改進(jìn)車輛進(jìn)排氣系統(tǒng)降低整車車外加速噪聲

朱帥

摘要：隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，汽車的年產(chǎn)量和保有量不斷增加，汽車噪聲已成為影響人們生活環(huán)境質(zhì)量的重要污染源。而發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是汽車噪聲的主要噪聲源，采用結(jié)構(gòu)合理的排氣消聲器是降低整車噪聲最為有效、簡單的途徑。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作情況下，建立排氣系統(tǒng)的流動(dòng)和聲學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合必要的測試驗(yàn)證手段設(shè)計(jì)消聲系統(tǒng)的性能，已成為發(fā)達(dá)國家開發(fā)研究消聲器的基本手段。采用先進(jìn)的數(shù)值模擬手段研究開發(fā)消聲器，可以大大減少試驗(yàn)工作量，縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，耗資少。目前我國的消聲器設(shè)計(jì)主要基于經(jīng)驗(yàn)，沒有完整的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)周期長，不能滿足汽車工業(yè)的發(fā)展需要，因此相關(guān)的基礎(chǔ)研究尤為重要。

關(guān)鍵詞：車輛進(jìn)排氣系統(tǒng)；整車車外；加速噪聲

汽車的振動(dòng)和噪聲特性是影響汽車乘坐舒適性的一個(gè)重要因素。隨著人們生活水平的提高，對汽車乘坐舒適性的要求也不斷提高，不僅要求低的噪聲和振動(dòng)，而且要求汽車的聲音特性滿足乘客的要求?？紤]提高消聲器剛度改變排氣系統(tǒng)固有頻率分布以避免怠速共振，以達(dá)到車內(nèi)噪聲主觀評價(jià)的要求。

一、有限元模型的建立

為了解排氣系統(tǒng)的振動(dòng)特性，需要進(jìn)行有限元模態(tài)分析。排氣系統(tǒng)由波紋管、三元催化轉(zhuǎn)化器、前置消聲器、后置消聲器、排氣管道、吊鉤和橡膠吊耳等部件組成。用Abaqus 作為有限元求解器，Hypermesh 作為前處理軟件對排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格離散，單元尺寸為4 mm，單元總數(shù)約為9 萬個(gè)。其中，波紋管用無阻尼零長度Spring 2彈簧單元模擬，在幾何中心加載波紋管質(zhì)量；三元催化器外部采用四邊形殼單元S4R，催化器載體的體積質(zhì)量為0. 6kg /L，催化器內(nèi)部芯體用等效質(zhì)量加載于表面；各處連接法蘭以體單元C3D8R 劃分；前置、后置消聲器按照其具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用包含四邊形單元S4R 和三角形單元S3 的殼單元?jiǎng)澐?；排氣管道直接以四邊形殼單元S4R 畫出；吊鉤處的橡膠懸置用彈簧單元Spring 2 模擬；焊接部分用一層四邊形S4R 單元表示；各處法蘭的連接螺栓用MPC 進(jìn)行簡化處理。為了驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，在整車安裝狀態(tài)下對原排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。采用多點(diǎn)輸入、單點(diǎn)輸出的測試方法，在實(shí)車安裝狀態(tài)下對排氣系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)錘擊激勵(lì)，通過激振力和響應(yīng)信號的收集處理，用軟件對頻響函數(shù)進(jìn)行擬合，識(shí)別排氣系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)完成排氣系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。結(jié)果表明，除去局部模態(tài)，模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，有限元模型基本正確，可做分析研究之用。該排氣系統(tǒng)原方案模態(tài)第3 階固有頻率為26. 46 Hz，振型為繞X 軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。該頻率在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工作時(shí)該排氣系統(tǒng)有產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致怠速下排氣噪聲值和振動(dòng)偏大，為危險(xiǎn)頻率。因此需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使其固有頻率避開該激勵(lì)頻率范圍。

二、改進(jìn)車輛進(jìn)排氣系統(tǒng)降低整車車外加速噪聲

1.排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。一是原方案。當(dāng)排氣系統(tǒng)模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率相接近時(shí)，改變掛鉤位置可以有效改變系統(tǒng)固有頻率，但掛鉤位置的改變會(huì)影響底盤布置等問題，一般作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化最后的解決方法。針對排氣系統(tǒng)固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率相接近時(shí)引起的系統(tǒng)怠速共振問題，采用了模態(tài)應(yīng)變能控制、局部振型控制和系統(tǒng)剛度控制3種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法以避開發(fā)動(dòng)機(jī)怠速共振頻率，達(dá)到降低振動(dòng)減小噪聲的目的。在進(jìn)行排氣系統(tǒng)模態(tài)分析的同時(shí)，計(jì)算其模態(tài)應(yīng)變能。在模態(tài)分析中，第階模態(tài)的第單元若某區(qū)域的模態(tài)應(yīng)變能越高，則說明該區(qū)域越容易被激振起來，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)越弱。對系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度優(yōu)化，分散集中的能量分布，可以強(qiáng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改變其固有特性。二是方案一：模態(tài)應(yīng)變能控制為了避免排氣系統(tǒng)的怠速共振，方案一改進(jìn)方式是在模態(tài)應(yīng)變能能量集中的前置消聲器后方彎管處焊接一塊鋼板，加強(qiáng)該處結(jié)構(gòu)分散集中的能量，提高該階模態(tài)頻率，達(dá)到避開共振區(qū)間的效果。三是方案二：局部振型控制。研究車型車身底盤結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)確定，若是大范圍大數(shù)量地移動(dòng)吊鉤，必然需要重新布置底盤空間，為改進(jìn)方案的實(shí)施帶來困難。因此，該方案以盡量少的掛鉤改動(dòng)為原則實(shí)現(xiàn)對局部振型的控制。四是方案三：系統(tǒng)剛度控制。將前置、后置消聲器中間排氣管路的管徑由原來48 mm 改為52 mm，管徑增加以后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度有所提升，原扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率會(huì)得到一定程度的提升。改變管徑后，各階模態(tài)頻率值相對于其他改進(jìn)方案都發(fā)生了較大改變。原方案中危險(xiǎn)頻率從26.46 Hz 提高至29.21 Hz，避開了怠速激勵(lì)頻率范圍25.00 ～ 28.33 Hz。雖然該方案也未能改變系統(tǒng)振型，但頻率的提高對避免怠速共振有積極作用。在排氣噪聲控制上，局部振型控制方法效果最顯著，改變模態(tài)振型比改變模態(tài)頻率更有效。

2.消聲器改進(jìn)及性能評價(jià)。排氣系統(tǒng)冷端主要由前置消聲器（副消）、后置消聲器（主消）、中間管道和尾管等構(gòu)成。原消聲器方案的副消和主消結(jié)構(gòu)示意圖。消聲器改進(jìn)主要針對二階噪聲頻段進(jìn)行，主副消聲器結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行修改。排氣二階噪聲屬于低頻噪聲，采用共振結(jié)構(gòu)予以消除。一般來說，共振型消聲結(jié)構(gòu)的消聲頻率作用范圍為40～200 Hz。在不改變消聲器外形輪廓的前提下，適當(dāng)加大主消容積，并將原主消中間腔設(shè)計(jì)為共振腔，同時(shí)調(diào)整穿孔管的穿孔率和穿孔管長度。為增加高頻消聲量，降低氣流再生噪聲，在主消聲器出氣管上使用蘆弗管結(jié)構(gòu)（同心管結(jié)構(gòu)）。根據(jù)共振腔主消頻段的不同，設(shè)計(jì)了兩中方案的主消結(jié)構(gòu)。原方案副消身器結(jié)構(gòu)不合理，傳聲損失小，現(xiàn)使用隔板將前消聲器設(shè)計(jì)為兩腔結(jié)構(gòu)，前腔為共振腔，后腔填充有吸音棉。改進(jìn)后的主副消聲器結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的主副消聲器結(jié)構(gòu)剛度較原方案增加許多，因此，對整個(gè)排氣系統(tǒng)的固有頻率有影響。改進(jìn)后副消聲器主要的消聲頻段是400 Hz 以上，消聲量較原方案有很大提高，達(dá)到30 dB 以上。改進(jìn)后主消聲器在整個(gè)頻段范圍內(nèi)都有較好的消聲效果，消聲量基本在30dB以上，與原主消聲器比較，在60 Hz～200 Hz以下的低頻段，普遍有10 dB以上的消聲量，在120 Hz處存在峰值，達(dá)到28 dB，低頻消聲效果有明顯改善。新設(shè)計(jì)的兩種消聲器方案加速噪聲水平有較明顯的改善，下降了6～10dB（A），其中方案效果更好。采用有限單元法對改進(jìn)消聲器后的排氣系統(tǒng)進(jìn)行自由模態(tài)分析，兩種方案的二階模態(tài)分別為21.9Hz和22.3，三階模態(tài)為32.7 Hz和31.5 Hz，避免了與怠速頻率的共振，說明消聲器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)也改變了排氣系統(tǒng)的固有頻率。同時(shí)，對裝有改進(jìn)方案的樣車進(jìn)行主觀評價(jià)，采用十分制評分法，對樣車的怠速及急加速動(dòng)態(tài)噪聲特性進(jìn)行評價(jià)。怠速工況下，車內(nèi)共振噪聲較原樣車有所降低，車內(nèi)共鳴現(xiàn)象得到改善；急加速時(shí)，車內(nèi)噪聲明顯小于配有原消聲器方案的樣車，噪聲壓耳現(xiàn)象得到明顯改善，原車存在的隆隆聲也基本消失。

采用共振腔和蘆弗管結(jié)構(gòu)，改進(jìn)消聲器，使得低頻消聲和高頻消聲效果提高。同時(shí)，改進(jìn)后的消聲器剛度增加，改變排氣系統(tǒng)固有頻率的分布，避開怠速共振，使得轎車啟動(dòng)和急加速時(shí)車內(nèi)噪聲有明顯改善。因此在優(yōu)化怠速噪聲時(shí)，不僅要改變排氣系統(tǒng)固有頻率消除怠速共振，而且要根據(jù)模態(tài)振型對排氣噪聲具有較大輻射面積的區(qū)域進(jìn)行振型控制，以更有效地降低排氣噪聲幅值。

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