文新海+邱星

【摘 要】排氣系統(tǒng)通過(guò)法蘭和吊耳與分別與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管及車身底板相連接，橡膠懸掛位置的合理布置能有效控制排氣系統(tǒng)振動(dòng)能量傳遞至車身，利用平均驅(qū)動(dòng)自由度位移（ADDOFD）方法，初步確定吊點(diǎn)的位置，并結(jié)合排氣系統(tǒng)及車身底板實(shí)際布置情況，進(jìn)行了排氣系統(tǒng)吊點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)。模擬發(fā)動(dòng)機(jī)施加振動(dòng)扭矩求解吊點(diǎn)傳遞力，結(jié)果表明，通過(guò)ADDOFD方法布置的懸掛位置是合理的，能滿足系統(tǒng)受力要求。

【關(guān)鍵詞】排氣系統(tǒng)；懸掛位置；動(dòng)態(tài)力分析

0 引言

汽車排氣系統(tǒng)一般通過(guò)法蘭和吊耳分別與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管及車身底板相連接。在汽車行駛中，排氣系統(tǒng)由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和排氣激勵(lì)的影響會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，而振動(dòng)能量通過(guò)橡膠吊耳和掛鉤傳遞給車身底板，引起車身振動(dòng)并產(chǎn)生車內(nèi)噪聲[1]。因此如何降低排氣系統(tǒng)傳遞給車身底板的振動(dòng)能量，減少車身的振動(dòng)及噪聲水平，是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

通過(guò)數(shù)值模型和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析來(lái)優(yōu)化排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及選定排氣系統(tǒng)掛鉤吊耳的最佳懸掛位置是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的有效方法。

1 模態(tài)分析及自由位移法理論

1.1 模態(tài)分析理論

ADDOFD（j）可用來(lái)預(yù)測(cè)自由度在一般激勵(lì)情況下的位移響應(yīng)的相對(duì)大小。在模態(tài)試驗(yàn)中的最佳懸掛位置由ADDOFD值的最小自由度給出，以此對(duì)排氣系統(tǒng)吊耳的懸掛點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化選擇。

2 有限元模型搭建

進(jìn)行排氣系統(tǒng)有限元建模時(shí)，由于排氣系統(tǒng)各單元基本為較薄的結(jié)構(gòu)，故模擬時(shí)采用殼單元來(lái)劃分網(wǎng)格。鑒于橡膠吊耳以及波紋管結(jié)構(gòu)材料特性的復(fù)雜性，需要在建模過(guò)程中對(duì)這些部件進(jìn)行一定簡(jiǎn)化處理[4]。綜合考慮作如下簡(jiǎn)化：

1）波紋管主要起到位移補(bǔ)償和減振的作用，分析中一般采用零長(zhǎng)度的彈簧單元（Cbush）代替波紋管，在局部坐標(biāo)系中賦予測(cè)試剛度值。

2）橡膠懸掛主要起到利用其阻尼來(lái)減小振動(dòng)的作用，一般把橡膠懸掛看作是線性彈簧。并考慮橡膠的阻尼作用，用零長(zhǎng)度的彈簧單元（Cbush）來(lái)模擬橡膠吊耳，其剛度設(shè)定為采用測(cè)試值；

3）法蘭間的橡膠密封墊忽略，螺栓連接采用RBE2+Beam單元的方式模擬，用Cweld單元模擬焊縫連接法蘭與排氣管的殼網(wǎng)格。

4）原則是振動(dòng)能量通過(guò)橡膠吊耳和掛鉤傳遞給車身底板最小，假定整車地板為剛體。

5）由于三元催化器的剛度較大，而且三元催化結(jié)構(gòu)對(duì)稱，其質(zhì)心就是其幾何中心，因此三元催化器可以簡(jiǎn)化為通過(guò)RBE3單元連接在其質(zhì)心施加CONM2集中質(zhì)量單元。

6）網(wǎng)格劃分時(shí)主要采用板殼單元，單元大小根據(jù)數(shù)模尺寸而定，一般采用4-6mm長(zhǎng)度。網(wǎng)格劃分完成后，需檢查網(wǎng)格質(zhì)量和單元合并情況，網(wǎng)格各項(xiàng)指標(biāo)需達(dá)到通用要求。

3 排氣系統(tǒng)吊鉤位置的確定

沿排氣管軸向，從連接排氣歧管的熱端排氣管到冷端將掛鉤潛在位置依次選點(diǎn)，點(diǎn)間距約為60mm，所選點(diǎn)數(shù)約55個(gè)。計(jì)算0～200Hz內(nèi)的所有自由模態(tài)，并將振型中這些位置的位移值輸出，用后處理程序提取該值并加權(quán)累加[5]。根據(jù)式（7）得出ADDOFD值（如圖1）。圖1上部分中橫坐標(biāo)代表潛在吊點(diǎn)的編號(hào)，縱坐標(biāo)代表吊點(diǎn)的位移矢量的加權(quán)值。根據(jù)平均驅(qū)動(dòng)自由度位移理論，取加權(quán)振型指示位移較小者作為潛在布置位置。圖1下部分所示即是根據(jù)ADDOFD結(jié)果初步選取的懸掛點(diǎn)位置。同時(shí)需要結(jié)合車身地板、排氣系統(tǒng)管路的布置以及底盤安裝懸掛點(diǎn)的空間位置是否適合，適當(dāng)調(diào)整初始選定的吊點(diǎn)位置。

4 分析驗(yàn)證吊點(diǎn)布置的合理性

排氣系統(tǒng)所受激勵(lì)主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)抖動(dòng)、排氣氣流的高頻激勵(lì)和路面不平整度等因素。排氣系統(tǒng)的吊鉤通過(guò)橡膠吊耳與車身底板相連，橡膠吊耳的軟硬特性保證了排氣系統(tǒng)的主要振動(dòng)頻率的隔振效果。由于排氣系統(tǒng)為大跨度結(jié)構(gòu)且通過(guò)波紋管的隔振，其對(duì)高頻的敏感沿長(zhǎng)度方向上較小，因此主要考慮低頻段對(duì)排氣系統(tǒng)及車身地板的影響。排氣系統(tǒng)吊鉤動(dòng)態(tài)力分析的有限元模型邊界定義如下：其一是動(dòng)力總成懸置，它的一端與動(dòng)力總成相連，另一端固定在車身或車架；其二是吊鉤的約束邊界，吊鉤一端與排氣系統(tǒng)相連，另一端固定在車身或車架。在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心施加沿排氣系統(tǒng)長(zhǎng)度（X方向）的動(dòng)態(tài)扭矩，分析通過(guò)掛鉤，排氣系統(tǒng)振動(dòng)傳遞到車身上的動(dòng)態(tài)支反力[6]。圖2響應(yīng)曲線顯示了20～150Hz范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，在30Hz左右出現(xiàn)最大峰值，最大值出現(xiàn)在尾管吊鉤，傳遞力為9.8N，小于目標(biāo)值10N，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立排氣系統(tǒng)有限元分析模型，并進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化，采用平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法分析汽車排氣管吊掛點(diǎn)布置的合理位置，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)力分析以驗(yàn)證吊掛布置的合理性。分析結(jié)果表明，通過(guò)平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法選取的掛鉤位置受力較均勻，傳遞到車身的力小于在設(shè)計(jì)限值的范圍以內(nèi)，同時(shí)也表明采用ADDOFD方法，對(duì)提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，減少費(fèi)用有很大作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龐劍，湛剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)：理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：124-156.

[2]傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[3]劉志恩，田靜等.汽車排氣系統(tǒng)懸掛點(diǎn)布置研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（6）：950-953.

[4]劉文川，張錫文，何楓.簡(jiǎn)化有限元方法的波紋管模態(tài)分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（2）：289-293.

[5]田育耕，等.汽車排氣系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)分析及懸掛點(diǎn)優(yōu)化[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，12.

[6]侯路，王海波，譚偉，于根穩(wěn).汽車排氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及強(qiáng)度分析[J].東風(fēng)CAE學(xué)會(huì)專欄，2012.6.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint