何竹革，胡光輝（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，合肥230601）

汽車(chē)排氣波紋管耐久性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

何竹革，胡光輝
（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，合肥230601）

以某款乘用車(chē)排氣波紋管為例，通過(guò)對(duì)影響波紋管壽命的波形參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合整車(chē)實(shí)際布置情況，提出一種波紋管優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升波紋管的壽命；再通過(guò)路譜采集擬合出波紋管的運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行損傷計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證此優(yōu)化方案的實(shí)際效果。

排氣波紋管；波形參數(shù)；路譜采集；臺(tái)架試驗(yàn)

1　問(wèn)題來(lái)源

在汽車(chē)排氣系統(tǒng)中，金屬波紋管作為發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)之間柔性連接的減振元件，其良好的彈性補(bǔ)償作用可以有效減小排氣系統(tǒng)受到的來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身和地面等引起或傳遞的振動(dòng)和沖擊，有效地降低由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)而引起的排氣系統(tǒng)乃至整車(chē)的振動(dòng)和噪聲［1-4］。

排氣波紋管通常由奧氏體不銹鋼加工而成，而波紋管單層壁厚通常只有0.2mm左右，汽車(chē)的使用環(huán)境復(fù)雜。因此，對(duì)其耐久性的研究和優(yōu)化有著非常重要的意義［5］。排氣波紋管的耐久性研究主要考慮其剛度、強(qiáng)度、疲勞失效［6］等方面。

某轎車(chē)在進(jìn)行整車(chē)道路可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，在總里程25 490 km（強(qiáng)化路7 934 km）時(shí)，排氣波紋管出現(xiàn)斷裂。對(duì)故障件進(jìn)行查看，并無(wú)明顯外傷痕跡。依據(jù)故障發(fā)生里程，初步判斷斷裂的主要原因是波紋管疲勞失效。

解決波紋管斷裂問(wèn)題，通常采用改變波紋管布置位置，減小發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)下的波紋管彎曲位移或提升波紋管自身耐久性?xún)煞N方案。鑒于此項(xiàng)目已到路試驗(yàn)證階段，更改布置難度較大，改進(jìn)方案初步確認(rèn)為提升波紋管自身耐久性。

本文依據(jù)著名的美國(guó)膨脹節(jié)協(xié)會(huì)（EJMA）和我國(guó)的國(guó)標(biāo)［7-9］提供的波紋管剛度及壽命計(jì)算公式，在波紋管其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的條件下，增加波數(shù)（n），能降低波紋管剛度，提升波紋管的補(bǔ)償性能，提高波紋管疲勞壽命；通過(guò)對(duì)波紋管靜剛度測(cè)試、疲勞壽命計(jì)算及臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證改進(jìn)可行性。

2　改進(jìn)前后波紋管耐久性分析

現(xiàn)狀態(tài)排氣波紋管波數(shù)（n）23個(gè)，改進(jìn)方案為波數(shù)（n）增加到25個(gè)。

2.1波紋管靜剛度測(cè)試

改進(jìn)前后波紋管進(jìn)行靜態(tài)剛度測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　改進(jìn)前后波紋管靜態(tài)剛度測(cè)試數(shù)據(jù)

由測(cè)試結(jié)果可知，改進(jìn)后波紋管剛度減小，波紋管位移補(bǔ)償性能提升，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

2.2波紋管疲勞壽命分析

2.2.1路譜采集試驗(yàn)及結(jié)果

本試驗(yàn)用拉線(xiàn)式傳感器安裝到指定位置，利用傳感器自帶的連接線(xiàn)與INV3018C采集儀相連接，采集設(shè)備利用USB線(xiàn)與筆記本電腦相連接，形成DASPV10工程版平臺(tái)軟件+INV3018C高精度24位采集設(shè)備+YK 13013-FSM0201位移傳感器的測(cè)試分析系統(tǒng)。

試驗(yàn)場(chǎng)地為安徽定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)，路譜采集的路況分別為強(qiáng)化路、山路、高速環(huán)路三種。

波紋管在各種路況6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)情況通過(guò)位移傳感器記錄傳遞到電腦上，生成位移時(shí)間曲線(xiàn)。其中強(qiáng)化路采集數(shù)據(jù)如圖1所示。

2.2.2路譜采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及波紋管損傷計(jì)算

對(duì)采集的一般公路6條信號(hào)進(jìn)行分析，用DASPV10測(cè)試分析平臺(tái)軟件進(jìn)行運(yùn)算，得出三條信號(hào)曲線(xiàn)（xyz相對(duì)運(yùn)動(dòng)），進(jìn)行二次積分把這三條信號(hào)轉(zhuǎn)化成位移信號(hào)，用時(shí)域指標(biāo)統(tǒng)計(jì)得到三條位移信號(hào)的最大值、最小值、平均值等數(shù)據(jù)。如圖2所示。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)各種路況最大扭轉(zhuǎn)角度和最大位移量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2所示。

用雨流法計(jì)數(shù)，對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行分析得出位移和次數(shù)的柱圖，再進(jìn)行實(shí)際統(tǒng)計(jì)損傷度分析，得出xyz方向的波紋管的實(shí)際損傷。通過(guò)計(jì)算，得出改進(jìn)前后波紋管在試驗(yàn)場(chǎng)30 000 km可靠性試驗(yàn)過(guò)程中的總損傷，如表3所示。

表2　改進(jìn)前后路譜采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3　雨流法計(jì)算改進(jìn)前后波紋管損傷結(jié)果

本文規(guī)定：總損傷，整車(chē)在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定30 000 km可靠性里程對(duì)波紋管造成的損傷，如損傷為100%，意為波紋管已失效。

2.3波紋管單軸臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：測(cè)試件兩端焊接上法蘭，法蘭用螺栓連接在耐久試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)試件水平放置，一端固定，一端左右振動(dòng)。振動(dòng)振幅為±18mm，振動(dòng)頻率為8Hz，進(jìn)行循環(huán)振動(dòng)，測(cè)試其振動(dòng)循環(huán)數(shù)。

改進(jìn)前后各隨機(jī)抽取三個(gè)樣件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　改進(jìn)前后波紋管臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

從以上改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看：

1）相同可靠性試驗(yàn)里程，依據(jù)采集路譜計(jì)算的波紋管損傷值改進(jìn)前是改進(jìn)后的15.5倍。

2）臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)后波紋管壽命也是改進(jìn)前的16倍。

兩者結(jié)果基本一致，在其他條件不變情況下，增加波紋管波數(shù)，能降低波紋管剛度；增加波紋管位移補(bǔ)償性能，有效提升波紋管使用壽命。

該乘用車(chē)最終采用此改進(jìn)方案，并成功解決了波紋管斷裂問(wèn)題。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種提升波紋管耐久性的優(yōu)化方案，通過(guò)分析計(jì)算某乘用車(chē)實(shí)際路譜數(shù)據(jù)，以臺(tái)架試驗(yàn)為依托，驗(yàn)證其優(yōu)化方案的有效性，最終解決某乘用車(chē)波紋管斷裂問(wèn)題。

［1］曹偉良.汽車(chē)撓性節(jié)的波紋管：中國(guó)，CN201475532U［P］.2010-05-19.

［2］車(chē)艷亮.金屬波紋管虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

［3］王立芳.金屬波紋管虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

［4］張維達(dá).汽車(chē)排氣波紋管有限元分析［C］.SAE中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2011.

［5］李永生，李建國(guó).波形膨脹節(jié)實(shí)用技術(shù)、制造與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.9.

［6］田坤.基于CAE的U型波紋管疲勞壽命研究［D］.合肥：中國(guó)科技大學(xué)，2010.

［7］Standardsof the Expansion JointManufacturers Association（EJMA）［S］.EJMA，INC，Seven Edition，New York，2008.

［8］JB/T 6169-2006，金屬波紋管［S］.北京：交通人民出版社，2006.

［9］GB/T 12777-2008，金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

修改稿日期：2015-05-07

Optim ization Design on Exhaust BellowsDurability for Vehicles

He Zhuge，Hu Guanghui
（Anhui JianghuaiAutomobile Co.，Ltd，Hefei230601，China）

Taking a passenger car exhaust bellows for example，the authorsanalyze thewaveform parameters that affectthebellows life，combinewith itsactualarrangement in thevehicle，presentabellowsdesign optimization programs toenhance thebellows life.Then they collect the road spectra to fitoutthe bellows'movement trajectories，and carry outthedamage calculation and bench test toverify theactualeffectof thisoptimization program.

exhaustbellows；waveform parameters；road spectrum collecting；bench test

U464

B

1006-3331（2015）04-0024-03

何竹革（1990-），男，汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)工程師。