汽車排氣波紋管耐久性優(yōu)化設(shè)計

何竹革，胡光輝（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥230601）

汽車排氣波紋管耐久性優(yōu)化設(shè)計

何竹革，胡光輝
（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥230601）

以某款乘用車排氣波紋管為例，通過對影響波紋管壽命的波形參數(shù)進行分析，結(jié)合整車實際布置情況，提出一種波紋管優(yōu)化設(shè)計方案，提升波紋管的壽命；再通過路譜采集擬合出波紋管的運動軌跡，并進行損傷計算和臺架試驗，驗證此優(yōu)化方案的實際效果。

排氣波紋管；波形參數(shù)；路譜采集；臺架試驗

1　問題來源

在汽車排氣系統(tǒng)中，金屬波紋管作為發(fā)動機和排氣系統(tǒng)之間柔性連接的減振元件，其良好的彈性補償作用可以有效減小排氣系統(tǒng)受到的來自發(fā)動機、車身和地面等引起或傳遞的振動和沖擊，有效地降低由于發(fā)動機的振動而引起的排氣系統(tǒng)乃至整車的振動和噪聲［1-4］。

排氣波紋管通常由奧氏體不銹鋼加工而成，而波紋管單層壁厚通常只有0.2mm左右，汽車的使用環(huán)境復雜。因此，對其耐久性的研究和優(yōu)化有著非常重要的意義［5］。排氣波紋管的耐久性研究主要考慮其剛度、強度、疲勞失效［6］等方面。

某轎車在進行整車道路可靠性試驗過程中，在總里程25 490 km（強化路7 934 km）時，排氣波紋管出現(xiàn)斷裂。對故障件進行查看，并無明顯外傷痕跡。依據(jù)故障發(fā)生里程，初步判斷斷裂的主要原因是波紋管疲勞失效。

解決波紋管斷裂問題，通常采用改變波紋管布置位置，減小發(fā)動機擺動下的波紋管彎曲位移或提升波紋管自身耐久性兩種方案。鑒于此項目已到路試驗證階段，更改布置難度較大，改進方案初步確認為提升波紋管自身耐久性。

本文依據(jù)著名的美國膨脹節(jié)協(xié)會（EJMA）和我國的國標［7-9］提供的波紋管剛度及壽命計算公式，在波紋管其他設(shè)計參數(shù)不變的條件下，增加波數(shù)（n），能降低波紋管剛度，提升波紋管的補償性能，提高波紋管疲勞壽命；通過對波紋管靜剛度測試、疲勞壽命計算及臺架試驗，驗證改進可行性。

2　改進前后波紋管耐久性分析

現(xiàn)狀態(tài)排氣波紋管波數(shù)（n）23個，改進方案為波數(shù)（n）增加到25個。

2.1波紋管靜剛度測試

改進前后波紋管進行靜態(tài)剛度測試數(shù)據(jù)見表1。

表1　改進前后波紋管靜態(tài)剛度測試數(shù)據(jù)

由測試結(jié)果可知，改進后波紋管剛度減小，波紋管位移補償性能提升，符合設(shè)計預期。

2.2波紋管疲勞壽命分析

2.2.1路譜采集試驗及結(jié)果

本試驗用拉線式傳感器安裝到指定位置，利用傳感器自帶的連接線與INV3018C采集儀相連接，采集設(shè)備利用USB線與筆記本電腦相連接，形成DASPV10工程版平臺軟件+INV3018C高精度24位采集設(shè)備+YK 13013-FSM0201位移傳感器的測試分析系統(tǒng)。

試驗場地為安徽定遠試驗場，路譜采集的路況分別為強化路、山路、高速環(huán)路三種。

波紋管在各種路況6個自由度的運動情況通過位移傳感器記錄傳遞到電腦上，生成位移時間曲線。其中強化路采集數(shù)據(jù)如圖1所示。

2.2.2路譜采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計及波紋管損傷計算

對采集的一般公路6條信號進行分析，用DASPV10測試分析平臺軟件進行運算，得出三條信號曲線（xyz相對運動），進行二次積分把這三條信號轉(zhuǎn)化成位移信號，用時域指標統(tǒng)計得到三條位移信號的最大值、最小值、平均值等數(shù)據(jù)。如圖2所示。

依據(jù)計算結(jié)果，對各種路況最大扭轉(zhuǎn)角度和最大位移量進行統(tǒng)計，其結(jié)果如表2所示。

用雨流法計數(shù)，對位移信號進行分析得出位移和次數(shù)的柱圖，再進行實際統(tǒng)計損傷度分析，得出xyz方向的波紋管的實際損傷。通過計算，得出改進前后波紋管在試驗場30 000 km可靠性試驗過程中的總損傷，如表3所示。

表2　改進前后路譜采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果

表3　雨流法計算改進前后波紋管損傷結(jié)果

本文規(guī)定：總損傷，整車在定遠試驗場按照試驗標準規(guī)定30 000 km可靠性里程對波紋管造成的損傷，如損傷為100%，意為波紋管已失效。

2.3波紋管單軸臺架試驗

試驗方法：測試件兩端焊接上法蘭，法蘭用螺栓連接在耐久試驗機上，測試件水平放置，一端固定，一端左右振動。振動振幅為±18mm，振動頻率為8Hz，進行循環(huán)振動，測試其振動循環(huán)數(shù)。

改進前后各隨機抽取三個樣件進行試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4　改進前后波紋管臺架試驗結(jié)果

從以上改進前后數(shù)據(jù)對比來看：

1）相同可靠性試驗里程，依據(jù)采集路譜計算的波紋管損傷值改進前是改進后的15.5倍。

2）臺架試驗結(jié)果，改進后波紋管壽命也是改進前的16倍。

兩者結(jié)果基本一致，在其他條件不變情況下，增加波紋管波數(shù)，能降低波紋管剛度；增加波紋管位移補償性能，有效提升波紋管使用壽命。

該乘用車最終采用此改進方案，并成功解決了波紋管斷裂問題。

3　結(jié)束語

本文提出了一種提升波紋管耐久性的優(yōu)化方案，通過分析計算某乘用車實際路譜數(shù)據(jù)，以臺架試驗為依托，驗證其優(yōu)化方案的有效性，最終解決某乘用車波紋管斷裂問題。

［1］曹偉良.汽車撓性節(jié)的波紋管：中國，CN201475532U［P］.2010-05-19.

［2］車艷亮.金屬波紋管虛擬設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)［D］.秦皇島：燕山大學，2012.

［3］王立芳.金屬波紋管虛擬試驗系統(tǒng)的開發(fā)［D］.秦皇島：燕山大學，2012.

［4］張維達.汽車排氣波紋管有限元分析［C］.SAE中國汽車工程學會年會論文集，2011.

［5］李永生，李建國.波形膨脹節(jié)實用技術(shù)、制造與應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2000.9.

［6］田坤.基于CAE的U型波紋管疲勞壽命研究［D］.合肥：中國科技大學，2010.

［7］Standardsof the Expansion JointManufacturers Association（EJMA）［S］.EJMA，INC，Seven Edition，New York，2008.

［8］JB/T 6169-2006，金屬波紋管［S］.北京：交通人民出版社，2006.

［9］GB/T 12777-2008，金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件［S］.北京：中國標準出版社，2008.

修改稿日期：2015-05-07

Optim ization Design on Exhaust BellowsDurability for Vehicles

He Zhuge，Hu Guanghui
（Anhui JianghuaiAutomobile Co.，Ltd，Hefei230601，China）

Taking a passenger car exhaust bellows for example，the authorsanalyze thewaveform parameters that affectthebellows life，combinewith itsactualarrangement in thevehicle，presentabellowsdesign optimization programs toenhance thebellows life.Then they collect the road spectra to fitoutthe bellows'movement trajectories，and carry outthedamage calculation and bench test toverify theactualeffectof thisoptimization program.

exhaustbellows；waveform parameters；road spectrum collecting；bench test

U464

B

1006-3331（2015）04-0024-03

何竹革（1990-），男，汽車底盤設(shè)計工程師。