排氣系統(tǒng)的試驗研究

劉興恕，張伯俊，高海珍

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

排氣系統(tǒng)的試驗研究

劉興恕1，張伯俊1，高海珍2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對于汽車的振動噪聲控制的要求越來越嚴(yán)格。據(jù)有關(guān)資料表明，汽車噪聲嚴(yán)重地污染著城市環(huán)境，影響著人們的生活、工作和健康。如今，NVH(Noise噪音、Vibration振動、Harshness聲振粗糙度)的抑制已成為汽車研發(fā)與生產(chǎn)的重點概念。文章通過對某轎車在怠速工況下進(jìn)行基本性能測試，找到了排氣系統(tǒng)是該試驗車的最主要振動噪聲源之一；然后，對排氣系統(tǒng)進(jìn)行了試驗，驗證了車內(nèi)振動噪聲的來源；最后，通過汽車CAE技術(shù)，使排氣系統(tǒng)吊鉤位置得到改進(jìn)，實現(xiàn)排氣系統(tǒng)NVH性能優(yōu)化，從而有效地降低了車內(nèi)的振動噪聲。

振動噪聲；排氣系統(tǒng)；CAE

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.034

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-102-04

引言

汽車噪聲與振動是一門非常復(fù)雜的學(xué)科，涉及很多方面。在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，噪聲與振動控制也是一門關(guān)鍵的技術(shù)。在汽車界，人們談?wù)撛肼暸c振動時，通常采用一個詞NVH，即是噪聲（Noise）、振動（Vibration）和不舒適（Harshness）三個英文單詞首字母的縮寫[1]。作為汽車非常重要的噪聲振動源-排氣系統(tǒng)，一般是指從發(fā)動機(jī)排氣多支管到排氣尾管各個部件的組合，其組成包括：Y型管、催化器、柔性管、前置消聲器、后置消聲器、中間連接管、尾管、掛鉤、掛鉤隔振器等部件。本文以國產(chǎn)某轎車在怠速工況下的排氣系統(tǒng)為研究對象，分別通過實驗與CAE技術(shù)探討了汽車的噪聲與振動，為整車車內(nèi)噪聲與振動源的分析及控制提供了借鑒[2]。

1、基本性能測試

基本性能測試是在車內(nèi)特定位置布置麥克風(fēng)和振動傳感器，由測試前端和電腦測出數(shù)據(jù)，從而了解車內(nèi)基本的噪聲振動特性，制定有效的目標(biāo)值，為進(jìn)行下一步測試提供依據(jù)[3]。

本實驗采用的試驗車為某國產(chǎn)A級三廂轎車，極具有代表性。發(fā)動機(jī)采用直列四缸四沖程橫置自然吸氣形式，排量為1.6L，五檔手動變速器，怠速轉(zhuǎn)速為750r/min。實驗地點為中國汽車技術(shù)研究中心整車半消聲室，實驗設(shè)備為比利時LMS數(shù)據(jù)采集前端、B&K傳聲器和三向加速度傳感器。

按照GB/T18697-2002 《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》，本文對試驗車進(jìn)行了怠速工況車內(nèi)振動噪聲的測試[4]，車內(nèi)測試點如表1所示。

表1 車內(nèi)傳聲器與加速度傳感器測試點

基本性能測試采取試驗車與對標(biāo)車相對比的方法，對標(biāo)車為進(jìn)口同等排量轎車，對標(biāo)車的測試值作為試驗車的目標(biāo)值。表2為在怠速空調(diào)關(guān)的工況下試驗車和對標(biāo)車振動噪聲匯總結(jié)果。

表2 測試結(jié)果

測試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：車內(nèi)前排噪聲明顯比后排大，而且后排左側(cè)噪聲偏大，方向盤、換擋桿和座椅導(dǎo)軌的振動幅度差值偏大，尤其是換擋桿的位置。

通過數(shù)據(jù)分析可以進(jìn)行合理的推測：車內(nèi)前排噪聲較大是由于發(fā)動機(jī)噪聲造成，怠速工況下發(fā)動機(jī)是最主要的噪聲源，對于安裝國產(chǎn)發(fā)動機(jī)尤為明顯，并噪聲通過前圍傳遞到車內(nèi)；振動級別偏大是由于底盤排氣系統(tǒng)造成，排氣系統(tǒng)受到發(fā)動機(jī)的激勵，振動由連接在排氣與底盤處的吊鉤傳遞到車內(nèi)，使得車內(nèi)振動較大，從而產(chǎn)生噪聲。

2、排氣系統(tǒng)試驗

排氣模態(tài)試驗是通過力錘試驗得到排氣系統(tǒng)的模態(tài)。力錘激勵是對被測結(jié)構(gòu)施加一定形式和大小的激振力，以迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的振動。一把力錘、一個振動傳感器和 LMS數(shù)據(jù)采集前端就能測得排氣系統(tǒng)的動力特性和結(jié)構(gòu)模態(tài)。將振動傳感器固定在響應(yīng)較大的測點處，依次用力錘敲擊排氣系統(tǒng)的其他測點，可以測試得到不同點的單點激勵與多個固定測點的振動響應(yīng)，經(jīng)測試前端處理，可獲得頻響函數(shù)，并由此求出動力特性和排氣模態(tài)。表3分別為力錘和排氣系統(tǒng)的振動傳感器安裝[5]。

表3 力錘和排氣系統(tǒng)的振動傳感器安裝

測試試驗車自由狀態(tài)下的排氣系統(tǒng)模態(tài)，評價吊鉤分布是否合理的影響。圖1為排氣系統(tǒng)模態(tài)測試，其結(jié)果為排氣系統(tǒng)的二階橫向彎曲的模態(tài)頻率為 25Hz。而怠速轉(zhuǎn)速為750r/min，發(fā)動機(jī)的激勵頻率也為25Hz，會激起排氣系統(tǒng)的共振，使車內(nèi)振動噪聲增大，而且排氣系統(tǒng)的二階彎曲是由于吊鉤安排不當(dāng)，需要用到CAE技術(shù)優(yōu)化其吊鉤位置。

3、排氣系統(tǒng)CAE優(yōu)化

排氣系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)中，需要對排氣系統(tǒng)的整體模態(tài)進(jìn)行

分析，進(jìn)而選出模態(tài)振動較小的部位設(shè)置懸掛吊鉤位置，同時也可最大程度上避免排氣系統(tǒng)模態(tài)與整車發(fā)生共振［6］。

3.1排氣系統(tǒng)有限元模型的建立

排氣系統(tǒng)的參數(shù)包括材料參數(shù)、尺寸參數(shù)等，它們是進(jìn)行排氣系統(tǒng)有限元建模的前提。金屬材料參數(shù)，如表4所示。

表4 排氣系統(tǒng)金屬材料特性

排氣系統(tǒng)尺寸參數(shù)如表5所示。

表5 排氣系統(tǒng)尺寸參數(shù)

利用Hypermesh對排氣系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行有限元處理，因為是在既有幾何模型上對模型進(jìn)行有限元處理，模型建立過程中盡量保證模型的原狀態(tài)，對薄板件（如消聲器筒體和管道等）和較厚構(gòu)件（吊鉤等）分別處理［7］。薄板構(gòu)件采用PSHELL單元進(jìn)行有限元處理，較厚構(gòu)件采用PSOLID單元進(jìn)行有限元處理［8］。對于薄板構(gòu)件，需要定義板的厚度，可以從幾何模型中量取，網(wǎng)格尺寸采用10mm。

在建立有限元模型時，對于對計算結(jié)果沒有明顯影響的構(gòu)件及條件可以進(jìn)行適當(dāng)簡化，因法蘭連接處采用螺栓緊固，可以看成是剛性連接［9］。還有對主副消聲器筒體、催化轉(zhuǎn)化器和管體采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成厚度和材料信息定義；法蘭連接處用rbe2剛性單元連接；波紋管采用cbush單元，三向剛度分別為Kx=45N/mm，Ky=Kz=1.5N/mm。完成后的有限元模型如圖2所示。

3.2排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

模態(tài)分析時整個排氣模型有限元系統(tǒng)導(dǎo)入到 MSC. Nastran中，采用MSC.Nastran SOL103求解器，應(yīng)用Lanczos算法提取其結(jié)構(gòu)模態(tài)，提取200Hz以上的非零模態(tài)，分析結(jié)果見表6。

表6 排氣模態(tài)分析結(jié)果

各階模態(tài)振型如下圖3所示。

3.3吊鉤位置優(yōu)化

選取排氣系統(tǒng)模型，對其行200Hz以內(nèi)的自由模態(tài)分析，通過選取平均驅(qū)動自由度位移值小的位置作為吊鉤的懸掛位置。選點間隔為 50mm，從左至右編號為 1-55，利用 MSC Nastran計算排氣系統(tǒng)在點火頻率上限以下的所有自由模態(tài)，并將這些位置的位移進(jìn)行加權(quán)疊加，再選取疊加位移較小的作為吊鉤的推薦處，如圖4所示[10]。

該排氣系統(tǒng)在怠速激勵范圍內(nèi)存在26.72Hz模態(tài)頻率，主要表現(xiàn)為波紋管X向伸縮模態(tài)，建議減小波紋管軸向剛度來避開發(fā)動機(jī)怠速激勵。吊耳位置基本布置在自由度位移值相對較小的位置，比較合理。

針對排氣系統(tǒng)在怠速激勵范圍內(nèi)存在 26.72Hz模態(tài)頻率，主要表現(xiàn)為波紋管X向伸縮模態(tài)，建議減小波紋管軸向剛度由45N/mm降低到30N/mm來避開發(fā)動機(jī)怠速激勵；改進(jìn)吊鉤位置后的計算分析前幾階模態(tài)頻率分別為 16.65Hz、21.49Hz、23.00Hz、47.75Hz，完全避開了發(fā)動機(jī)怠速激勵，從而使車內(nèi)振動級別大大下降，并達(dá)到目標(biāo)值要求。

4、結(jié)論

本文通過振動噪聲性能測試，全面地了解了試驗車內(nèi)基本的振動噪聲情況，為下一步的改進(jìn)優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)保證；分析汽車怠速工況下的振動噪聲源，針對本實驗車型最主要的振動噪聲源為排氣系統(tǒng)；通過汽車CAE技術(shù)，即Hypermesh的網(wǎng)格劃分和NASTRAN的有限元計算，使排氣吊鉤位置得到改進(jìn)，實現(xiàn)排氣系統(tǒng)NVH性能優(yōu)化。

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Test Research on the Exhaust System

Liu Xingshu1, Zhang Bojun1, Gao Haizhen2
( 1.School of Vehicle and Transportation,Tianjin 300222; 2.Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222 )

With the rapid development of automobile industry, people are more and more strict to the requirement of the control of vehicle noise and vibration. According to the relevant data, the noise from vehicle polluted city environment seriously, affecting people's lives, work and health. Nowadays, the suppression of NVH (Noise, Vibration and Harshness) has become the key concept of research, development and production of vehicle. By testing a car’s basic performances in idling process, this article finds that the exhaust system is one of the most main vibration noise’s sources in the cabin; Then, it makes a test of the exhaust system, verifying the source of the in-car vibration noise; Finally,through a CAE technology on vehicle,it makes the position of the hook improved, achieves the optimization of the performance of the exhaust system in NVH,and reduces the vibration noise of the cabin effectively.

Vibration and noise; Exhaust system; CAE

U463.9

A

1671-7988（2015）09-102-04

劉興恕，就讀于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，研究方向為車輛與發(fā)動機(jī)振動噪聲。

國家自然科學(xué)基金（青年）項目“基于大渦模擬-化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的汽油機(jī)超級爆震機(jī)理的研究”（項目批準(zhǔn)號：51406135）。