陳曉梅 朱光貞 牛文博 孔祥瑞 張紫廣

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室）

1 前言

汽車排氣系統(tǒng)的振源主要有4個，即發(fā)動機(jī)的機(jī)械振動、發(fā)動機(jī)的氣流沖擊、聲波激勵和車身運動。發(fā)動機(jī)的振動傳遞給排氣系統(tǒng)，一方面通過吊掛傳遞給車身，車身的振動通過座椅、轉(zhuǎn)向盤和駕駛室地板直接傳遞給乘客，同時車身振動也會引起車內(nèi)噪聲；另一方面，發(fā)動機(jī)和車身的振動激勵會直接對排氣系統(tǒng)造成破壞性影響。因此，要求排氣系統(tǒng)的模態(tài)（尤其是彎曲模態(tài)）和車身的模態(tài)分開，以避免引起共振和造成車內(nèi)共鳴；并且排氣系統(tǒng)的固有頻率也不可設(shè)計在發(fā)動機(jī)的常用轉(zhuǎn)速激勵范圍內(nèi)，以免造成排氣系統(tǒng)疲勞性斷裂。排氣系統(tǒng)是否合理布置會影響整車NVH性能和排氣系統(tǒng)的使用壽命。

在排氣系統(tǒng)無法通過改變質(zhì)量和剛度來改變模態(tài)，而導(dǎo)致車內(nèi)振動噪聲增大或排氣系統(tǒng)由于共振導(dǎo)致破壞的情況下，在排氣系統(tǒng)上加裝動力減振器是有效的解決方法。

本文通過模態(tài)分析的方法對某轎車裝配與未裝配動力減振器的排氣系統(tǒng)進(jìn)行試驗對比與分析，研究減振器的設(shè)計參數(shù)與加裝減振器的位置，并為產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象的某輕型汽車排氣系統(tǒng)設(shè)計一種裝有沙粒的動力減振器。

2 動力減振器簡介

動力減振器[2]有兩種，分為無阻尼動力減振器和有阻尼動力減振器。

2.1 無阻尼動力減振器

無阻尼動力減振器可以簡化為單質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，與原結(jié)構(gòu)構(gòu)成兩自由度系統(tǒng)（圖1）。

圖 1中由物體 A（質(zhì)量為 MA）和彈簧 C（彈簧剛度為K1）組成的系統(tǒng)稱為主系統(tǒng)，由物體B（質(zhì)量為MB）和彈簧D（彈簧剛度為K2）組成的附加系統(tǒng)稱為減振器。該減振器使原來的單自由度系統(tǒng)變成2自由度系統(tǒng)，因而該系統(tǒng)有2個固有頻率，當(dāng)激振頻率與其中任一頻率相等時，系統(tǒng)就會發(fā)生共振。如果激振頻率可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)改變時，動力減振器只是使原來1個共振頻率的振動系統(tǒng)改變?yōu)?個共振頻率的振動系統(tǒng)，不能起到減振作用。所以，該動力減振器只是用于激振頻率固定的情況，當(dāng)減振器的固有頻率等于激振頻率時，減振器彈簧力 K2×X2=-F1sinωt，即其平衡了主質(zhì)量上的作用力F1sinωt，使主系統(tǒng)的振動轉(zhuǎn)移到減振器上來，消除了主質(zhì)量的振動，使主系統(tǒng)保持不動。需要注意的是控制附加減振器后的2個自由度系統(tǒng)的固有頻率相距越遠(yuǎn)越好。

無阻尼動力減振器是為在某個給定的頻率消除主系統(tǒng)的振動而設(shè)計的，適用于激振頻率不變或稍有變動的工作設(shè)備。

2.2 有阻尼動力減振器

當(dāng)系統(tǒng)的激振頻率在較寬范圍內(nèi)變動時，要消除其振動，需要有阻尼動力減振器。圖2所示的系統(tǒng)中，物體 E（質(zhì)量為 ME）和彈簧 H（彈簧剛度為 K3）組成主系統(tǒng)；物體 F（質(zhì)量為 MF）、彈簧 I（彈簧剛度為 K4）和粘性阻尼器G（阻尼為C）組成的系統(tǒng)稱為有阻尼動力減振器，其作用是使主系統(tǒng)在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)的振動減小到要求程度。圖3是典型的帶有有阻尼減振器主系統(tǒng)振幅頻響函數(shù)曲線。

圖 3 中質(zhì)量比 μ=MF/ME； 頻率比 α=ω2/ω1=1（ω1為主系統(tǒng)的固有頻率，ω2為動力減振器的固有頻率）； 動力減振器阻尼比 ξ=C/(2×MF×ω2)；x1為 ME的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅；Xst=F1/K3，為主系統(tǒng)靜變形。

a.當(dāng)ξ=0時，相當(dāng)于無阻尼強(qiáng)迫振動，曲線有兩個共振頻率，即為無阻尼動力減振器系統(tǒng)。

b.當(dāng)ξ=∞時，相當(dāng)于兩個物體剛性連接為一整體，系統(tǒng)成為以該整體和彈簧構(gòu)成的單自由度系統(tǒng)。

c. 要使M2系統(tǒng)成為有阻尼減振器系統(tǒng)，則阻尼比要介于ξ=0和ξ=∞之間，阻尼使共振附近的振幅顯著減小，但在激勵頻率 ω〈〈ω1或 ω〉〉ω2的范圍內(nèi)阻尼的影響很小，因此對于ξ值的選擇很重要。

d.圖中S點、T點位置與減振器的位置、M1、M2、ω1、ω2有關(guān)，而與減振器阻尼 C的大小無關(guān)。 在設(shè)計有阻尼動力減振器時，合理選擇最佳阻尼比ξ和最佳頻率比α，以使x1/Xst在S點、T點所對應(yīng)的振幅以下，從而使減振器能夠在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)減小主系統(tǒng)的振動。

3 動力減振器參數(shù)及位置的確定

結(jié)構(gòu)件的模態(tài)特性可以通過模態(tài)試驗或模態(tài)計算得到，通過對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)試驗，可以得到需要減振件的主要階次頻率值和阻尼比，而頻率值也可以通過模態(tài)計算求得。

結(jié)構(gòu)件等效為單自由度系統(tǒng)時的等效質(zhì)量可以通過如下公式求得[4]:

式中，mk為模態(tài)質(zhì)量；Vik為該模態(tài)的位移幅值；Vi為歸一化的模態(tài)位移系數(shù)；ωd為有阻尼時的模態(tài)頻率；j2=-1。

從公式（1）可以看出，結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量和動力減振器的安裝位置有關(guān)，動力減振器的位置不同，則Vik、Vi都不同；動力減振器一般安裝在結(jié)構(gòu)件的反節(jié)點上，安裝位置離反節(jié)點越遠(yuǎn)，主系統(tǒng)的等效質(zhì)量越大。結(jié)構(gòu)件等效為單自由度系統(tǒng)時，結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量可看作主系統(tǒng)的質(zhì)量ME，即meq≈ME。

結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量也可以通過另一種方法得到，即在結(jié)構(gòu)件安裝動力減振器處附加一質(zhì)量madd，結(jié)構(gòu)件的模態(tài)頻率將從fn1變?yōu)閒n2，因此可以通過如下方程求得等效質(zhì)量meq:

已知結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量、頻率、阻尼比，可以合理選擇質(zhì)量比μ、頻率比α、阻尼比ξ，并能計算出彈簧剛度k。

4 帶有動力減振器的排氣系統(tǒng)試驗

4.1 試驗樣件簡介

試驗件為一套轎車V型6缸發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)，屬于雙入口單出口型；與該排氣系統(tǒng)相配的發(fā)動機(jī)在整車上縱向布置，發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動方向與排氣系統(tǒng)平行，因此易引起排氣系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動，而不易引起彎曲振動。一般情況下，彎曲振動通過吊掛傳到車身上的力要比扭轉(zhuǎn)振動傳遞的力大。減振器示意圖如圖4所示。

從圖4可以看出，該排氣系統(tǒng)減振器是一個2自由度系統(tǒng)，金屬1的質(zhì)量為m1，橡膠的剛度為k1，阻尼為C1；金屬1和橡膠的質(zhì)量為m2,金屬2的剛度為k2。

帶減振器的排氣系統(tǒng)上有兩個消聲器，前消聲器的后端面上焊有第1個吊掛鉤，距第1個吊掛約12 cm為第2個吊掛點；后部的消聲器前、后兩端面各有1個吊掛點。排氣系統(tǒng)上的減振器布置在兩消聲器之間。

4.2 試驗儀器設(shè)備

試驗中使用的儀器設(shè)備如表1所列。

表1 儀器設(shè)備

4.3 減振器固有頻率測量

減振器為彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)，因此需對其進(jìn)行固有頻率測量。具體做法是將包含減振器的排氣管兩段卡住，在減振器上布置加速度傳感器并采用錘擊法測量固有頻率。圖5為頻響曲線圖。

該減振器兩固有頻率為26.2 Hz、77.9 Hz，兩頻段 α=ω減振器/ω排氣系統(tǒng)（無減振器）≈0.93、1.16；排氣系統(tǒng)與減振器的μ=M2/M1≈0.043，其中M2為減振器質(zhì)量，M1為無減振器的排氣系統(tǒng)質(zhì)量，即該排氣系統(tǒng)的等效質(zhì)量。

4.4 排氣系統(tǒng)模態(tài)測量

將整個排氣系統(tǒng)按照實車情況安裝在試驗臺架上，其中排氣系統(tǒng)兩入口按一定角度固定在鐵方箱上。與實車最大的不同是，實車上發(fā)動機(jī)通過懸置連接在車身上，而鐵方箱放在鐵地板上沒有懸置系統(tǒng)。

在排氣系統(tǒng)上選擇36個拾振點，采用力錘激勵，激勵點選在排氣尾管最末端，激勵方向與xoy、xoz、yoz3個平面均成 45°；測點幾何模型如圖6所示，測量頻率范圍為 0～200 Hz。圖 7是帶減振器排氣系統(tǒng)在頻率為65.1 Hz時的振型。試驗分兩種情況進(jìn)行，一種是裝配減振器后進(jìn)行模態(tài)測量，另一種是未裝配減振器直接進(jìn)行模態(tài)測量。

4.5 數(shù)據(jù)處理

分析頻率為 0～200 Hz，數(shù)據(jù)處理利用 LMS Test_Lab中PolyMAX（最小二乘復(fù)頻域法）分析方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的識別。

4.6 試驗結(jié)果分析

圖8為模態(tài)測量獲得的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線對比分析圖。從圖8可以看出，減振器主要起作用頻帶范圍為 20～100 Hz，具體體現(xiàn)在 20～30 Hz、50～80 Hz之間的峰值、幅值都有顯著降低和頻率前移。

在62～70 Hz的頻率范圍內(nèi)，配備減振器的頻率為65.1 Hz，未配備減振器的頻率是67.1 Hz,由圖7可知頻率為65.1Hz時的振型為排氣系統(tǒng)前部（入口處）扭轉(zhuǎn)+中后部垂直2階彎曲，4吊掛中前兩個吊掛在振型節(jié)點附近，后兩個吊掛不在振型節(jié)點位置。一般垂直彎曲振動通過吊掛傳到車身上的力最大，同時吊掛上的力也會以結(jié)構(gòu)噪聲的方式傳遞到車身內(nèi)。結(jié)合圖7振型分析可知，該減振器主要作用之一即降低了該排氣系統(tǒng)67.1 Hz共振的振幅，以降低或消除在該頻率下排氣系統(tǒng)共振對車身內(nèi)部NVH性能的影響。頻率67.1 Hz對應(yīng)的V6發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1342 r/min；轎車的車內(nèi)空腔低頻共鳴頻率一般為40～80 Hz（這是由轎車車內(nèi)空腔結(jié)構(gòu)特點決定的），該動力減振器的具體作用是避免低頻振動噪聲傳向車內(nèi)并造成空腔低頻共鳴，從而提高整車舒適性。

在20～30 Hz的頻率范圍內(nèi)，排氣系統(tǒng)未配備減振器時存在兩個共振頻率，即26.4 Hz（垂直2階彎曲）和28.1 Hz（水平2階彎曲）；加裝動力減振器后，峰值頻率為24.0 Hz、26.1 Hz和27.2 Hz，并且振幅下降較大。一般情況下，20～30 Hz的頻率范圍是車身1階彎曲、1階扭轉(zhuǎn)固有頻率所在范圍，與車身相連的排氣系統(tǒng)的模態(tài)頻率要與車身模態(tài)分離，該減振器在這一頻段的作用為降低排氣系統(tǒng)共振的振幅，減小向車身傳遞的振動并避開車身的1階彎曲、1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

5 動力減振器應(yīng)用

以新開發(fā)試制的某輕型汽車為試驗車，在平直的路面上行駛時排氣系統(tǒng)沒有出現(xiàn)問題；在山路進(jìn)行可靠性試驗時，排氣系統(tǒng)中部斷裂。對該試驗車排氣系統(tǒng)做模態(tài)分析，綜合頻響曲線如圖9所示。經(jīng)分析,排氣系統(tǒng)最有可能的破壞頻率為38Hz，該模態(tài)頻率振型如圖10所示，其振型為垂直1階彎曲（并伴有水平1階彎曲）。

由圖10可知，該排氣系統(tǒng)固有頻率為38 Hz時反節(jié)點位置在消聲器輸入端，在行駛過程中該處最高溫度可達(dá)300°以上。如采用有阻尼動力減振器，且使用傳統(tǒng)的橡膠作為阻尼材料，則在高熱環(huán)境下排氣系統(tǒng)中部會很快老化失效，因此借鑒國外經(jīng)驗而采用加裝沙粒作為阻尼材料。首先按照無阻尼減振器設(shè)計動力減振器，根據(jù)上述試驗測得結(jié)果取質(zhì)量比μ=0.043、頻率比α=1.2，則可計算出減振器的質(zhì)量、剛度、頻率，同時將減振器設(shè)計成空腔，以便在其中加入顆粒狀物體[5]。

圖11和圖12分別是在車上消聲器輸入端和排氣尾管處時原車排氣系統(tǒng)、減振器加沙子和不加沙子時頻響試驗比較結(jié)果。從圖11和圖12可以看出，減振器在消聲器輸入端和在車上排氣尾管處都能使排氣系統(tǒng)38 Hz共振頻率變成兩振幅較小的共振頻率，且加沙子后振幅均下降較大。圖13是原車與加沙子減振器放在消聲器輸入端和尾管頻響函數(shù)比較，可以看出減振器在消聲器輸入端比在尾管處獲得的兩共振頻率間隔較大、振幅降低較多。

通過上述一系列試驗，最終選擇動力減振器安裝在消聲器輸入端。經(jīng)試驗車驗證，加裝沙子的動力減振器解決了山路行駛排氣系統(tǒng)斷裂問題。

6 結(jié)束語

在汽車排氣系統(tǒng)上加裝動力減振器可以解決其振動問題。介紹了動力減振器的減振原理，并通過理論研究和模態(tài)試驗獲得動力減振器質(zhì)量比、頻率比、阻尼比以及剛度等參數(shù)確定方法。

排氣系統(tǒng)前中部溫度較高，傳統(tǒng)的橡膠等不適合做動力減振器的阻尼材料，可以以小顆粒的普通沙子做阻尼材料來設(shè)計排氣系統(tǒng)的動力減振器。針對一臺排氣系統(tǒng)高溫部位產(chǎn)生斷裂的試驗車設(shè)計出以普通沙子為阻尼材料的動力減振器，解決了該車排氣系統(tǒng)共振斷裂問題。

1 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006，236～284.

2 張義民.機(jī)械振動力學(xué).長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000，83～86.

3 馬大酞.噪聲與振動控制土程手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002，73～105.

4 lms vitural.lab help,31_FAQ_tunedabsorber,LMS International nv.

5 Allan C A,Edward R G,Gregory Z.A Comparison of the Effectiveness ofElastomeric Tuned Mass Dampersand Particle Dampers.SAE TECHNICALPAPER SERIES,2003-01-1419.