客車排氣系統(tǒng)振動特性優(yōu)化及試驗驗證

劉 凱，林建平，王 根，郭福祥，楊 楠

（1.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海201804；2.南京依維柯汽車有限公司，南京210028）

客車排氣系統(tǒng)振動特性優(yōu)化及試驗驗證

劉 凱1，林建平1，王 根1，郭福祥2，楊 楠2

（1.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海201804；2.南京依維柯汽車有限公司，南京210028）

為提高某國產(chǎn)輕型客車的乘坐舒適性，解決車內(nèi)排氣系統(tǒng)側(cè)車身地板振動較大的問題，通過與對標車進行道路試驗對比分析，發(fā)現(xiàn)排氣系統(tǒng)吊掛點位置和吊掛懸置剛度的設(shè)計并不合理，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)向車身傳遞的振動過大。基于平均驅(qū)動自由度位移法（ADDOFD）分析計算，得到所有參考點的各階模態(tài)振型加權(quán)求和，重新選擇平均驅(qū)動自由度位移較小的位置作為排氣系統(tǒng)吊掛點；綜合考慮吊掛懸置隔振效果和耐疲勞性能，對吊掛懸置剛度進行優(yōu)化設(shè)計。最后，對排氣系統(tǒng)吊掛位置和吊掛懸置剛度優(yōu)化設(shè)計提出最優(yōu)改進方案，并進行試驗驗證分析，試驗結(jié)果驗證了該優(yōu)化方案的有效性與合理性。

振動與波；排氣系統(tǒng)；吊掛；模態(tài)分析；道路試驗；優(yōu)化設(shè)計

國內(nèi)外許多學(xué)者研究了排氣系統(tǒng)對車輛噪聲和振動的影響。RAO M D等[2]認為排氣系統(tǒng)吊耳和懸掛點對車內(nèi)振動和噪聲具有重要影響。王繼先等[3，4]通過模態(tài)分析計算出排氣系統(tǒng)的固有頻率，并根據(jù)模態(tài)振型節(jié)點確定懸掛點位置。廖芳等[5]基于振動傳遞函數(shù)法，計算出排氣系統(tǒng)各點在振動頻帶內(nèi)的總相對位移響應(yīng)，并選擇總相對位移響應(yīng)較小的點作為懸掛點。目前針對排氣系統(tǒng)振動特性的研究多是通過仿真手段對排氣系統(tǒng)吊掛點位置進行優(yōu)化，為后續(xù)相關(guān)研究提供了較多有價值的參考。項目組前期研究發(fā)現(xiàn)，除了吊掛點位置外，吊掛懸置剛度對排氣系統(tǒng)的振動特性等也有較大的影響，目前還很少有文獻對這兩個方面同時開展分析研究。

某國產(chǎn)輕型客車在怠速工況下，發(fā)現(xiàn)駕駛室地板及方向盤的振動比較明顯（方向盤有輕微重影、手感發(fā)麻），同時發(fā)現(xiàn)排氣系統(tǒng)側(cè)的車身地板振動較另一側(cè)的車身地板振動要大很多，嚴重影響乘坐舒適性。針對該問題，通過道路試驗對該車型進行振動分析，確定原因是由于排氣系統(tǒng)向車身傳遞的振動較大。為了改善該客車排氣系統(tǒng)的振動問題，降低排氣系統(tǒng)向車身傳遞的振動，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮排氣系統(tǒng)吊掛點位置和吊掛懸置剛度對車輛振動和噪聲的影響，提出優(yōu)化方案。根據(jù)優(yōu)化方案改進吊掛點位置和吊掛懸置的剛度，并對改進之后的排氣系統(tǒng)進行了試驗驗證。

1 異常振動原因分析

針對上述輕型客車排氣系統(tǒng)側(cè)的車身地板出現(xiàn)的異常振動，通過道路試驗對振源進行識別。在排氣系統(tǒng)吊掛主、被動端貼三向加速度傳感器，進行常用工況試驗，采集吊掛主、被動端加速度信號。

在對該車型進行詳細摸底測試的同時，測試對標車的排氣系統(tǒng)吊掛振動情況，對結(jié)果進行對比分析，主要對比各吊掛主動端振動大小和Z向隔振量，結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出：

（1）該車型排氣系統(tǒng)消聲器前后兩個吊掛主動端振動比對標車小，尾管處吊掛主動端振動比對標車大；

（2）該車型各吊掛Z向隔振量比對標車小很多，導(dǎo)致隔振效果不好，排氣系統(tǒng)向車身傳遞的振動較大。由此說明，該車型排氣系統(tǒng)吊掛點位置（尤其是尾管處吊掛）需要進行優(yōu)化，吊掛橡膠懸置剛度也需要重新進行設(shè)計。

2 排氣系統(tǒng)建模仿真與試驗驗證

2.1 有限元模型的建立

以排氣系統(tǒng)三維CAD模型為基礎(chǔ)，通過劃分網(wǎng)格、定義材料屬性及部件之間的連接方式建立有限元模型。

根據(jù)建模標準建立的整個有限元模型包括101 258個網(wǎng)格單元，67個部件，如圖3所示。模型以殼單元為主，其中法蘭、吊鉤及三元催化器內(nèi)部簡化為體單元。由于排氣系統(tǒng)中絕大部分的連接方式為點焊，在軟件中選擇軟件自帶的RBE 2連接方式模擬各部件之間的連接。

2.2 模態(tài)分析與驗證

為了獲取該輕型客車排氣系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)，對其進行自由模態(tài)試驗。

圖1 吊掛主動端振動大小對比

圖2 吊掛Z向隔振量大小對比

圖3 排氣系統(tǒng)有限元分析模型

圖4 激勵方式

模態(tài)試驗分析是對結(jié)構(gòu)進行可測可控的動力學(xué)激勵，由激勵力和響應(yīng)的信號求得系統(tǒng)的頻率函數(shù)矩陣，再在頻域或者轉(zhuǎn)到時域采用多種識別方法求出模態(tài)參數(shù)，得到結(jié)構(gòu)的固有振動特性，包括固有頻率，振型和阻尼比[6]。試驗中排氣系統(tǒng)采用橡皮繩懸吊安裝方式和多點激勵多點拾振的測試方法，激勵方式如圖4所示。

采用脈沖隨機信號（burst random）激振，其信號采集時的采樣頻率為512 Hz，信號平均次數(shù)為50次（譜分析精度為0.25），采樣時間為4 s。除2個激振點外共安排布置了24個測試點，當完成24個測點激勵與拾振測試后，進行各個測點到激勵點的傳遞函數(shù)計算，然后采用傳遞函數(shù)的集總平均進行模態(tài)定階。

利用Hyperworks-Optistruct軟件對建立好的有限元模型進行模態(tài)仿真分析，為了方便與模態(tài)試驗進行對比，只分析200 Hz以下的各階模態(tài)頻率及振型，分析的結(jié)果與模態(tài)試驗結(jié)果如表1所示。由于排氣系統(tǒng)的結(jié)果非常復(fù)雜，建立模型的過程中有一些必要的簡化，同時試驗過程中阻尼的影響，導(dǎo)致試驗和仿真的模態(tài)頻率由一定的偏差，但是基本在允許范圍內(nèi)，且振型基本一致，認為前文建立的有限元模型是準確的，可以用于后續(xù)的優(yōu)化過程。

3 排氣系統(tǒng)吊掛點位置優(yōu)化

3.1 平均驅(qū)動自由度位移（ADDOFD）理論[6]

根據(jù)多自由度系統(tǒng)模態(tài)分析理論，對于線性系統(tǒng)，單獨在激勵點p施加一頻率為ωr的單位正弦激勵時，在響應(yīng)點l引起的復(fù)響應(yīng)大小可近似表示為

表1 排氣系統(tǒng)模態(tài)仿真與模態(tài)試驗結(jié)果對比

系統(tǒng)自由模態(tài)振動時，可以理解為激勵點與響應(yīng)點重合，則對于某1階模態(tài)振型，有

在結(jié)構(gòu)振動中，振動響應(yīng)是各階模態(tài)按一定比例的線性疊加，各階模態(tài)疊加比例大小不盡相同，一定頻率范圍內(nèi)的振動響應(yīng)可表示為

定義此時的xl() ω為各響應(yīng)點的平均驅(qū)動自由度位移ADDOFD(l)，它可以用來預(yù)測l自由度（也就是第l個參考點）在一定頻率范圍內(nèi)的所有模態(tài)均被激發(fā)時的加權(quán)位移響應(yīng)。

3.2 排氣系統(tǒng)吊掛參考點加權(quán)位移分析

為了在整個排氣系統(tǒng)上選擇合適的吊掛點，一般先沿著整個排氣系統(tǒng)等間距地選擇N個參考點（本文選取了95個點），如圖3所示。然后對這些潛在的參考點進行綜合的比較，選出那些最不容易被激發(fā)出較大振動的點作為新的排氣系統(tǒng)吊掛點。這時，排氣系統(tǒng)可以看作是具有N個自由度的離散系統(tǒng)，對應(yīng)著有N階模態(tài)振型。對排氣系統(tǒng)進行自由模態(tài)仿真分析，能夠得到整個排氣系統(tǒng)的各階自由模態(tài)頻率及振型。通常希望找那些處于振型節(jié)點或附近的點作為吊掛點，這樣受到相關(guān)激勵時，吊掛主動端振動就比較小。因此，如果只測試某1階模態(tài)，則吊掛點應(yīng)該位于該階模態(tài)下的振型節(jié)點處，但對于排氣系統(tǒng)，通常要綜合考慮200 Hz以下的各階振型，以各個參考點在200 Hz以下所有模態(tài)均被激發(fā)時的加權(quán)位移大小作為參考指標。

根據(jù)前文平均驅(qū)動自由度位移（ADDOFD）理論，在計算排氣系統(tǒng)自由模態(tài)時，將各參考點的位移在結(jié)果文件Pch中輸出，然后對各個參考點的位移按式（3）進行加權(quán)。將加權(quán)結(jié)果繪制成一條曲線，如圖5所示。

圖5 參考點平均驅(qū)動自由度加權(quán)位移響應(yīng)

3.3 排氣系統(tǒng)吊掛點位置優(yōu)化方案

根據(jù)平均驅(qū)動自由度位移(ADDOFD)法的理論，排氣系統(tǒng)吊耳的位置應(yīng)該由ADDOFD值最小的那些節(jié)點給出。也就是說排氣系統(tǒng)吊掛點應(yīng)該是在圖5曲線波谷或接近波谷的那些點，盡量避免選擇那些位于波峰的點。

根據(jù)圖5，可以發(fā)現(xiàn)尾管處吊掛目前的位置并不理想，處于ADDOFD值較大的位置，有優(yōu)化的空間，這也從側(cè)面解釋了尾管處吊掛主動端振動比對標車大的原因。

結(jié)合排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及車身布置，考慮到系統(tǒng)的自身重量，做如下改進：

（1）尾管處掛鉤（第93參考點）移至第86參考點位置(如圖3所示)；

而消聲器前吊掛和中間吊掛處于波谷或接近波谷的那些點，所以這兩個掛鉤點位置不做修改。三元催化器前吊掛及消聲器后吊掛目前雖然沒有處在波谷，但考慮到整個排氣系統(tǒng)靜平衡的需要，位置也不做修改。

4 吊掛懸置剛度優(yōu)化

4.1 吊掛懸置剛度問題分析

排氣系統(tǒng)吊掛懸置作為排氣系統(tǒng)的承重與隔振部件，起懸掛排氣系統(tǒng)和把來自排氣系統(tǒng)的激勵與車身隔離的作用[7]。排氣系統(tǒng)吊掛懸置剛度是確定排氣系統(tǒng)對汽車NVH性能的影響因素之一。吊掛懸置剛度大，動態(tài)響應(yīng)力大，隔振性變差，吊掛懸置變形小，耐久性好；反之，動態(tài)響應(yīng)力小，隔振性變好，吊掛懸置變形大，耐久性變差[8]。

由前文排氣系統(tǒng)摸底試驗結(jié)果可以看出，該輕型客車各吊掛Z向隔振量較小，吊掛懸置剛度需要重新設(shè)計。圖6為該車型吊掛懸置布置示意圖，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗將懸置兩個水平方向的剛度值取為定值，取10 N/mm。懸置在垂直方向的剛度對懸置的位移和動態(tài)載荷有較大影響，因此確定8個懸置在垂直方向的剛度作為設(shè)計變量，即

圖6 懸置掛點布置示意圖

其中SZi和FZi分別表示第i號懸置沿Z方向的位移變形和傳遞的動態(tài)載荷峰值；α和β分別表示吊掛懸置位移變形和傳遞的動態(tài)載荷的加權(quán)因子。在排氣系統(tǒng)吊掛懸置設(shè)計過程中，懸置的耐久疲勞性能必須首先得到滿足，其次才是懸置的隔振性能，因此α值一般取得較大，這里取0.7；β值取得相對小一點，這里取0.3。

綜合考慮吊掛懸置隔振效果和耐疲勞性能，取發(fā)動機全負荷升速工況下吊掛懸置的位移變形和傳遞的動態(tài)載荷最小為優(yōu)化目標，即目標函數(shù)可近似表示為

4.2 懸置剛度優(yōu)化

目標函數(shù)中涉及到懸置位移變形和傳遞的動態(tài)載荷的計算。其中，對排氣系統(tǒng)有限元模型施加-9.8 m/s2的重力加速度，可計算在排氣系統(tǒng)自重下各懸置的位移變形；該輕型客車發(fā)動機全負荷起始轉(zhuǎn)速為800 r/min，2階起始頻率為23 Hz，因此可在三元催化器法蘭端面施加單位激勵力矩（1 N·m，23 Hz～200 Hz），方向繞排氣系統(tǒng)軸向，求出各懸置傳遞給車身的動態(tài)載荷。

圖7 目標函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

參考企業(yè)標準，該類輕型客車排氣系統(tǒng)懸置剛度取值范圍一般在7 N/mm～15 N/mm，且一般考慮加工制造成本和安裝等具體因素，所有懸置的剛度都取為一致。因此對8個吊掛點懸置分別都賦予7 N/mm、8.5 N/mm、10 N/mm、11.5 N/mm、13 N/mm、14.5 N/mm的Z向剛度值進行仿真計算，將仿真得到的吊掛懸置位移變形和傳遞的動態(tài)載荷按式（4）進行加權(quán)計算，最終結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，懸置Z向剛度值取10 N/mm時，即

目標函數(shù)f(x)取得最小值，為一定范圍內(nèi)最佳的優(yōu)化結(jié)果。

圖8 麥克風(fēng)和加速度傳感器布置

5 優(yōu)化結(jié)果驗證

為了驗證優(yōu)化方案的有效性和優(yōu)化方法的準確性，按優(yōu)化方案試制樣車進行道路試驗。在車內(nèi)乘員耳測布置麥克風(fēng)，在車內(nèi)座椅導(dǎo)軌處布置加速度傳感器，如圖8所示。

分別采集優(yōu)化前后各排乘員耳側(cè)的聲壓信號和座椅導(dǎo)軌處的振動加速度信號，并進行詳細的對比分析，結(jié)果如圖9和圖10所示。

由圖9可以看出，優(yōu)化前后車內(nèi)各排乘員耳側(cè)噪聲有所減??；由10可以看出，優(yōu)化前后車內(nèi)各排座椅導(dǎo)軌處振動也出現(xiàn)了不同程度的降低。結(jié)果表明排氣系統(tǒng)吊掛點位置的優(yōu)化和合理的吊掛懸置剛度匹配設(shè)計對改善車內(nèi)乘坐舒適性具有重要作用，在排氣系統(tǒng)設(shè)計階段必須予以重視。

6 結(jié)語

（1）針對某國產(chǎn)輕型客車排氣系統(tǒng)側(cè)的車身地板出現(xiàn)的異常振動，通過道路試驗對振源進行識別，發(fā)現(xiàn)排氣系統(tǒng)向車身傳遞的振動過大。進一步通過與對標車的試驗對比分析，結(jié)果表明排氣系統(tǒng)吊掛點位置和吊掛懸置剛度設(shè)計得不合理；

（2）用平均驅(qū)動自由度位移法（ADDOFD）理論對排氣系統(tǒng)所有參考點進行平均驅(qū)動自由度位移（ADDOFD）計算分析和吊掛點位置優(yōu)化，結(jié)果表明尾管處的吊掛位置需要優(yōu)化，這個仿真結(jié)果和前期的摸底試驗分析正好吻合。同時，綜合考慮懸置隔振效果和耐疲勞性能，對吊掛懸置剛度進行優(yōu)化設(shè)計，提高整車的NVH性能；

圖9 優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲大小對比

圖10 優(yōu)化前后車內(nèi)座椅導(dǎo)軌振動大小對比

（3）根據(jù)優(yōu)化方案試制樣車并進行試驗驗證。在車速60 km/h～120 km/h范圍內(nèi)，優(yōu)化前后車內(nèi)各排乘員耳側(cè)噪聲都有所減小，各排座椅導(dǎo)軌處振動也出現(xiàn)了不同程度的降低；表明該優(yōu)化設(shè)計方法的有效性與合理性，對同類工程問題具有一定參考價值。

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Optimization and Experimental Verification of Vibration Characteristics for a Light Bus Exhaust System

LIU Kai1,LIN Jian-ping1,WANG Gen1,GUO Fu-xiang2,YANG Nan2

(1.School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Nanjing IVECO(Naveco)Motors Co.Ltd.,Nanjing 210028,China)

In order to improve the ride com fort of a domestic light bus and reduce the large abnormal vibration of the body floor on the side of exhaust system,the road test of the bus is carried out and the results are compared w ith those of the competitive bus.It is found that the unreasonable layout and stiffness of the hangers of the exhaust system cause the excessively large vibration of the vehicle’s body.Based on the average driving DOF displacement(ADDOFD)method,the weighted summations of modals at all reference points are calculated.The reference points,where the ADDOFD displacement responses are smaller,are chosen as the locations of the hangers of the exhaust system.The stiffness of the hangers is optim ized according to the requirement of the vibration isolation effect and fatigue resistance characteristics.The optimal scheme for design is proposed and the test analysis is performed based on the optim ization of the hanger’s layout and stiffness.The effectiveness and rationality of the optimization method are verified by the test results.

vibration and wave;exhaust system;hanger;modal analysis;road test;optimal design

1006-1355(2014)04-0169-05+177

TB53 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.037

車內(nèi)噪聲與振動是評價汽車舒適性的重要指標。汽車排氣系統(tǒng)一端與發(fā)動機相連，另一端則通過掛鉤與車體相連。發(fā)動機的振動會傳遞給排氣系統(tǒng)，然后通過掛鉤傳遞到車身。車身的振動通過座椅、方向盤和地板直接傳遞給乘客，同時車身的振動也會輻射出去，在車內(nèi)產(chǎn)生噪聲[1]。因此，有必要對排氣系統(tǒng)振動特性進行分析與優(yōu)化。

2014-01-15

劉 凱（1989-），男，江西撫州人，碩士生，主要研究方向：汽車NVH性能及車身輕量化技術(shù)。

E-mail:lklately@163.com

林建平（1958-），男，教授，博士生導(dǎo)師。

E-mail:jplin58@mail.#edu.cn