由此可知，在絕大部分頻率范圍內，優化后吊鉤的振動位移比原方案更低。

凈化器吊鉤的振動力響應曲線見圖6。由此可知，當頻率為38.00 Hz時，優化后吊鉤力為14.76 N，低于原方案的吊鉤力（18.00 N），說明給車身傳遞的振動反饋更小。

后級消聲器吊鉤的振動位移響應曲線見圖7。

由此可知，優化后吊鉤位移明顯小于原方案吊鉤位

移，頻率為38.00 Hz時，振動位移由7.85 mm降低至2.12 mm。

后級消聲器吊鉤振動力響應曲線見圖8。由此可知，在絕大部分頻率范圍內，優化后的響應力明顯低于原方案。當激振頻率為38.00 Hz時，原方案吊鉤作用力為17.48 N，而優化方案的吊鉤作用力只有9.50 N。

3 結束語

利用模態分析和ADDOF法對某排氣系統吊鉤位置進行評估，提出吊鉤位置的優化方案，將前端凈化器吊鉤前移134 mm，后級消聲器吊鉤前移271 mm。頻響分析結果表明，吊鉤位置優化后各吊鉤振動位移和加速度明顯降低。在頻率為38 Hz時，后級消聲器吊鉤的峰值位移從7.85 mm降低至2.12 mm，作用力也由17.48 N降低至9.50 N，優化效果明顯。

參考文獻：

[1] 黃志發. 乘用車排氣系統振動特性分析與優化[D]. 重慶： 重慶大學， 2015.

[2] 趙天孟. 汽車排氣系統振動疲勞特性特性研究[D]. 南寧： 廣西大學， 2016.

[3] GALINDO M M. Science & technology designing exhaust systerms[DB/OL]. （20030505）[20180320]. https：//www.sae.org/publications/technicalpapers/content/2003011656/.

[4] RAO M D， WIRKNER K J， GRUENBERG S. Dynamic characterization of automotive exhaust isolators[J]. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers： Part D： Journal of Automobile Engineering， 2004， 218（8）： 891900. DOI： 10.1243/0954407041581110.

[5] 姚運仕， 馬芳武， 馮忠緒， 等. 汽車排氣系統懸掛點影響車內噪聲的研究[J]. 鄭州大學學報（工學版）， 2011， 32（4）： 3033. DOI： 10.3969/j.issn.16716833.2011.04.008.

[6] 趙海瀾， 顧彥. 汽車排氣系統懸掛點優化[J]. 計算機輔助工程， 2006， 15（S1）： 230231. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2006.z1.075.

[7] 田育耕， 劉江華， 王巖松， 等. 汽車排氣系統振動模態分析及懸掛點優化[J]. 遼寧工程技術大學學報（自然科學版）， 2009， 28（6）： 995998. DOI： 10.3969/j.issn.10080562.2009.06.035.

[8] 王春慧. 排氣系統懸掛引發汽車NVH問題研究[J]. 汽車技術， 2009（S1）： 7476. DOI： 10.3969/j.issn.10003703.2009.12.020.

[9] 傅志方， 華宏星. 模態分析理論及應用[M]. 上海： 上海交通大學出版社， 2000： 40153.

[10] 楊萬里， 陳燕， 鄧小龍. 乘用車排氣系統模態分析數值模型研究[J]. 三峽大學學報（自然科學版）， 2005， 27（4）： 345347. DOI： 10.3969/j.issn.1672948X.2005.04.015.

（編輯 付宇靚）