俱偉濤 崔士樂 肖鵬

摘要：近年來，汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，連續(xù)多年位居世界產(chǎn)銷量第一。且其保有量呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，而人們對汽車的要求不僅是代步、出行，更加重視的是汽車的品質(zhì)以及駕駛舒適度。汽車的排氣系統(tǒng)就是對汽車品質(zhì)的重要衡量指標(biāo)，良好的排氣性能，會減緩震動和噪聲，讓駕駛員有更舒適的駕駛體驗(yàn)，因此，提升汽車排氣性能已經(jīng)成為了各大汽車廠商角逐市場份額的重要競爭力之一?；诖?，本文針對汽車排氣系統(tǒng)振動進(jìn)行力分析，并提出了優(yōu)化策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽車;排氣系統(tǒng);振動;優(yōu)化

引言

排氣系統(tǒng)的主要作用為排出發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢氣，降低污染物（一氧化碳等）含量，而且排氣順暢時，還可以降低發(fā)動機(jī)的振動以及噪聲，提高駕駛舒適度。排氣系統(tǒng)的一端通過預(yù)催與發(fā)動機(jī)相連，另一端則通過橡膠吊塊與車身相連，排氣系統(tǒng)的振動傳遞如圖1所示，大體的過程為：動力總成的振動傳遞給排氣系統(tǒng)，再通過排氣吊鉤及橡膠吊塊傳遞給車身。之后，車身的振動再通過車身地板、轉(zhuǎn)向方向盤、座椅等直接傳給車內(nèi)的乘客。

1排氣系統(tǒng)的主要振動源

汽車排氣系統(tǒng)的振動源主要包括四個：第一，發(fā)動機(jī)的機(jī)械振動排氣系統(tǒng)直接與發(fā)動機(jī)相連，因此發(fā)動機(jī)的振動也就直接傳遞給排氣系統(tǒng)。第二，發(fā)動機(jī)的氣流沖擊。高速氣流經(jīng)過氣缸排出，直接沖擊排氣支管，從而引起排氣系統(tǒng)振動。特別是對于轉(zhuǎn)彎較急的部分，當(dāng)氣流進(jìn)入到排氣系統(tǒng)后，氣流在管道內(nèi)產(chǎn)生紊流，從而引起排氣管道的振動。第三，聲波激勵。聲波在管道中運(yùn)動時，會對管道銹鋼消聲器等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，引起振動。排氣系統(tǒng)式通過掛鉤與車體相連，因此這些振動會通過掛鉤傳遞到車體。第四，車體的振動。這個振動傳遞方向與前三種相反，車身振動也會通過掛鉤傳遞到排氣系統(tǒng)，然后逆向傳遞到發(fā)動機(jī)，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動。

2排氣系統(tǒng)的振動分析

汽車排氣系統(tǒng)振動可以從三個當(dāng)面進(jìn)行分析：第一，模態(tài)分析：第一階彎曲模態(tài)、第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、模態(tài)密度、熱端模態(tài)。第二，動力響應(yīng)分析：吊鉤的力、橡膠吊塊剛度、波紋管剛度。第三，傳遞通道的靈敏度分析，這與車身息息相關(guān)。

振動噪聲的控制方法有以下幾點(diǎn)：第一，從聲源處切斷噪聲，比如改進(jìn)發(fā)動機(jī)的平衡，減弱相對運(yùn)動件之間的摩擦。第二，切斷噪聲傳遞路徑，具體方法為加入質(zhì)量阻尼減振器共振腔消聲器等。此方法可以改善振動特性，控制排氣系統(tǒng)吊鉤的布置位置，避免發(fā)生共振。

設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)管路時，排氣系統(tǒng)通常會設(shè)計(jì)成一根直管，避免出現(xiàn)過多的彎管，同時，會產(chǎn)生少的振動模態(tài)，排氣管中的氣流也較容易控制，流動通暢，功率損失小，背壓小，而且其重量輕，成本低，值得應(yīng)用。而如果將排氣系統(tǒng)布置出太多彎曲，其振動模態(tài)多，不好控制，背壓很高，系統(tǒng)的功率損失大，結(jié)構(gòu)重量大，成本高。影響排氣系統(tǒng)模態(tài)的主要因素有：排氣系統(tǒng)中管路的走向、波紋管的剛度、吊鉤的數(shù)量和位置以及橡膠吊塊的剛度等。

排氣系統(tǒng)如果在高風(fēng)險頻段內(nèi)出現(xiàn)垂向或橫向彎曲振型，為降低車內(nèi)噪聲，可以從噪聲源頭和傳播路徑兩方面控制：第一，從聲源處控制噪聲：控制波紋管的動剛度，避免發(fā)動機(jī)傳給排氣的振動。第二，更改排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改變排氣系統(tǒng)模態(tài)。第三，控制橡膠吊塊的動剛度，提高隔振量，使吊鉤位置處于振動的節(jié)點(diǎn)位置，隔斷排氣傳給車身的振動。第四，控制車身傳遞函數(shù)NTF，從傳遞路徑上阻止噪聲的傳播。

3排氣系統(tǒng)振動性能優(yōu)化

在汽車結(jié)構(gòu)中，排氣系統(tǒng)的進(jìn)氣端與發(fā)動機(jī)相連，排氣系統(tǒng)后段主要是借助排氣系統(tǒng)上的掛鉤和橡膠吊耳與車身上的掛鉤相連接，下文將從排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，分析振動優(yōu)化措施。

3.1吊鉤位置評估

吊鉤力就是動力系統(tǒng)的振動通過排氣系統(tǒng)傳遞到排氣吊鉤固定點(diǎn)的動態(tài)力。單個掛鉤和吊耳承重過大，很容易引起嚴(yán)重的局部變形、斷裂，最終影響排氣系統(tǒng)的壽命，或者吊鉤力過小，不能充分發(fā)揮吊鉤的承載作用。所以，合理的懸掛位置，能保證掛鉤均勻受力，避免排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受損。而從振動傳遞角度分析，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)傳遞到車身的振動達(dá)到最小值，還可以降低路面激勵，通過吊耳傳遞到系統(tǒng)引起的沖擊，提高排氣系統(tǒng)疲勞耐久性。

吊鉤布置需要考慮的設(shè)計(jì)原則：①車身側(cè)安裝位置需要有足夠的剛度，一般布置在縱梁、橫梁或支架加強(qiáng)處;②車身側(cè)相應(yīng)吊鉤位置，應(yīng)布置在聲學(xué)靈敏度較低的位置;③吊鉤布置應(yīng)保證各個吊鉤受力均勻;④因結(jié)構(gòu)受限，應(yīng)盡量靠近模態(tài)節(jié)點(diǎn)。

3.2敏感參數(shù)的調(diào)整

通過自由模態(tài)分析，可觀察出振動節(jié)點(diǎn)的位置。結(jié)合固有頻率和模態(tài)振型特點(diǎn)，可對懸掛位置做如下改動：

（1）排氣管前端的懸置點(diǎn)向后移動200mm，取消第2個懸掛點(diǎn);

（2）保留副消聲器前端懸置點(diǎn)、彎管附近懸置點(diǎn)及主消聲器左端懸掛點(diǎn)，使各懸掛點(diǎn)盡量處于振動節(jié)點(diǎn)位置，提高整車的NVH性能。

在確定懸掛點(diǎn)時還應(yīng)考慮到一些實(shí)際問題，如底盤和車身的空間及其他結(jié)構(gòu)的布置情況。如果波紋管的位置和懸掛的剛度對汽車頻率影響比較明顯，可將第二波紋管沿管道后移300mm左右，懸掛剛度可從2.5N/mm調(diào)整至7N/mm，從13N/mm調(diào)整至21N/mm。

3.3柔性節(jié)的剛度優(yōu)化

排氣隔絕發(fā)動關(guān)鍵零件部位是柔性節(jié)，其會影響整個排氣系統(tǒng)約束狀態(tài)下的固有頻率，而剛度值是影響柔性節(jié)隔振效果的主要參數(shù)。所以，在排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，一定要盡最大可能讓系統(tǒng)約束模態(tài)的固有頻率與發(fā)動機(jī)常用工況轉(zhuǎn)速下的頻率不相一致，這樣可以在很大程度上解決由于發(fā)動機(jī)激勵而造成的排氣系統(tǒng)共振的問題。通常，在這個過程中，我們要選擇0.5倍現(xiàn)有剛度值的柔性節(jié)，可以最大程度地減少共振。

結(jié)束語

綜上所述，排氣系統(tǒng)整體約束模態(tài)不滿足要求、排氣系統(tǒng)吊鉤位置設(shè)計(jì)不合理，都會引起車內(nèi)噪聲，影響駕駛舒適度。所以，要充分對汽車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的振動性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避開發(fā)動機(jī)激勵頻率，避免排氣系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)的共振，最終提升整個排氣系統(tǒng)的性能。

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