兩種汽車排氣系統異響的識別及解決方案

張佳偉 常永飛 劉佳 葉天行 方澤軍

摘要：通過總結排氣系統開發過程中對出現的消聲器異響問題的排查及解決方案，指出生產工藝對消聲器性能起到關鍵且重要的作用，從而指導其他設計人員在新車型排氣系統的開發過程中，避免出現類似生產工藝不足導致的異響問題。

關鍵詞：排氣系統；消聲器；生產工藝；異響；解決方案

排氣系統作為燃油汽車的重要組成部分，擔任著尾氣凈化機降噪的功能。但在開發過程中，常因結構強度的設計不足、產品結構的設計缺陷及生產制造過程中的工藝控制等原因造成排氣系統的異響問題[1]。因為異響問題在售后顧客投訴中占有很高的比重，故排氣系統的開發過程尤其需要避免異響。出現異響問題后應及時排查異響原因并找到解決方案，避免汽車上市后出現批次的異響問題。本文針對排氣系統開發過程中因工藝失誤和設計失誤導致的異響案例進行了總結[2]。

案例1

生產工藝控制不嚴謹導致排氣怠速“噗噗”異響

1.問題描述

某乘用車開發過程中，樣件搭載測試整車NVH性能時，測試人員發現怠速工況時，排氣尾管出現“噗噗”放氣聲，更改為怠速開空調工況后，異響問題更加突出，該問題嚴重影響車內人員乘車的舒適性。

2.原因排查

排氣系統因長度較長，一般分為催化器總成、波紋管總成、前消聲器總成和后消聲器總成四段。在該案例中，先將后消聲器總成拆除，同樣怠速工況下，排氣“噗噗”異響消失。再將后消聲器總成重新裝配到整車后，怠速異響重現，由此判斷后消聲器總成導致該異響的發生。

首先排查后消聲器總成的設計是否有缺陷，消聲器的內部結構如圖1所示。該消聲器總成為典型的單進雙出結構，內部為三管迷路，阻抗復合型消聲器，這種消聲器結構為行業內普遍存在的成熟設計，故該怠速異響非設計缺陷引起的異響。

其次從生產工藝排查消聲器的生產過程是否符合設計圖樣要求。在排查管路打孔，管徑及隔盤位置和塞棉工藝后，發現消聲器塞棉工藝及管路消聲孔布置有缺陷。消聲器內的消聲棉為成袋大包裝，工人按照設計要求的質量將成袋消聲棉塞到設計指定的消聲器腔體內。該腔體內的管路布置有消聲孔，但孔位布置靠近隔盤位置，未居中。因為塞棉工藝未做詳細指導及說明，導致出現管路上的消聲孔靠近隔盤位置的未被消聲棉纏繞覆蓋，該生產失誤會導致發動機傳遞過來的噪聲直接通過小孔傳出到尾管，產生了較大的排氣噪聲。故障件解剖如圖2所示

將故障件里的消聲棉重新纏繞，使之覆蓋住整個穿孔管，合格封裝產品如圖3所示，封好后重新裝車試驗，怠速“噗噗”異響消失。

原因明確后通知廠家更改線上作業指導書，首先，填棉腔體內的穿孔管消聲孔集中在管路中間，避免填棉過程中因操作不當導致靠近隔盤位置的消聲孔外露。其次，針對消聲棉的填充方式及填充后的質量要領及驗收標準做了詳細的說明，并對在崗工人做出相應的崗位培訓。

3.結論

首先，設計工程師未結合實際生產工藝，未與生產線工人進行全面溝通，未定義關鍵生產工藝，未到現場確認樣件實際生產與設計是否一致。其次，消聲器生產階段未做封樣處理，導致消聲器設計定型產品與實際生產出的樣品不一致。最后，失效后果不易感知，產品生產封裝后實車測試才能感知失效后果。

工程師通過有限元軟件分析出符合整車廠NVH性能要求的排氣系統，但是在生產環節未控制好生產工藝，導致因生產失誤而使制造出來的消聲器與實際樣件不符，從而造成NVH性能不達標的后果，故工程師在整個消聲器定型過程中應持續跟蹤到產品封樣，保證設計與生產的一致性。

案例2

設計缺陷導致的行車后怠速靜止時消聲器出現金屬摩擦撞擊聲。

1.問題描述

某款車型開發過程中，試驗驗證NVH性能時，在大負荷行車一段時間后，停車怠速時，車內前后排乘客位置均可清晰聽見金屬敲擊異響。將故障車輛放舉升機上進行排查后，發現異響來自于后消聲器總成。

2.原因排查

將故障消聲器從車上拆卸下來，查看消聲器外觀發現筒體外殼變形，用手按壓消聲器筒體可以復現金屬敲擊異響。

首先排查消聲器設計，檢查是否有設計缺陷或者模態不足導致的結構強度不足引起的筒體異響。該消聲器外形為扁平跑道型雙層筒體結構，消聲器筒體如圖4所示，內部結構為典型的阻抗復合式消聲器（見圖5）。

因排查時發現消聲器筒體外形變形，懷疑消聲器筒體結構強度不足。針對消聲器總成做模態測試，消聲器總成模態為340Hz，略低于標準要求的350Hz的要求。

消聲器為雙層筒體結構，將故障消聲器拆解開窗后查看，發現原本應緊密貼合的兩層筒體間出現明顯的縫隙，故障件拆解如圖6所示。

用手摁壓該縫隙處可復現裝車時消聲器異響，由此判斷該異響原因為消聲器雙層筒體結構模態偏低且殼體間出現縫隙，導致汽車行駛過程中氣流在雙層殼體間流竄敲擊殼體。兩者疊加，導致出現怠速消聲器摩擦敲擊異響。

檢查消聲器筒體邊界設計條件，發現該消聲器的外邊界筒體上方有備胎盆，下方有滿載過坎要求，空間有限，導致消聲器殼體外形不能做大的變更。在消聲器筒體外形不變的情況下，通過改變消聲器筒體的生產工藝來達到筒體模態增加的效果。雙層跑道型筒體消聲器設計為行業內普遍采用的成熟設計方案，但雙層消聲器生產工藝需要有8點電阻焊，將消聲器雙層筒體與筒體內隔盤疊加焊到一起。8點焊有利于增強雙層消聲器的筒體模態，可以有效避免行進過程中因為消聲器的熱脹冷縮導致的消聲器雙層殼體間出現分層，從而導致氣體沖擊引起的異響問題。

將該分析結論與消聲器生產廠家進行溝通，廠家認可該生產工藝，但是廠家現有的生產工藝不足以滿足。采用此8點焊工藝，廠家需要添置500萬～600萬元的生產設備，投產時間需要6個月周期。考慮到該周期較長及生產投入成本較高，設計人員決定從設計角度解決該結構模態不足導致的異響問題。

該消聲器雙層筒體單層厚度0.6mm，鑒于熱脹冷縮后筒體出現分層，故將消聲器雙層筒體更改為單層1.2mm筒體。對該單層筒體做模態測試，結果為427Hz，超過標準要求的350Hz的要求。

將該單層筒體消聲器搭載到整車后進行NVH測試試驗，怠速時未出現金屬敲擊異響，問題解決。更改為單層筒體消聲器廠家不需添置生產設備，更改后筒體厚度相同，線上模具無需更改可以馬上排產。整車經道路耐久試驗驗證后產品無其他實驗問題，設計人員將雙層筒體消聲器更改為單層筒體消聲器。

3.結論

案例2前期因設計評估不夠完善，同時生產工藝沒有彌補設計缺陷，導致消聲器筒體在熱脹冷縮后出現筒體分層，從而引起氣流沖擊殼體，殼體摩擦出現敲擊異響。在后期優化過程中，通過更改邊界設計條件達到生產工藝不能達到的需求，從而避免耗時耗力才能達到的產品性能需要。此案例可以看出生產工藝對產品性能的影響，而完善的設計又可以減少對生產工藝的苛刻要求。

結語

通過對兩例消聲器的異響分析，可以看出消聲器總成的生產工藝對于消聲器總成的性能有著至關重要的作用。在任何一款車的設計過程中，設計人員均需要考慮生產的工藝性，若現有生產工藝不能滿足設計那么就是閉門造車，再好的設計也無用武之地。

參考文獻：

[1] 韓國華，逯廣大，靳曉雄.汽車排氣消聲器異響的識別及解決方法[J].噪聲與振動控制，2008（1）：102-104.

[2] 王偉偉，梁文海，韓宗斌.某車型排氣系統嘯叫問題分析及解決[J].裝備制造技術，2018（1）：227-230.