汽車排氣系統振動分析與優化

李高楊 高曉亮

【摘 要】針對某車型設計階段的排氣系統，以其振動性能為研究指標，采用有限元法對排氣系統進行約束模態分析，結合平均驅動自由度位移法（ADDOFD），使得懸掛點布置方案更為合理；在頻率響應分析中，研究排氣系統振動特性，為其結構優化設計提供依據，從而保障排氣系統工作的可靠性和使用壽命，最終達到提高排氣系統整體性能的目標.

【關鍵詞】汽車排氣系統；振動；分析

引言

隨著國民經濟快速發展和汽車行業技術的不斷創新，汽車作為工業產品已在人們的工作和生活中扮演了重要角色，給人們的交通運輸帶來了極大的便利。汽車的保有量逐年增加，在基本的便利性得到滿足下，人們對汽車性能提出了更高要求。良好的NVH性能，將會在振動和噪聲方面更加卓越，舒適性上得到更好體驗。乘坐舒適性不僅僅是消費者對于汽車產品的重要需求，同時也是各大汽車公司研發過程中所關注的關鍵性能。提升汽車NVH性能已經成為了各大汽車廠商角逐市場份額的重要競爭力之一。

1、排氣系統有限元模型的建立

排氣系統的組成主要包括了排氣管、氧傳感器、波紋管、法蘭、消聲器以及懸掛組件等.在三維軟件中導出IGES數據格式并導入CAE軟件HyperMesh中，根據分析計算的特點，在考慮計算效率和計算精度的前提下，對模型進行前處理.在幾何清理簡化過程中，遵循不影響分析結果的原則，比如不考慮氧傳感器，并修復其安裝孔，忽略消聲器穿孔管上的圓孔特征（與聲場和流場特性相關）等；網格劃分極具復雜性，包括單元類型的選取、質量參數的控制、連接方式的模擬等等，在有限元建模過程中的難點有以下幾點：1）薄壁件，如主副消聲器（含隔板）、三元催化器、排氣管管體，使用殼單元PSHELL處理，網格尺寸5mm.2）排氣系統掛鉤、法蘭采用四面體PSOLID單元模擬，網格尺寸3mm.3）螺栓連接、焊縫、點焊等連接采用RBE2剛性單元.4）波紋管兩端采用RBE3連接排氣管、再用六自由度彈簧單元CBUSH連接兩端進行等效模擬，設置6個方向的剛度值；彈簧單元的質量用質量單元Mass分兩部分分別加在其波紋管兩端頭部（排氣管的中心），每部分質量為波紋管總質量的一半.5）在動力總成的建模中，發動機作為剛體進行處理，以附帶慣性屬性的質量單元Mass進行模擬.用彈簧CBUSH模擬發動機的懸掛（隔振器）并設置相應的剛度值；其中質心位置與法蘭連接位置、懸掛位置通過剛性單元進行連接.

2、排氣系統振動性能分析

2.1、排氣系統掛鉤動剛度分析

排氣系統是發動機的機械振動傳遞到車身的主要途徑之一，其一端通過連接法蘭與發動機相連，另一端通過掛鉤和吊耳與車內地板相連。因此排氣系統隔振性能的好壞直接影響整車的NVH性能。排氣系統振動過大，會加劇系統各組件的疲勞損壞，振動通過車內地板傳到駕駛室，對轎車的乘坐舒適性也有較大的影響。因此，在排氣系統設計過程，應保證隔振性能滿足設計要求。吊耳隔振率是判斷排氣系統隔振性能的重要標準之一，工程要求隔振率應不低于20dB。排氣系統的隔振系統主要由掛鉤和吊耳組成，主動側掛鉤連接排氣系統與吊耳，被動側掛鉤連接吊耳與車身，分析時一般將隔振系統簡化為三個不同剛度的彈簧串聯模型。

2.2、排氣系統運動干涉分析

排氣系統通過吊耳掛鉤與車身相連，而吊耳為超彈性材料，故在行車過程中會引起排氣系統的振動與晃動。排氣管路彎折處較多，運動幅度較大。若排氣系統在行車過程中與車身發生運動干涉，排氣組件與車身的碰撞不僅會引起系統異響，大大降低轎車的乘坐舒適性，也會降低組件的使用壽命。因此有必要對排氣系統進行運動干涉分析，即分析排氣系統在極限工況下的變形情況。通用公司制定了28種車輛運行工況，其中模擬汽車在行駛過程中可能遇到的10種惡劣工況。建立包含不同加速度加載方向和倍數的載荷集，來模擬汽車的極限工況。最后在Nastran的線性靜力分析模塊中計算出各工況下排氣系統各測點的位移，以判斷排氣系統各組件是否與周圍部件發生干涉。

3、排氣系統振動性能優化

3.1、掛鉤位置評估

合理的懸掛位置可以保證各個掛鉤承重更加均勻，避免因單個掛鉤和吊耳承重過大而引起的局部變形過大甚至斷裂而影響排氣系統總體壽命。而從振動傳遞角度分析，掛鉤的理想懸掛點在排氣系統節點處，不僅可使排氣系統傳遞到車身的振動達到最小值，還可以降低路面激勵通過吊耳傳遞到系統引起的沖擊，提高排氣系統疲勞耐久性。工程設計中主要根據平均驅動自由度位移法（ADDOFD），來布置掛鉤懸掛點。但在實際設計中掛鉤位置的選取仍受底盤空間和裝卸便利性的影響，因此不可能完全按ADDOFD法布置。根據ADDOFD理論，一般先在仿真軟件中對排氣系統有限元模型進行編號，從發動機與排氣系統的連接法蘭到排氣尾管合理選點以確定布局點，再進行自由模態分析，提取主要頻率段各點的模態振型，最后根據ADDOFD理論計算各點的位移，以各點的編號為橫坐標、位移為縱坐標繪制位移曲線，曲線的波谷附近即為掛鉤理想位置。

3.2、排氣系統振動靈敏度分析

為了更有效地對排氣系統進行優化和改進，有必要分析系統各變量對約束模態、振動性能和疲勞耐久性的影響程度和影響規律，從而更有針對性地確定優化范圍。靈敏度分析是研究與分析一個系統（或模型）的狀態或輸出變化對系統參數或周圍條件變化的敏感程度的方法。靈敏度分析主要用于優化問題，通過研究對優化目標影響較大的參數，從而更迅速地確定輸入變量、并根據其影響程度及范圍預測優化的趨勢。靈敏度的物理意義為變量取不同值時系統響應的變化差值與變量差值的比值，即單位變量值引起的系統響應差。實際上由于系統的結構比較復雜，實際變量對系統響應的影響與理論數學公式模型具有一定誤差，在仿真計算時往往對系統和變量進行一定的簡化。

3.3、動剛度分析

動剛度作為描述減振性能的關鍵指標，通過不同頻率單位激勵與系統的響應之間的關系，來描述系統的動態特性.當排氣系統懸掛點最終布置調整后，采用模態法頻響分析法，對懸掛掛鉤進行動剛度分析.排氣系統無需約束，對掛鉤與懸掛橡膠連接位置處分別沿X、Y、Z方向施加單位激勵，為了保證動剛度分析的精確度，將載荷激勵頻率范圍設為0～200Hz，自然模態頻率范圍設為0～400Hz.對每個掛鉤進行計算分析，比如前消的一個吊鉤，在29Hz、53Hz左右，吊鉤Z向速度有明顯峰值，考慮全約束模態振型情況，總體上在0～400Hz頻率范圍內基本滿足低于動剛度目標值的要求.經過動剛度計算分析，根據對標車設定的動剛度目標值，對不滿足要求的懸掛進行針對性改進，進而合理地設計懸掛系統.

結束語

模態分析的最終目的是識別出系統的模態參數，為結構的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據，避免工作頻率與固有頻率相近而產生共振，提高排氣系統的使用壽命.為了能夠更準確地反映排氣系統在設計階段以及在實際運行中的振動特性，采用約束模態分析法，再根據平均驅動自由度位移法確定、優化懸掛布置方案，使分析更為合理可靠.通過頻率響應分析，以確定排氣系統懸掛的動剛度是否合格，吊耳的振動傳遞率是否滿足振動性能要求.在排氣系統設計階段采用有限元法，對其振動特性進行具體而合理的分析研究，可預見性地解決潛在的設計問題，提高排氣系統乃至整車的振動性能.

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（作者單位：長城汽車股份有限公司）