某乘用型皮卡排氣系統(tǒng)性能試驗與仿真分析

張 成 ，黃 勤

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

0 引言

皮卡作為重要的商用車型之一，采用轎車式車頭和駕駛室，同時帶有敞開式貨廂，兼顧了乘用車和商用車的綜合優(yōu)點，被廣泛應用于城鄉(xiāng)物流運輸工作中。目前，我國的皮卡車型以長城、江鈴等皮卡制造廠商為代表，不斷推出釣魚版、山地版、乘用型等細分皮卡車型。與此同時，隨著人們生活水平的提高，用戶對于皮卡的感受已經(jīng)從商用車升級到乘用化皮卡體驗，不斷提升皮卡的內(nèi)飾品質(zhì)、NVH性能、駕駛樂趣等整車性能，開發(fā)出滿足用戶需求的高品質(zhì)的乘用型皮卡，已經(jīng)成為皮卡行業(yè)發(fā)展的新趨勢[1-10]。

排氣系統(tǒng)是整車重要的系統(tǒng)部件，主要由消聲器、排氣管、波紋管、吊掛支架等零部件裝配組成，皮卡車型的排氣系統(tǒng)多為單管式，主要作用是吸收發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的CO、HC等有害物質(zhì)，同時減小排氣噪聲，是滿足國家排放標準的主要功能系統(tǒng)部件。良好的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，將有助于乘用型皮卡NVH性能品質(zhì)的提升。因此，本研究以某乘用型皮卡為例，開展了皮卡排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的CAE性能分析及強度疲勞等性能試驗分析，驗證了該乘用型車型的排氣系統(tǒng)功能滿足設(shè)計目標，提升了結(jié)構(gòu)強度及NVH性能。

1 排氣系統(tǒng)試驗分析

排氣系統(tǒng)零部件是整車重要的系統(tǒng)零件，其既要承受來自整車傳遞過來的載荷沖擊，又要承受來自發(fā)動機端的高溫尾氣沖擊。開展系列耐高溫及強度驗證試驗，可以確保排氣系統(tǒng)性能滿足設(shè)計要求。

1.1 催化器熱振動試驗

排氣系統(tǒng)催化器是將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的CO2、H2O和N2。本研究的某乘用型皮卡車型的排氣系統(tǒng)，需考核催化器熱振動性能。通過相應試驗工裝設(shè)備，將催化劑轉(zhuǎn)化器呈90°垂直安裝在熱振動試驗臺上，并使催化器與燃燒器相連，催化器熱振動試驗如圖1所示。

圖1 催化器熱振動試驗

在搭建完催化器熱振動試驗工裝后，按照表1所示試驗工況進行催化器熱振動試驗，試驗完成后，進行詳細的載體檢查及位移檢查。通過對試驗后的催化器進行外觀檢查，得到如圖2所示的試驗結(jié)果，殼體無變形。

表1 催化器熱振動工況加載表

圖2 催化器熱振動試驗后樣件外觀

在完成初步的催化器外觀檢查后，需再進行載體出口位移及背壓測試，得到如表2所示的試驗結(jié)果。載體出口位移變化量分別為0.5 mm、0.2 mm及0.3 mm，滿足載體位移量小于2 mm的目標，背壓變化量為0，有助于排氣系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

表2 催化器熱振動試驗載體位移及背壓測試結(jié)果

1.2 波紋管焊接強度試驗

波紋管與排氣管采用焊接進行連接，焊接強度的強弱，將直接影響排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度。本研究采用萬能材料試驗機，將拉力加載至5 880 N，觀察波紋管連接處焊縫是否存在破損，試驗前及試驗后的樣件分別如圖3和圖4所示。

圖3 波紋管試驗樣件

圖4 波紋管焊接試驗結(jié)果

本研究在搭建完波紋管焊接強度試驗工裝后，進行拉伸試驗。根據(jù)圖4所示試驗結(jié)果，可以得出，拉力加載到5 880 N后，波紋管產(chǎn)生了變形，網(wǎng)套無破損，焊接處無裂紋，滿足目標。

1.3 排氣系統(tǒng)熱端振動耐久試驗分析

皮卡作為重要的商用車型，需經(jīng)過嚴苛的耐久試驗，目前常見的耐久試驗方式包括整車道路耐久試驗及整車臺架耐久試驗，而整車臺架耐久試驗由于具備工裝快速、簡易快速等特點，已經(jīng)成為零部件開發(fā)中重要的耐久試驗方法。本研究對某乘用型皮卡的排氣系統(tǒng)按照整車裝配條件進行安裝固定，確定振動測點位置，布置加速度傳感器，開展20 Hz～200 Hz的振動掃頻，測試確定共振點，再將得到的共振點頻率數(shù)據(jù)作為臺架激勵輸入，加速度為4 g，振動方向為Z向，通入熱流，催化器進氣溫度為840 ℃，排氣系統(tǒng)熱端振動耐久試驗工裝及傳感器布置圖如圖5所示。

圖5 排氣系統(tǒng)熱端振動耐久試驗工裝及傳感器布置圖

按照上述試驗工況，開展了排氣系統(tǒng)熱端振動耐久試驗，試驗完成后，詳細檢查排氣系統(tǒng)波紋、吊掛、焊縫、管子、殼體等零件，得到如圖6所示的試驗結(jié)果。由試驗結(jié)果可知，排氣系統(tǒng)熱端零部件未發(fā)現(xiàn)裂紋，疲勞強度滿足目標要求。

圖6 排氣系統(tǒng)熱端振動耐久試驗結(jié)果

2 排氣系統(tǒng)CAE分析

CAE有限元分析是以數(shù)值分析為基礎(chǔ)的計算機工程輔助設(shè)計，可快速有效地進行結(jié)構(gòu)剛強度及模態(tài)等分析工作，節(jié)約大量的物理樣車及試驗工裝費用。本研究采用Fluent軟件對排氣系統(tǒng)進行了CAE流動性能分析，其中發(fā)動機的排氣質(zhì)量流量為770 kg/h、催化器入口溫度為840 ℃、載體長度為152 mm、載體形狀為圓形。網(wǎng)格模型尺寸為4 mm，得到如圖7所示的排氣系統(tǒng)背壓損失分析結(jié)果，表明該排氣系統(tǒng)背壓損失為52.2 kPa，滿足大于30 kPa的目標。

圖7 排氣系統(tǒng)CAE背壓損失分析結(jié)果

3 結(jié)論

綜上所述，本研究結(jié)合數(shù)值分析及排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論，開展了某乘用型皮卡排氣系統(tǒng)催化器熱振動試驗、波紋管焊接強度試驗、排氣系統(tǒng)熱端振動耐久試驗，并且利用CAE仿真軟件，開展了排氣系統(tǒng)背壓損失CAE分析，結(jié)果如下：

1）排氣系統(tǒng)催化器熱振動試驗完成后，試樣無破損，載體出口位移都小于0.5 mm，滿足設(shè)計目標小于2 mm要求。

2）波紋管拉伸試驗拉力達到5 880 N后，波紋管產(chǎn)生了變形，但網(wǎng)套無裂紋破損，焊接強度符合設(shè)計目標。

3）排氣系統(tǒng)熱端振動試驗后，波紋管、吊掛等零件都未出現(xiàn)損傷。

4）排氣系統(tǒng)CAE背壓損失分析結(jié)果顯示，背壓損失為52.2 kPa，滿足大于30 kPa的目標。