某重卡發(fā)動機排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭凱

摘要： 基于考察某重卡排氣管可靠性目的，本文利用錘擊模態(tài)試驗方法，對排氣系統(tǒng)進行模態(tài)計算分析并考察其振動情況。通過加強約束方式，使該排氣系統(tǒng)一階固有頻率由91.59Hz提高到發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的點火激勵頻率以上，并降低了排氣系統(tǒng)的振動，取得了理想的效果。結(jié)果表明，通過增強支架約束方法能有效的避免因發(fā)動機激勵共振引起的故障。

Abstract： For the purpose of investigating the reliability of the exhaust pipe of a heavy truck， this paper uses the hammering modal test method to calculate and analyze the modal of the exhaust system and investigate its vibration. The first order natural frequency of the exhaust system is increased from 91.59Hz to more than the ignition excitation frequency corresponding to the rated engine speed by strengthening the restraint mode， and the vibration of the exhaust system is reduced， and the effect is ideal. The results show that the fault caused by engine excitation resonance can be effectively avoided by strengthening the bracket constraint method.

關(guān)鍵詞： 排氣系統(tǒng);錘擊法;模態(tài)分析;振動

Key words： exhaust system;hammering method;modal analysis;vibration

中圖分類號：U473.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0003-02

0? 引言

振動疲勞能夠引起排氣管的失效，發(fā)動機和車身的激勵頻率與排氣管的固有頻率相近，會產(chǎn)生共振，這種共振會增大排氣管的振動幅度，導(dǎo)致其加速斷裂破壞[1]。模態(tài)分析作為研究結(jié)構(gòu)振動特性的常用手段，其分析的核心內(nèi)容就是確定固有頻率、阻尼比及振型等模態(tài)參數(shù)[2]。

本文針對排氣管進行模態(tài)分析的目的是為了獲得排氣管的固有頻率，進而能夠確定引起疲勞破壞的激勵頻率，避免發(fā)動機排氣管共振情況的發(fā)生。

1? 分析對象

排氣系統(tǒng)的主要作用是利用最小流動阻力，把發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的廢氣排除，降低缸內(nèi)壓力，有利于混合氣的正常燃燒[3-4]。該車排氣系統(tǒng)組成包括排氣管、支架、排氣制動閥、波紋管和消聲器，排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

2? 測試結(jié)果分析

2.1 模態(tài)測試結(jié)果分析

對排氣系統(tǒng)進行錘擊模態(tài)試驗，該排氣系統(tǒng)約束模態(tài)一階頻率為91.45Hz，低于發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速（1900rpm）下點火激勵，在高轉(zhuǎn)速區(qū)間存在共振風(fēng)險。測試結(jié)果如表1所示，振型如圖3所示，系統(tǒng)主要振型為波紋管連接處的上下擺動。

排氣系統(tǒng)一階模態(tài)應(yīng)至少提高至發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)激勵以上，即95Hz以上。

2.2 振動測試結(jié)果分析

控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速由怠速緩慢升高至最高轉(zhuǎn)速。通過控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速方式來達到掃頻目的并同時考察排氣系統(tǒng)在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間的振動情況。排氣系統(tǒng)振動測點示意圖如圖4所示[5]。

排氣系統(tǒng)不同部位振動情況如圖5所示。

通過圖5分析可知，波紋管前測點振動烈度在中高轉(zhuǎn)速區(qū)間大于30mm/s2，存在一定的風(fēng)險。

3? 優(yōu)化設(shè)計及測試

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)一階模態(tài)振型圖，對排氣系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將卡箍約束更改為焊接約束并增加加強筋以提高系統(tǒng)模態(tài)，降低振動烈度[6]。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2 試驗驗證

在同一車輛上更換優(yōu)化支架后排氣管，并進行模態(tài)試驗和振動試驗。錘擊模態(tài)試驗結(jié)果如表2所示。根據(jù)模態(tài)試驗結(jié)果可以看出，排氣系統(tǒng)的一階模態(tài)滿足設(shè)計要求。

優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的各測點振動如圖8所示，各測點振動在全轉(zhuǎn)速范圍振動均小于30mm/s2。

4? 結(jié)論

在該機型整車匹配階段，利用錘擊法對排氣系統(tǒng)進行了模態(tài)試驗和振動試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，整個系統(tǒng)的模態(tài)得到了提升，振動烈度得到降低。

應(yīng)用試驗方法可以很好的反饋設(shè)計，提高設(shè)計成功率，減少市場故障的發(fā)生。

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