慈龍尚，陳剛，張輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

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某款8×4重卡載貨車排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

慈龍尚，陳剛，張輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

以某款8×4重卡載貨車排氣系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)建模數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，闡述了排氣系統(tǒng)的零部件匹配布置原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，詳細(xì)介紹了排氣系統(tǒng)的排氣管、吊掛系統(tǒng)、SCR后處理系統(tǒng)、排氣尾管等零部件的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及對設(shè)計(jì)過程的研究等，并通過此排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析、給定工況下的振動(dòng)耐久性CAE分析數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了此排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性及科學(xué)性。

重卡載貨車；排氣系統(tǒng)；匹配設(shè)計(jì)；后處理SCR；模態(tài)CAE

0 引言

排氣系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要構(gòu)成部分，其功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣排入大氣，通過清除廢氣中的有害成分來降低污染和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，并降低廢氣發(fā)出的噪聲[1]。排氣系統(tǒng)作為與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣直接接觸部件，承受著化學(xué)腐蝕、高溫作用以及交變力的影響，在這些因素的共同作用下，排氣系統(tǒng)的耐久性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必然受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因排氣歧管大多為發(fā)動(dòng)機(jī)自帶件，另因發(fā)動(dòng)機(jī)的功能升級，原發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)系統(tǒng)所有的排輔制動(dòng)蝶閥總成也大多集成在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管上，文中所述的某款8×4載貨重卡排氣系統(tǒng)主要由排氣管、吊掛系統(tǒng)、SCR后處理系統(tǒng)、排氣尾管等零部件組成，如圖1所示。

圖1 某款重型卡車的排氣系統(tǒng)

以圖1所示的排氣系統(tǒng)三維建模為例，簡述了此排氣系統(tǒng)中主要大件布置的匹配設(shè)計(jì)要點(diǎn)，詳細(xì)闡述了各組成部件的開發(fā)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要點(diǎn)；另基于此排氣系統(tǒng)的3D模型還完成了此排氣系統(tǒng)的模態(tài)CAE分析及在給出激勵(lì)下的振動(dòng)耐久性CAE分析，并對此排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)給予評價(jià)，為零部件的局部改進(jìn)提供參考。

1 與發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)外關(guān)聯(lián)件的匹配設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配設(shè)計(jì)是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中總攬全局性的工作，也是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，它需在整車總布置要求框架下開展排氣系統(tǒng)的空間布置、局部設(shè)計(jì)等細(xì)化設(shè)計(jì)工作，使排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸設(shè)計(jì)符合整車的大件布置及尺寸要求；另排氣系統(tǒng)還應(yīng)與車架、車橋、變速箱等系統(tǒng)外關(guān)聯(lián)件達(dá)到最佳組合，總體獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案等。排氣系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)具體要求如下：

1.1 對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)前，首先要知道某車型設(shè)計(jì)總布置規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼后端中心坐標(biāo)值，車架總成及發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、前橋、中橋等大件的總布置位置和尺寸，再載入這些大件三維模型進(jìn)行總布置；在與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配設(shè)計(jì)階段，應(yīng)認(rèn)真閱讀發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)協(xié)議，熟知發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)協(xié)議上排氣口的位置及坐標(biāo)值與三維數(shù)模中是否一致、后處理的取水口及回水口的位置和坐標(biāo)值、發(fā)動(dòng)機(jī)是自帶排輔制動(dòng)器還是不帶排輔制動(dòng)器等、DCU是否和發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU集成等。

1.2 對應(yīng)電器線束、駕駛室、龍門架等大件匹配設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)的排氣管不能離整車的電器線束太近，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，排氣管離底盤線束距離不小于50 mm，離駕駛室后支撐上安全氣囊距離不小于40 mm，如不符合要求，則需要在排氣管增加隔熱板或隔熱罩等。另排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，行駛中排氣系統(tǒng)存在抖動(dòng)，因此排氣系統(tǒng)與周邊的關(guān)聯(lián)件、車橋板簧支座、傳動(dòng)軸的間距不小于40 mm，避免動(dòng)態(tài)干涉等。

2 排氣管的開發(fā)設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

排氣管的設(shè)計(jì)是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，直接關(guān)系著整個(gè)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)品質(zhì)，也會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，排氣管的設(shè)計(jì)主要有如下注意事項(xiàng)：

2.1 確定排氣管的直徑、壁厚及材料等

首先，排氣管的管徑設(shè)計(jì)可參圖2所示的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值：

圖2 排氣管的管徑設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)廠家不同，如玉柴，濰柴、錫柴、JND等，因后處理的結(jié)構(gòu)形式、排氣管的長度等不同，即使相同馬力段的發(fā)動(dòng)機(jī)，其要求選擇的排氣管管徑也會(huì)略有差別。但總的原則是排氣管的直徑對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率且成正比，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大，排氣管的直徑對應(yīng)著也大些。排氣管的壁厚一般選用1.5～2 mm，若壁厚太薄，則排氣管與法蘭面焊接連接較少，排氣管在車輛運(yùn)行或怠速的過程中容易脫焊而抖落。對于圖1中的8×4重卡載貨車，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為228 kW(310馬力)，選用的排氣管外直徑為φ101 mm，壁厚為2 mm。排氣管的材質(zhì)選用不銹鋼OCr18Ni9 ，此排氣系統(tǒng)后處理選用尿素噴射，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，尿素噴射管附件的排氣管選用不銹鋼材質(zhì)的。

2.2 排氣管的走向及彎角設(shè)計(jì)等

首先，排氣管的走向受制于發(fā)動(dòng)機(jī)上排氣口的坐標(biāo)值及出口朝向以及整車的布置等。排氣管走向也可設(shè)計(jì)為從車架上平面走，繞過駕駛室后支撐、空濾器支撐等，再合理避讓懸架進(jìn)入車架下方布置筒式的SCR。而此8×4載貨重卡的排氣管走向布置如圖1所示，排氣管直接穿過發(fā)動(dòng)機(jī)與車架之間的間隙，拐過一個(gè)不大的角度轉(zhuǎn)到車架下方進(jìn)行布置。另國V發(fā)動(dòng)機(jī)在其技術(shù)協(xié)議對排氣管的長度、走向也有相關(guān)規(guī)定要求等，如排氣管的總長度超過1.5 m的話，則需要在排氣管的外周設(shè)計(jì)包裹保溫布等；排氣管的彎角成形一般為模具在彎管機(jī)上彎壓成形的。根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)和驗(yàn)證，排氣管的外直徑與彎角半徑大小存在如表1所示的一種對應(yīng)關(guān)系。對大多發(fā)動(dòng)機(jī)來說，對排氣背壓都有要求，其中排氣管內(nèi)的排氣壓降為5 kPa左右。

表1 彎頭規(guī)格表 mm

備注：必須保證彎頭高度和厚度在誤差范圍內(nèi)。

2.3 排氣系中波紋管、排輔制動(dòng)器的設(shè)計(jì)及布置

排氣系統(tǒng)中波紋管和排輔制動(dòng)器的布置及設(shè)計(jì)也是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)對排氣系統(tǒng)的CAE分析及對故障件的分析結(jié)果，排輔制動(dòng)器一般和發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管做成一體的，如圖1所示。在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也有排輔制動(dòng)器與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管非一體的，因排輔制動(dòng)器比較重，在發(fā)動(dòng)機(jī)激振源的作用下，排氣制動(dòng)器的振幅較大，因此在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要將排輔制動(dòng)器放在波紋管的前方緊靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管定置設(shè)計(jì)等。另波紋管的長度應(yīng)盡量設(shè)計(jì)長點(diǎn)，一般波紋長度不小于200 mm，波紋管的管徑與排氣管的外直徑相當(dāng)。

3 排氣吊掛的開發(fā)設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

排氣吊掛的設(shè)計(jì)是排氣設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)。排氣吊掛設(shè)計(jì)不合理還會(huì)造成排氣管脫焊甚至斷裂。排氣吊掛的設(shè)計(jì)應(yīng)避免剛性連接，如圖3所示的排氣管與車架柔性連接，排氣吊掛的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖3 排氣管吊掛與車架縱梁的柔性連接

3.1 排氣管吊掛的位置、數(shù)量設(shè)置

根據(jù)排氣管的管路、走向等不同，排氣吊掛的設(shè)置也略有差別，但基本原則為：一根排氣管對應(yīng)一個(gè)排氣管吊掛，但排氣管吊掛數(shù)量也不超過3根；波紋管前面的吊掛固定在發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱上，如圖4所示，確保波紋管前面的排氣管與激振振源一致，波紋管后面的排氣管吊掛則與車架或車架附件柔性連接。

圖4 排氣管吊掛與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼的剛性連接

因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，排氣管從發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口出來后從飛輪殼的下方走，因發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口一般在車架縱梁上翼面的較高位置，前排氣管的設(shè)計(jì)就比較長，對于8×4的載貨重卡來說，排氣口的下前方就是前輪中心線，此處有底盤的前橋。因此需要在前排氣管上增加一個(gè)固定，由于排氣管的減震波紋管設(shè)計(jì)在前排氣管的后段，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪殼上預(yù)留一個(gè)凸臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)U形卡箍直接將排氣管固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪殼上。一般設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：對于重型卡車來說，因排氣管的管徑較粗、質(zhì)量較大等，每個(gè)排氣管都需要有一個(gè)排氣管吊掛，對于較長的排氣管段，還需設(shè)計(jì)2個(gè)排氣管吊掛。就此款車型來說，共設(shè)計(jì)有4個(gè)排氣管吊掛，前后排氣管各1個(gè)吊掛，后處理SCR上有2個(gè)排氣管吊掛。

3.2 后處理SCR安裝及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

排氣系統(tǒng)SCR的安裝有效控制了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染和噪聲污染,但也影響了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，國Ⅳ、國Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)均使用SCR排氣后處理系統(tǒng)。SCR系統(tǒng)由催化消聲器，計(jì)量噴射泵，尿素罐及傳感器，后處理控制單元(DCU),尿素加熱進(jìn)、回水管，尿素管及噴頭等部分組成，其位置和關(guān)系如圖5所示。

催化消聲器的主要作用是催化氮氧化合物的還原反應(yīng)和降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲，是SCR催化器和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器的集成體。

首先，SCR吊箍的安裝必須避開載體所在位置，與車架連接之間加減震墊，具體如圖3所示。其次筒式SCR長度方向的中心與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口距離也有要求，一般不能太長，本車型因結(jié)構(gòu)特殊，其數(shù)值為3 m左右。

圖5 SCR系統(tǒng)組成原理簡圖

3.3 排氣尾管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.3.1 排氣尾管口的朝向設(shè)計(jì)

GB 7258要求：機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管口不得指向車身右側(cè)(如受結(jié)構(gòu)限制排氣管口必須偏向右側(cè)時(shí)，排氣管口中心線與機(jī)動(dòng)車縱向中心線的夾角應(yīng)小于等于15°)和正下方[2]。此種設(shè)計(jì)除了確保路邊行人的安全外，也是為降低排氣尾管口的排氣噪聲。此8×4重卡載貨車的排氣尾口朝向左下方，與水平面成45°的夾角，此排氣尾口設(shè)計(jì)完全符合國標(biāo)。此外，排氣尾口朝向左下方，也方便排氣口的冷凝水排出，減少排氣尾管的銹蝕等。

3.3.2 排氣尾管的結(jié)構(gòu)形式

排氣尾管一般有兩種結(jié)構(gòu)形式供選擇：與SCR一體式尾管，與SCR卡箍裝接式尾管。對于SCR一體式排氣尾管，工藝成形難度較大，成本高；而裝接式的排氣尾管是用一組卡箍將排氣尾管與SCR出口端裝配連接起來，此種設(shè)計(jì)零部件制造工藝簡單，成本低，裝配方便等，圖1采用的為后者設(shè)計(jì)。

4 排氣系統(tǒng)CAE分析

為校核排氣系統(tǒng)的NVH耐久性能，檢驗(yàn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，基于排氣系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)數(shù)模，參照發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)及相關(guān)邊界條件，一款7.2 L排量8×4載貨重卡排氣系統(tǒng)的CAE分析內(nèi)容如下：

網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分模型

模態(tài)分析如圖7所示。

圖7 模態(tài)分析

分析結(jié)果：在此模態(tài)分析中，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率范圍內(nèi)有10階固有頻率，怠速范圍內(nèi)無固有頻率，即此系統(tǒng)處于NVH和耐久低風(fēng)險(xiǎn)中。

在參考點(diǎn)上施加10～85 Hz、豎直方向上0.1 mm的激勵(lì)，耐久振動(dòng)分析如圖8所示。

圖8 耐久振動(dòng)分析

圖9 耐久振動(dòng)分析結(jié)果

根據(jù)圖9所示的耐久振動(dòng)分析結(jié)果，所有部件應(yīng)力值均滿足要求。

5 總結(jié)

綜上設(shè)計(jì)及分析，圖1所示的某款8×4載貨重卡的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合重卡的系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)要求，在CAE分析中也得到了驗(yàn)證，符合要求。更重要的是，此排氣系經(jīng)過了裝車試制驗(yàn)證及整車的可靠性驗(yàn)證，此8×4的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)比較優(yōu)秀的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例。

【1】李玉茂.手把手教您學(xué)汽車構(gòu)造與保養(yǎng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014:39.

【2】GB 7258-2012機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].

捷太格特(JTEKT)在同濟(jì)大學(xué)舉辦汽車技術(shù)演講、

產(chǎn)品展示，旨在培養(yǎng)制造業(yè)人才

捷太格特(JTEKT)在中國致力于人才培養(yǎng)等CSR活動(dòng)的開展，作為其中的一環(huán)，2016 年9月27日，捷太格特科技研發(fā)中心(無錫)有限公司(以下簡稱：JRDC)在同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)汽車學(xué)院，為在校大學(xué)生舉辦了一場小型的汽車技術(shù)演講及展示會(huì)。

演講展示會(huì)得到了汽車學(xué)院陳慧教授的理解以及大力支持。

演講會(huì)上，JRDC王建鎮(zhèn)課長以“針對ADAS與功能性安全提高的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器(EPS)產(chǎn)品開發(fā)暨EPS冗余化設(shè)計(jì)”為題，在簡述了捷太格特開發(fā)EPS的歷史、EPS優(yōu)點(diǎn)以及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，特別針對ADAS、自動(dòng)駕駛等未來汽車技術(shù)的EPS技術(shù)做了深入淺出的講解。捷太格特通過對EPS內(nèi)部數(shù)據(jù)、零件、系統(tǒng)的冗余化設(shè)計(jì)，確保了車輛在高速公路等路況的自動(dòng)駕駛模式下，即使EPS發(fā)生故障，也可以保證最低限度的轉(zhuǎn)向助力，實(shí)現(xiàn)了“永不停止的EPS”，從而提高了車輛的安全性能。其中部分產(chǎn)品的冗余化已經(jīng)得到量產(chǎn)。王課長的演講，得到了在場師生的廣泛關(guān)注，同學(xué)們踴躍提問，會(huì)場氛圍十分活躍。

此外，JRDC在會(huì)場周圍部分展示了捷太格特的代表商品，吸引了不少同學(xué)駐足參觀、咨詢。

會(huì)后，JRDC谷本副總經(jīng)理對記者說，“捷太格特不只是一個(gè)優(yōu)秀的跨國汽車零部件供應(yīng)商，開發(fā)最尖端的汽車技術(shù)、為客戶提供商品，同時(shí)我們也十分關(guān)注技術(shù)人才的培養(yǎng)。對21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的人才培養(yǎng)尤為重要。無論是從公司的長遠(yuǎn)發(fā)展，還是從強(qiáng)化中國制造業(yè)的角度出發(fā)，開展這種校企交流、可以擴(kuò)展同學(xué)們的眼界，同時(shí)也讓大家更好地了解了捷太格特，非常有意義。今后，這樣的活動(dòng)要每年開展下去”。

捷太格特(JTEKT)在華開展事業(yè)的同時(shí)，積極開展產(chǎn)學(xué)研交流。目前捷太格特與同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、江南大學(xué)、河南科技大學(xué)等定期開展交流和展示活動(dòng)。其中與同濟(jì)大學(xué)的交流活動(dòng)歷史最早，項(xiàng)目最多。

2004年，捷太格特(當(dāng)時(shí)為光洋精工株式會(huì)社)的谷口副社長訪問同濟(jì)大學(xué)。2010年，捷太格特在同濟(jì)大學(xué)設(shè)立“聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，展開汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化以及主動(dòng)安全技術(shù)方面的研究。此外，捷太格特作為鉑金級贊助商，從2011年開始連續(xù)6年贊助同濟(jì)大學(xué)“翼馳”車隊(duì)參與大學(xué)生方程車賽車項(xiàng)目。而與同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的定期互訪交流也逐漸成為定例項(xiàng)目。

此外，捷太格特還與其他高校定期開展各種交流。捷太格特中野 高級研究員在清華大學(xué)定期發(fā)表技術(shù)演講，捷太格特宮崎 專務(wù)董事就任江南大學(xué)校董，定期在江南大學(xué)舉辦演講以及產(chǎn)品展示活動(dòng)，捷太格特在位于河南科技大學(xué)西苑校區(qū)的“中國軸承陳列館”里，開設(shè)專門展臺(tái)以展示捷太格特的產(chǎn)品，并定期在河南科技大學(xué)舉辦演講以及產(chǎn)品展示活動(dòng)等。

JRDC作為2010年捷太格特在華設(shè)立的科技研發(fā)中心，對外開展技術(shù)交流的窗口，響應(yīng)捷太格特在華推進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研交流合作的精神，今后將持續(xù)擴(kuò)大對外交流活動(dòng)，特別是校企交流，為培養(yǎng)中國制造業(yè)人才貢獻(xiàn)綿薄之力。

(來源：捷太格特)

Design and Analysis of a 8×4 Heavy Truck Exhaust System

CI Longshang,CHEN Gang,ZHANG Hui

(Research & Development Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

Taking a three-dimensional model of some 8×4 truck heavy truck exhaust system as example, the match layout principles and design elements of the exhaust system parts were elaborated.The design principle and design elements of the exhaust system exhaust pipe, hanging system, SCR post-processing system exhaust pipes etc were introduced as well as research to the design process.Through modal analysis of the exhaust system and CAE analysis of vibration durability under given conditions,the integrality and scientificalness of the designed exhaust system were verified.

Heavy truck; Exhaust system; Matching design；Post processing SCR;The mode of CAE

2016-07-13

慈龍尚，男，工程碩士，高級工程師，現(xiàn)從事重型商用車進(jìn)、排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)及研究工作。E-mail：Longs813040624@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.007

U473.9

A

1674-1986(2016)10-032-05