國六排放標準排氣管軸向模態問題設計優化

李小康 趙玉才

摘 要：在汽車排放標準由國六取代國五的過程中，針對某款車型在設計開發時排氣系統產生的軸向模態問題進行研究和設計優化。利用Hyperworks和Nastran對排氣系統進行仿真分析，找出軸向共振模態下的位移量和動態應力最大的位置，再對該位置的結構從幾個維度進行結構更改，通過模型仿真找出最合適的優化方案，使排氣系統在約束模態頻率下該位置的動態應力最小，從而解決該軸向模態問題，同時也為排氣系統在汽車國六排放的設計開發中遇到的軸向模態問題提供了解決方案。

關鍵詞：排氣系統;模態分析;軸向模態;中消聲包

中圖分類號：U464? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）22-77-03

Abstract： In the process of the national five emission standards replacing the national five emission standards， the exhaust system axial mode problem happened during the design development of a certain vehicle， it is studied and optimized in this article. HyperWorks and NASTRAN are used to simulate and analyze the exhaust system. Finding out the position with the largest displacement and dynamic stress under the axial resonance mode. Considering several factors， the structure of this position changed to find out the most appropriate optimization scheme through the model simulation. The optimization scheme minimize the dynamic stress of this position under the exhaust system constraint mode frequency， thus， the axial mode problem can be solved. At the same time， it also provides a solution for the axial mode problems encountered in the design development of exhaust system in the national five emission standards.

Keywords： Exhaust system; Modal analysis; Axial mode; Middle muffler

CLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-77-03

1 概述

近年來，隨著國家經濟水平的飛速發展，我國汽車工業水平也得到了全面提升，與此同時，國家對汽車行業釋放的標準也越發嚴苛。排放要求上，從2019年開始全國逐步實行國六排放標準，從而降低汽車污染排放保護環境。行駛噪聲上，最新國標規定滿載不超過2500kg的乘用車加速行駛車外噪聲不超過71dB，從而降低城市噪聲污染，提升人們的居住環境品質。

在汽車行駛的過程中，排氣系統對凈化廢氣和吸收發動機排出廢氣的激勵噪聲具有重要的作用。排氣系統前管通過法蘭和發動機相連，排氣管體上的吊耳支架或者吊鉤與車身通過橡膠吊耳連接，吊耳配合排氣管前端的柔性節緩沖來自發動機和路面各個方向的振動激勵，發動機運轉過程中汽缸產生爆炸聲和排氣氣流聲由焊接在排氣管上的消聲包進行過濾消聲。排氣系統結構如圖1所示。在排放標準由國五轉國六后，部分車型的排氣系統會在前排總成焊接UFC（under floor converter）來凈化廢氣以滿足排放要求。汽車行駛時，發動機振動會通過法蘭連接傳遞至排氣管，具有一定重量的UFC會在該振動激勵產生一定頻率的軸向運動，從而對中消聲包前端的焊接端蓋產生軸向沖擊，在一定程度上對消聲包的耐久性能產生失效風險。

本文以某款車為例，針對該款車在國五轉國六的設計開發中遇到的該軸向沖擊耐久失效問題，通過建立有限元分析（FEA）模型來仿真排氣系統的振動位移和關鍵位置動態應力，在此基礎上優化排氣管的結構設計來避免軸向失效風險，從而滿足汽車的設計開發和客戶使用要求。

2 模型建立及驗證

2.1 FEA模型建立

本文采用Hyperworks和Nastran對排氣系統進行建模和發動機模態仿真分析，如圖2所示。排氣管的模型中采用殼單元模擬焊接，采用rbe單元模擬吊耳支架中與法蘭之間的螺栓連接，采用CBUSH單元模擬柔性節，采用殼單元模擬消聲包。對動力總成而言，在質心位置采用質量單元模擬，并將模型所需的質量、轉動慣量等參數設置在質量單元中。

邊界約束條件：

（1）模型狀態與整車裝車狀態保持一致;

（2）動力總成懸置車身側和吊耳車身側在各個自由度被固定。

2.2 FEA模型驗證

由于發動機的轉速范圍一般在0-6000rpm，因此一般對四缸機而言，只需在0-200Hz范圍內進行模態分析即可，利用上述包含動力總成的排氣系統模型計算所得的約束模態頻率如表1。