汽車(chē)排氣系統(tǒng)吊鉤位置優(yōu)化

李春楠梁婷婷周 健何森東

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)工程研究院，天津 300000；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545001）

汽車(chē)排氣系統(tǒng)吊鉤位置優(yōu)化

李春楠1梁婷婷2周 健1何森東1

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)工程研究院，天津 300000；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545001）

汽車(chē)排氣系統(tǒng)吊鉤振動(dòng)通過(guò)減震橡膠吊耳與車(chē)身相連，利用HYPERMESH和MSC．NASTRAN軟件對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模以及其模態(tài)分析，并根據(jù)平均驅(qū)動(dòng)自由度位移(ADDOFD)法對(duì)排氣系統(tǒng)吊鉤位置進(jìn)行了優(yōu)化，最后結(jié)合LMS軟件實(shí)際振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。

排氣系統(tǒng)；模態(tài)分析；吊鉤位置；平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車(chē)產(chǎn)品越來(lái)越多的走進(jìn)了我們的生活，隨之而來(lái)的是人們對(duì)汽車(chē)各種越來(lái)越高的要求，其中NVH[Noise(噪聲)、Vibration(振動(dòng))、Harshness(不舒適性)][1]逐步變成人們關(guān)心的話題。汽車(chē)排氣系統(tǒng)作為NVH主要影響因素之一，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛重視，其主要影響是在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞至排氣吊鉤然后通過(guò)減震橡膠吊耳能量衰減，最后傳遞至車(chē)身，使車(chē)內(nèi)駕乘人員感受到排氣系統(tǒng)帶來(lái)的振動(dòng)與噪聲，因此如何合理化布置排氣吊鉤，使其振動(dòng)能量最少的傳遞至車(chē)身成為了排氣系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目。

1 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

1.1 排氣系統(tǒng)有限元模型的建立

（1）主副消聲器筒體、催化轉(zhuǎn)化器和管體采用殼單元shell進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成厚度和材料信息定義；

（2）法蘭連接處用rbe2剛性單元連接；

（3）吊鉤采用采用PSOLID單元；

（4）金屬材料參數(shù)如下表1。

表1 排氣系統(tǒng)金屬材料特性

完成后的有限元模型如圖1所示。

圖1 排氣系統(tǒng)有限元模型

1.2 排氣系統(tǒng)有限元模型模態(tài)計(jì)算及結(jié)果

模態(tài)分析時(shí)整個(gè)模型系統(tǒng)完全自由，對(duì)懸掛點(diǎn)位置、法蘭不施加約束。采用MSC Nastran SOL103求解器，應(yīng)用Lanczos(蘭索斯法)算法[2-3]提取其結(jié)構(gòu)模態(tài),提取200Hz以內(nèi)的非零模態(tài)，分析結(jié)果見(jiàn)表2，主要振型圖見(jiàn)圖2。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

圖2 模態(tài)振型圖

以上計(jì)算結(jié)果表明，該排氣系統(tǒng)主要彎曲模態(tài)與扭轉(zhuǎn)模態(tài)完全可以避開(kāi)在發(fā)動(dòng)機(jī)(四缸)怠速頻率范圍內(nèi)25Hz～28Hz，符合排氣系統(tǒng)模態(tài)設(shè)計(jì)要求，因此筆者將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排氣系統(tǒng)吊鉤位置分析。

因?yàn)楹雎粤艘砭壈鍖?duì)鋼腹板的遮擋作用，所以對(duì)模型橫向的溫度加載是對(duì)稱的，模型x軸方向的變形也是對(duì)稱的。模型在15:00混凝土翼緣板兩邊緣達(dá)到最大橫向位移0.75 mm。

2 排氣系統(tǒng)吊鉤位置分析

2.1 平均驅(qū)動(dòng)自由度位移(ADDOFD)法

采用(ADDOFD)法[2]選出模態(tài)振動(dòng)較小的部位設(shè)置懸掛吊鉤位置，減小其振動(dòng)的能量傳遞至車(chē)身，最大程度上避免排氣系統(tǒng)模態(tài)與整車(chē)發(fā)生共振，其相關(guān)理論：

假設(shè)單點(diǎn)激勵(lì),根據(jù)多自由度系統(tǒng)模態(tài)分析理論,響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)p之間的頻率響函數(shù)為:

其中，是個(gè)測(cè)點(diǎn)，第r個(gè)模態(tài)振型系數(shù)

Mr和ζr分別是模態(tài)質(zhì)量，模態(tài)阻尼比，如果激勵(lì)力的頻率為ωr，則近似的有：

對(duì)于線性系統(tǒng)，位移響應(yīng)得幅值和頻率響應(yīng)函數(shù)的幅值成正比，進(jìn)一步假設(shè)振型以質(zhì)量矩陣歸一化，各階的模態(tài)阻尼近似相等，則：

定義第j 個(gè)自由度的平均驅(qū)動(dòng)自由度位移（Average Driving DOF Displacement）為：

ADDOFD(j)可以用來(lái)預(yù)測(cè)j自由度在一般激勵(lì)情況下(在某個(gè)頻率范圍內(nèi)的所有模態(tài)均被激發(fā))的位移響應(yīng)的相應(yīng)大小。本方法也常應(yīng)用于模態(tài)試驗(yàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵筝^高的情況。如果僅僅測(cè)試一階模態(tài)，則平均驅(qū)動(dòng)自由度位移最小點(diǎn)位于這一階模型的節(jié)點(diǎn)處。

2.2 排氣系統(tǒng)吊鉤位置分析

在排氣系統(tǒng)FEM數(shù)模波紋管出氣口段開(kāi)始每間隔50mm選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)重新編號(hào)，以便對(duì)吊鉤位置進(jìn)行標(biāo)記，該排氣系統(tǒng)共計(jì)標(biāo)記76個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中吊鉤初始設(shè)計(jì)位置為節(jié)點(diǎn)編號(hào)22、47、63、73如圖3所示。

圖3 吊鉤位置

通過(guò)平均驅(qū)動(dòng)自由度位移(ADDOFD)法計(jì)算，計(jì)算排氣系統(tǒng)200Hz以內(nèi)自由模態(tài)，并通過(guò)后處理軟件將各階次振型位移輸出，然后計(jì)權(quán)累加，結(jié)果如圖4所示。

圖4 ADDOFD

由圖4曲線與吊鉤實(shí)際位置對(duì)比可知，該排氣系統(tǒng)吊鉤2布置位置處于曲線峰值，排氣系統(tǒng)吊鉤應(yīng)該是在圖4曲線波谷或接近波谷的那些點(diǎn)，盡量避免選擇那些位于波峰的點(diǎn)，因此需要重新布置。

3 優(yōu)化與驗(yàn)證

根據(jù)以上分析結(jié)果，在滿足車(chē)身對(duì)排氣系統(tǒng)主消支返力的前提下，建議將排氣系統(tǒng)吊鉤2位置沿系統(tǒng)坐標(biāo)—X方向平移500mm，并通過(guò)LMS測(cè)試設(shè)備驗(yàn)證優(yōu)化前后車(chē)內(nèi)振動(dòng)。測(cè)試時(shí)在車(chē)內(nèi)駕乘人員腳底地板位置布置振動(dòng)傳感器如圖5所示，然后進(jìn)行三檔全油門(mén)加速工況車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試，優(yōu)化前原狀態(tài),測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)示意圖

圖6 測(cè)點(diǎn)1原狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 測(cè)點(diǎn)2原狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖8可知，測(cè)點(diǎn)2在優(yōu)化后曲線較為平滑，1200、1900、2500r/min左右峰值基本消除，表明優(yōu)化后車(chē)內(nèi)地板振動(dòng)明顯降低。綜上所述，該排氣系統(tǒng)吊鉤2位置沿系統(tǒng)坐標(biāo)—X方向平移500mm使車(chē)內(nèi)振動(dòng)得到明顯改善。

4 結(jié)論

針對(duì)排氣系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)影響問(wèn)題，通過(guò)對(duì)排氣系統(tǒng)模態(tài)仿真，對(duì)排氣系統(tǒng)懸掛點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。測(cè)試結(jié)果表明：排氣系統(tǒng)通過(guò)懸掛點(diǎn)傳遞振動(dòng)是影響車(chē)內(nèi)振動(dòng)得重要因素之一，并對(duì)懸掛點(diǎn)附近車(chē)內(nèi)振動(dòng)有較大影響，通過(guò)優(yōu)化排氣系統(tǒng)懸掛點(diǎn)位置能有效降低車(chē)內(nèi)振動(dòng)。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[2] 傅志方,華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2000.

[3] 楊萬(wàn)里,陳燕,鄧小龍.乘用車(chē)排氣系統(tǒng)模態(tài)分析數(shù)值模型研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,1(4):345-347.

由圖6～圖7可知，測(cè)點(diǎn)2優(yōu)化前Z向振動(dòng)較大，且于，1200、1900、2500r/min左右存在明顯峰值，表明在此轉(zhuǎn)速下駕乘人員可以明顯感受到強(qiáng)烈的振動(dòng)，采用優(yōu)化方案后在此進(jìn)行三檔全油門(mén)加速工。況車(chē)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)2測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

Automobile exhaust system hook location optimization

automobile exhaust system hook is connected to the body by vibration damping rubber, using HYPERMESH and MSC. NASTRAN to build exhaust system FEM and its modal analysis, and according to the average driving DOF displacement (ADDOFD) method to optimize the location of the exhaust system hook, Finally combined with LMS software actual vibration testing for validation.

Exhaust system; modal analysis; hook position; ADDOFD

圖8 測(cè)點(diǎn)2優(yōu)化方案測(cè)試數(shù)據(jù)

U464

A

1008-1151(2015)01-0082-03

2014-12-11

李春楠，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)工程研究院NVH研發(fā)工程師。