某輕型汽車排氣波紋管異響問題分析和方案優化

方澤軍 王斌 劉欣 葉天行 龍洪生

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

主題詞：排氣波紋管 異響 動剛度 結構摩擦

1 前言

排氣噪聲是發動機的最大噪聲源，對排氣系統關鍵零部件的優化設計是降低和控制排氣噪聲的有效途徑[1]。排氣波紋管是排氣系統重要的連接和補償元件，其主要作用是衰減發動機振動向底盤和車身的傳遞、降低排氣系統振動噪聲、提高排氣系統耐久性、提高排氣系統零部件的容差能力及改善裝配精度[2]等，因此相關人員對排氣波紋管的非正常振動和異響進行了研究，如陸榮英等[3]研究發現增加排氣波紋管內部網結構可改善波紋管嘯叫聲；胡張杰等[4]研究發現增加薄型編織網可降低排氣波紋管動剛度峰值，對排氣波紋管優化設計可消除車內轟鳴聲，但這些研究沒有針對排氣波紋管在整車條件下異響噪聲問題進行分析。為此，本文針對某輕型汽車排氣波紋管處異響問題，從共振、結構摩擦、容差量等3個方面分析導致異響的因素，提出了不增加零件成本的優化方案，并進行了試驗測試及實車驗證，有效解決了異響問題。

2 排氣波紋管異響問題確認與分析

2.1 排氣波紋管異響問題確認

某款輕型汽車排氣系統及波紋管結構如圖1所示。當該車停止采取全油門（發動機靜止狀態限制最大轉速）、發動機轉速為2 400～2 500 r/min時，排氣波紋管發出異響噪聲，且振動幅度增大，在舉升機下能感受到噪聲并能觀察到排氣波紋管外網有振動敲擊現象。通過外力壓抵住排氣波紋管后異響噪聲及外網振動敲擊減弱，用外力沿整車前、后方向拉伸或壓縮排氣波紋管能有效改善異響噪聲。

圖1 某款輕型汽車排氣系統及波紋管結構示意

2.2 排氣波紋管異響問題分析

排氣波紋管的開發設計大多基于靜態強度分析，而實際應用中動載荷特性對排氣波紋管的影響也很大，因為實際使用過程中外部的激勵頻率與排氣波紋管固有頻率一致，而傳遞路徑無法衰減振動，所以會導致排氣波紋管產生振動噪聲和發生損壞[5]，因此需對排氣波紋管動態特性進行分析，主要從以下三方面進行異響問題排查：

a.排氣波紋管與發動機激勵發生共振；

b.排氣波紋管外網與內部結構摩擦異響；

c.整車裝配誤差過大超出排氣波紋管容差極限導致的結構異響。

2.2.1 共振分析

針對故障排氣波紋管的軸向動剛度和徑向動剛度進行了測試，測試結果如圖2所示，動剛度峰值分布如表1所列。由圖2和表1可知，在頻率為81 Hz時排氣波紋管徑向動剛度出現最大峰值，而發動機在轉速為2 400～2 500 r/min時的點火激勵頻率為80～83 Hz，由此可知，發動機激勵與波紋管徑向動剛度峰值發生重疊，因而產生共振。

圖2 故障排氣波紋管動剛度

表1 故障排氣波紋管動剛度峰值

為了解排氣波紋管與排氣系統、發動機之間的動力學傳遞特性，采用HyperMesh軟件對排氣系統進行網格劃分，利用ABAQUS有限元工具對該排氣系統進行模態分析，模態分析結果如圖3所示，模態計算結果表2所列。由表2可知，排氣系統9階模態頻率為81.7 Hz，與排氣波紋管徑向剛度峰值頻率81 Hz及該工況發動機激勵頻率（80～83 Hz）發生重合，三者頻率重合使得排氣波紋管發生共振，系統固有頻率加劇了振動的傳遞，導致排氣波紋管此時阻抗最小，振動幅度最大。

圖3 排氣系統模態

表2 排氣系統模態分布

2.2.2 外網結構摩擦對異響的影響

為排查異響噪聲是否來自排氣波紋管外網的摩擦噪聲，在其它故障車輛問題現場排查過程中，分別采用鋼絲加固排氣波紋管外網方式及割破拆下排氣波紋管外網方式進行噪聲對比驗證，結果表明，在發動機轉速為2 400～2 500 r/min條件下，去除外網及改變外網的約束后結構異響可消除。由此可知，異響噪聲來自排氣波紋管外網的結構摩擦，且在共振情況下加劇。

2.2.3 整車裝配誤差對異響的影響

為評估整車排氣系統裝配誤差對排氣波紋管異響的影響，對故障排氣波紋管進行了整車安裝狀態長度測量，發現故障排氣波紋管處于過度壓縮或過度拉伸狀態，使得排氣波紋管出現彎曲、扭曲現象，其位移超過最大極限位移，動剛度峰值發生偏移與發動機激勵重疊，導致發生共振，加劇外網結構摩擦異響。通過人為對排氣波紋管安裝誤差進行修補（拉伸或壓縮）使其恢復到設計狀態后，排氣波紋管在發動機轉速為2 500 r/min時的異響噪聲消除。由此可知，整車裝配誤差超過排氣波紋管容差量引起摩擦異響，通過人為調節誤差量可消除異響。

由以上分析可知，排氣波紋管異響噪聲來源是外網摩擦，解決方案是提高排氣波紋管本身最大極限位移值，控制排氣波紋管在0～83 Hz范圍內動剛度值，避免在80～83 Hz出現動剛度峰值。

3 排氣波紋管設計優化和驗證

3.1 設計方案優化

排氣波紋管結構參數波距、波高、層厚等會影響其動剛度特性[6-7]，在車型已成熟上市的情況下，考慮到低成本、短周期的變更，則更改排氣波紋管外網結構的方案更為合適。主要結構優化方案為將排氣波紋管外網由編織結構改為鉤織結構，外網直徑由78.5 mm縮小至77.5 mm，圖4為原方案和優化方案對比。

圖4 排氣波紋管優化方案對比

3.2 優化方案驗證

為驗證排氣波紋管外網結構優化設計后的效果，針對5個（原方案2個、優化方案3個）排氣波紋管樣件進行了靜剛度、動剛度、最大極限位移測試以及可靠耐久性評估。試驗用主要設備為萬能材料試驗機、馬弗爐、波紋管剛度試驗機和波紋管路譜采集設備等，試驗結果如圖5、圖6、表3和表4所示。由圖5和表3可知，排氣波紋管軸向靜剛度平均值由9.05 N/mm下降為6.7 N/mm，降低26%；最大極限位移由19.5 mm提升到31 mm，提升59%。由圖6和表4可知，相對故障排氣波紋管動剛度（圖2）數據，優化后排氣波紋管在頻率為80～83 Hz區域內不存在剛度峰值，在頻率為0～83 Hz范圍內動剛度曲線峰值得到控制，無論在軸向還是徑向動剛度曲線都非常平穩。

圖5 排氣波紋管優化前、后軸向靜剛度對比

表3 排氣波紋管優化前、后靜剛度和最大極限位移對比

對優化后排氣波紋管進行了耐久性計算分析，依據企業整車綜合耐久試驗24工況和循環次數，分別計算每個工況對應的波紋管損傷值，其中某工況損傷值分析結果如圖7所示，最終將各工況損傷值疊加得到總損傷值為16.1%（小于20%的波紋管標準），表明波紋管可靠耐久性能計算滿足。再通過整車排氣波紋管路譜載荷數據采集，計算各工況損傷值后疊加得到總損傷值仍滿足標準要求。對整車搭載樣件進行了綜合耐久50 000 km試驗驗證，排氣波紋管未出現耐久可靠問題，滿足可靠耐久性要求。

圖6 優化后排氣波紋管動剛度

表4 優化前、后排氣波紋管動剛度對比結果

圖7 排氣波紋管損傷值分析結果

4 結束語

排氣波紋管動剛度峰值頻率與發動機激勵重合情況下會產生共振現象，與排氣系統模態重疊會加劇振動的傳遞。異響噪聲的表現形式和來源為排氣波紋管外網的摩擦噪聲，整車裝配誤差過大也會引起排氣波紋管實際位移超過本身最大極限位移，導致其動剛度峰值發生偏移而引發共振。通過分析和驗證，對排氣波紋管外網結構進行了優化設計，降低了排氣波紋管軸向靜剛度，提高了最大極限位移值，并避免了在頻率為0～83 Hz區域出現動剛度峰值。通過實車驗證，優化后排氣波紋管能避免出現共振，摩擦異響噪聲得到解決，提高了整車NVH品質。