汽車排氣系統(tǒng)振動(dòng)分析與優(yōu)化

李高楊 高曉亮

【摘 要】針對(duì)某車型設(shè)計(jì)階段的排氣系統(tǒng)，以其振動(dòng)性能為研究指標(biāo)，采用有限元法對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行約束模態(tài)分析，結(jié)合平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法（ADDOFD），使得懸掛點(diǎn)布置方案更為合理；在頻率響應(yīng)分析中，研究排氣系統(tǒng)振動(dòng)特性，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，從而保障排氣系統(tǒng)工作的可靠性和使用壽命，最終達(dá)到提高排氣系統(tǒng)整體性能的目標(biāo).

【關(guān)鍵詞】汽車排氣系統(tǒng)；振動(dòng)；分析

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和汽車行業(yè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，汽車作為工業(yè)產(chǎn)品已在人們的工作和生活中扮演了重要角色，給人們的交通運(yùn)輸帶來(lái)了極大的便利。汽車的保有量逐年增加，在基本的便利性得到滿足下，人們對(duì)汽車性能提出了更高要求。良好的NVH性能，將會(huì)在振動(dòng)和噪聲方面更加卓越，舒適性上得到更好體驗(yàn)。乘坐舒適性不僅僅是消費(fèi)者對(duì)于汽車產(chǎn)品的重要需求，同時(shí)也是各大汽車公司研發(fā)過(guò)程中所關(guān)注的關(guān)鍵性能。提升汽車NVH性能已經(jīng)成為了各大汽車廠商角逐市場(chǎng)份額的重要競(jìng)爭(zhēng)力之一。

1、排氣系統(tǒng)有限元模型的建立

排氣系統(tǒng)的組成主要包括了排氣管、氧傳感器、波紋管、法蘭、消聲器以及懸掛組件等.在三維軟件中導(dǎo)出IGES數(shù)據(jù)格式并導(dǎo)入CAE軟件HyperMesh中，根據(jù)分析計(jì)算的特點(diǎn)，在考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度的前提下，對(duì)模型進(jìn)行前處理.在幾何清理簡(jiǎn)化過(guò)程中，遵循不影響分析結(jié)果的原則，比如不考慮氧傳感器，并修復(fù)其安裝孔，忽略消聲器穿孔管上的圓孔特征（與聲場(chǎng)和流場(chǎng)特性相關(guān)）等；網(wǎng)格劃分極具復(fù)雜性，包括單元類型的選取、質(zhì)量參數(shù)的控制、連接方式的模擬等等，在有限元建模過(guò)程中的難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：1）薄壁件，如主副消聲器（含隔板）、三元催化器、排氣管管體，使用殼單元PSHELL處理，網(wǎng)格尺寸5mm.2）排氣系統(tǒng)掛鉤、法蘭采用四面體PSOLID單元模擬，網(wǎng)格尺寸3mm.3）螺栓連接、焊縫、點(diǎn)焊等連接采用RBE2剛性單元.4）波紋管兩端采用RBE3連接排氣管、再用六自由度彈簧單元CBUSH連接兩端進(jìn)行等效模擬，設(shè)置6個(gè)方向的剛度值；彈簧單元的質(zhì)量用質(zhì)量單元Mass分兩部分分別加在其波紋管兩端頭部（排氣管的中心），每部分質(zhì)量為波紋管總質(zhì)量的一半.5）在動(dòng)力總成的建模中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為剛體進(jìn)行處理，以附帶慣性屬性的質(zhì)量單元Mass進(jìn)行模擬.用彈簧CBUSH模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的懸掛（隔振器）并設(shè)置相應(yīng)的剛度值；其中質(zhì)心位置與法蘭連接位置、懸掛位置通過(guò)剛性單元進(jìn)行連接.

2、排氣系統(tǒng)振動(dòng)性能分析

2.1、排氣系統(tǒng)掛鉤動(dòng)剛度分析

排氣系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)傳遞到車身的主要途徑之一，其一端通過(guò)連接法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，另一端通過(guò)掛鉤和吊耳與車內(nèi)地板相連。因此排氣系統(tǒng)隔振性能的好壞直接影響整車的NVH性能。排氣系統(tǒng)振動(dòng)過(guò)大，會(huì)加劇系統(tǒng)各組件的疲勞損壞，振動(dòng)通過(guò)車內(nèi)地板傳到駕駛室，對(duì)轎車的乘坐舒適性也有較大的影響。因此，在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)保證隔振性能滿足設(shè)計(jì)要求。吊耳隔振率是判斷排氣系統(tǒng)隔振性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，工程要求隔振率應(yīng)不低于20dB。排氣系統(tǒng)的隔振系統(tǒng)主要由掛鉤和吊耳組成，主動(dòng)側(cè)掛鉤連接排氣系統(tǒng)與吊耳，被動(dòng)側(cè)掛鉤連接吊耳與車身，分析時(shí)一般將隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化為三個(gè)不同剛度的彈簧串聯(lián)模型。

2.2、排氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉分析

排氣系統(tǒng)通過(guò)吊耳掛鉤與車身相連，而吊耳為超彈性材料，故在行車過(guò)程中會(huì)引起排氣系統(tǒng)的振動(dòng)與晃動(dòng)。排氣管路彎折處較多，運(yùn)動(dòng)幅度較大。若排氣系統(tǒng)在行車過(guò)程中與車身發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，排氣組件與車身的碰撞不僅會(huì)引起系統(tǒng)異響，大大降低轎車的乘坐舒適性，也會(huì)降低組件的使用壽命。因此有必要對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉分析，即分析排氣系統(tǒng)在極限工況下的變形情況。通用公司制定了28種車輛運(yùn)行工況，其中模擬汽車在行駛過(guò)程中可能遇到的10種惡劣工況。建立包含不同加速度加載方向和倍數(shù)的載荷集，來(lái)模擬汽車的極限工況。最后在Nastran的線性靜力分析模塊中計(jì)算出各工況下排氣系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)的位移，以判斷排氣系統(tǒng)各組件是否與周圍部件發(fā)生干涉。

3、排氣系統(tǒng)振動(dòng)性能優(yōu)化

3.1、掛鉤位置評(píng)估

合理的懸掛位置可以保證各個(gè)掛鉤承重更加均勻，避免因單個(gè)掛鉤和吊耳承重過(guò)大而引起的局部變形過(guò)大甚至斷裂而影響排氣系統(tǒng)總體壽命。而從振動(dòng)傳遞角度分析，掛鉤的理想懸掛點(diǎn)在排氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)處，不僅可使排氣系統(tǒng)傳遞到車身的振動(dòng)達(dá)到最小值，還可以降低路面激勵(lì)通過(guò)吊耳傳遞到系統(tǒng)引起的沖擊，提高排氣系統(tǒng)疲勞耐久性。工程設(shè)計(jì)中主要根據(jù)平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法（ADDOFD），來(lái)布置掛鉤懸掛點(diǎn)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中掛鉤位置的選取仍受底盤空間和裝卸便利性的影響，因此不可能完全按ADDOFD法布置。根據(jù)ADDOFD理論，一般先在仿真軟件中對(duì)排氣系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行編號(hào)，從發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)的連接法蘭到排氣尾管合理選點(diǎn)以確定布局點(diǎn)，再進(jìn)行自由模態(tài)分析，提取主要頻率段各點(diǎn)的模態(tài)振型，最后根據(jù)ADDOFD理論計(jì)算各點(diǎn)的位移，以各點(diǎn)的編號(hào)為橫坐標(biāo)、位移為縱坐標(biāo)繪制位移曲線，曲線的波谷附近即為掛鉤理想位置。

3.2、排氣系統(tǒng)振動(dòng)靈敏度分析

為了更有效地對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，有必要分析系統(tǒng)各變量對(duì)約束模態(tài)、振動(dòng)性能和疲勞耐久性的影響程度和影響規(guī)律，從而更有針對(duì)性地確定優(yōu)化范圍。靈敏度分析是研究與分析一個(gè)系統(tǒng)（或模型）的狀態(tài)或輸出變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感程度的方法。靈敏度分析主要用于優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)研究對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響較大的參數(shù)，從而更迅速地確定輸入變量、并根據(jù)其影響程度及范圍預(yù)測(cè)優(yōu)化的趨勢(shì)。靈敏度的物理意義為變量取不同值時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的變化差值與變量差值的比值，即單位變量值引起的系統(tǒng)響應(yīng)差。實(shí)際上由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)際變量對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響與理論數(shù)學(xué)公式模型具有一定誤差，在仿真計(jì)算時(shí)往往對(duì)系統(tǒng)和變量進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。

3.3、動(dòng)剛度分析

動(dòng)剛度作為描述減振性能的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)不同頻率單位激勵(lì)與系統(tǒng)的響應(yīng)之間的關(guān)系，來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.當(dāng)排氣系統(tǒng)懸掛點(diǎn)最終布置調(diào)整后，采用模態(tài)法頻響分析法，對(duì)懸掛掛鉤進(jìn)行動(dòng)剛度分析.排氣系統(tǒng)無(wú)需約束，對(duì)掛鉤與懸掛橡膠連接位置處分別沿X、Y、Z方向施加單位激勵(lì)，為了保證動(dòng)剛度分析的精確度，將載荷激勵(lì)頻率范圍設(shè)為0～200Hz，自然模態(tài)頻率范圍設(shè)為0～400Hz.對(duì)每個(gè)掛鉤進(jìn)行計(jì)算分析，比如前消的一個(gè)吊鉤，在29Hz、53Hz左右，吊鉤Z向速度有明顯峰值，考慮全約束模態(tài)振型情況，總體上在0～400Hz頻率范圍內(nèi)基本滿足低于動(dòng)剛度目標(biāo)值的要求.經(jīng)過(guò)動(dòng)剛度計(jì)算分析，根據(jù)對(duì)標(biāo)車設(shè)定的動(dòng)剛度目標(biāo)值，對(duì)不滿足要求的懸掛進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，進(jìn)而合理地設(shè)計(jì)懸掛系統(tǒng).

結(jié)束語(yǔ)

模態(tài)分析的最終目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免工作頻率與固有頻率相近而產(chǎn)生共振，提高排氣系統(tǒng)的使用壽命.為了能夠更準(zhǔn)確地反映排氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段以及在實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)特性，采用約束模態(tài)分析法，再根據(jù)平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法確定、優(yōu)化懸掛布置方案，使分析更為合理可靠.通過(guò)頻率響應(yīng)分析，以確定排氣系統(tǒng)懸掛的動(dòng)剛度是否合格，吊耳的振動(dòng)傳遞率是否滿足振動(dòng)性能要求.在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段采用有限元法，對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行具體而合理的分析研究，可預(yù)見(jiàn)性地解決潛在的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高排氣系統(tǒng)乃至整車的振動(dòng)性能.

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（作者單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司）