方澤軍 王斌 劉欣 葉天行 龍洪生

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

主題詞：排氣波紋管 異響 動剛度 結(jié)構(gòu)摩擦

1 前言

排氣噪聲是發(fā)動機的最大噪聲源，對排氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計是降低和控制排氣噪聲的有效途徑[1]。排氣波紋管是排氣系統(tǒng)重要的連接和補償元件，其主要作用是衰減發(fā)動機振動向底盤和車身的傳遞、降低排氣系統(tǒng)振動噪聲、提高排氣系統(tǒng)耐久性、提高排氣系統(tǒng)零部件的容差能力及改善裝配精度[2]等，因此相關(guān)人員對排氣波紋管的非正常振動和異響進行了研究，如陸榮英等[3]研究發(fā)現(xiàn)增加排氣波紋管內(nèi)部網(wǎng)結(jié)構(gòu)可改善波紋管嘯叫聲；胡張杰等[4]研究發(fā)現(xiàn)增加薄型編織網(wǎng)可降低排氣波紋管動剛度峰值，對排氣波紋管優(yōu)化設(shè)計可消除車內(nèi)轟鳴聲，但這些研究沒有針對排氣波紋管在整車條件下異響噪聲問題進行分析。為此，本文針對某輕型汽車排氣波紋管處異響問題，從共振、結(jié)構(gòu)摩擦、容差量等3個方面分析導(dǎo)致異響的因素，提出了不增加零件成本的優(yōu)化方案，并進行了試驗測試及實車驗證，有效解決了異響問題。

2 排氣波紋管異響問題確認與分析

2.1 排氣波紋管異響問題確認

某款輕型汽車排氣系統(tǒng)及波紋管結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)該車停止采取全油門（發(fā)動機靜止?fàn)顟B(tài)限制最大轉(zhuǎn)速）、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 400～2 500 r/min時，排氣波紋管發(fā)出異響噪聲，且振動幅度增大，在舉升機下能感受到噪聲并能觀察到排氣波紋管外網(wǎng)有振動敲擊現(xiàn)象。通過外力壓抵住排氣波紋管后異響噪聲及外網(wǎng)振動敲擊減弱，用外力沿整車前、后方向拉伸或壓縮排氣波紋管能有效改善異響噪聲。

圖1 某款輕型汽車排氣系統(tǒng)及波紋管結(jié)構(gòu)示意

2.2 排氣波紋管異響問題分析

排氣波紋管的開發(fā)設(shè)計大多基于靜態(tài)強度分析，而實際應(yīng)用中動載荷特性對排氣波紋管的影響也很大，因為實際使用過程中外部的激勵頻率與排氣波紋管固有頻率一致，而傳遞路徑無法衰減振動，所以會導(dǎo)致排氣波紋管產(chǎn)生振動噪聲和發(fā)生損壞[5]，因此需對排氣波紋管動態(tài)特性進行分析，主要從以下三方面進行異響問題排查：

a.排氣波紋管與發(fā)動機激勵發(fā)生共振；

b.排氣波紋管外網(wǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)摩擦異響；

c.整車裝配誤差過大超出排氣波紋管容差極限導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)異響。

2.2.1 共振分析

針對故障排氣波紋管的軸向動剛度和徑向動剛度進行了測試，測試結(jié)果如圖2所示，動剛度峰值分布如表1所列。由圖2和表1可知，在頻率為81 Hz時排氣波紋管徑向動剛度出現(xiàn)最大峰值，而發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為2 400～2 500 r/min時的點火激勵頻率為80～83 Hz，由此可知，發(fā)動機激勵與波紋管徑向動剛度峰值發(fā)生重疊，因而產(chǎn)生共振。

圖2 故障排氣波紋管動剛度

表1 故障排氣波紋管動剛度峰值

為了解排氣波紋管與排氣系統(tǒng)、發(fā)動機之間的動力學(xué)傳遞特性，采用HyperMesh軟件對排氣系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，利用ABAQUS有限元工具對該排氣系統(tǒng)進行模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果如圖3所示，模態(tài)計算結(jié)果表2所列。由表2可知，排氣系統(tǒng)9階模態(tài)頻率為81.7 Hz，與排氣波紋管徑向剛度峰值頻率81 Hz及該工況發(fā)動機激勵頻率（80～83 Hz）發(fā)生重合，三者頻率重合使得排氣波紋管發(fā)生共振，系統(tǒng)固有頻率加劇了振動的傳遞，導(dǎo)致排氣波紋管此時阻抗最小，振動幅度最大。

圖3 排氣系統(tǒng)模態(tài)

表2 排氣系統(tǒng)模態(tài)分布

2.2.2 外網(wǎng)結(jié)構(gòu)摩擦對異響的影響

為排查異響噪聲是否來自排氣波紋管外網(wǎng)的摩擦噪聲，在其它故障車輛問題現(xiàn)場排查過程中，分別采用鋼絲加固排氣波紋管外網(wǎng)方式及割破拆下排氣波紋管外網(wǎng)方式進行噪聲對比驗證，結(jié)果表明，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 400～2 500 r/min條件下，去除外網(wǎng)及改變外網(wǎng)的約束后結(jié)構(gòu)異響可消除。由此可知，異響噪聲來自排氣波紋管外網(wǎng)的結(jié)構(gòu)摩擦，且在共振情況下加劇。

2.2.3 整車裝配誤差對異響的影響

為評估整車排氣系統(tǒng)裝配誤差對排氣波紋管異響的影響，對故障排氣波紋管進行了整車安裝狀態(tài)長度測量，發(fā)現(xiàn)故障排氣波紋管處于過度壓縮或過度拉伸狀態(tài)，使得排氣波紋管出現(xiàn)彎曲、扭曲現(xiàn)象，其位移超過最大極限位移，動剛度峰值發(fā)生偏移與發(fā)動機激勵重疊，導(dǎo)致發(fā)生共振，加劇外網(wǎng)結(jié)構(gòu)摩擦異響。通過人為對排氣波紋管安裝誤差進行修補（拉伸或壓縮）使其恢復(fù)到設(shè)計狀態(tài)后，排氣波紋管在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時的異響噪聲消除。由此可知，整車裝配誤差超過排氣波紋管容差量引起摩擦異響，通過人為調(diào)節(jié)誤差量可消除異響。

由以上分析可知，排氣波紋管異響噪聲來源是外網(wǎng)摩擦，解決方案是提高排氣波紋管本身最大極限位移值，控制排氣波紋管在0～83 Hz范圍內(nèi)動剛度值，避免在80～83 Hz出現(xiàn)動剛度峰值。

3 排氣波紋管設(shè)計優(yōu)化和驗證

3.1 設(shè)計方案優(yōu)化

排氣波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)波距、波高、層厚等會影響其動剛度特性[6-7]，在車型已成熟上市的情況下，考慮到低成本、短周期的變更，則更改排氣波紋管外網(wǎng)結(jié)構(gòu)的方案更為合適。主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案為將排氣波紋管外網(wǎng)由編織結(jié)構(gòu)改為鉤織結(jié)構(gòu)，外網(wǎng)直徑由78.5 mm縮小至77.5 mm，圖4為原方案和優(yōu)化方案對比。

圖4 排氣波紋管優(yōu)化方案對比

3.2 優(yōu)化方案驗證

為驗證排氣波紋管外網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的效果，針對5個（原方案2個、優(yōu)化方案3個）排氣波紋管樣件進行了靜剛度、動剛度、最大極限位移測試以及可靠耐久性評估。試驗用主要設(shè)備為萬能材料試驗機、馬弗爐、波紋管剛度試驗機和波紋管路譜采集設(shè)備等，試驗結(jié)果如圖5、圖6、表3和表4所示。由圖5和表3可知，排氣波紋管軸向靜剛度平均值由9.05 N/mm下降為6.7 N/mm，降低26%；最大極限位移由19.5 mm提升到31 mm，提升59%。由圖6和表4可知，相對故障排氣波紋管動剛度（圖2）數(shù)據(jù)，優(yōu)化后排氣波紋管在頻率為80～83 Hz區(qū)域內(nèi)不存在剛度峰值，在頻率為0～83 Hz范圍內(nèi)動剛度曲線峰值得到控制，無論在軸向還是徑向動剛度曲線都非常平穩(wěn)。

圖5 排氣波紋管優(yōu)化前、后軸向靜剛度對比

表3 排氣波紋管優(yōu)化前、后靜剛度和最大極限位移對比

對優(yōu)化后排氣波紋管進行了耐久性計算分析，依據(jù)企業(yè)整車綜合耐久試驗24工況和循環(huán)次數(shù)，分別計算每個工況對應(yīng)的波紋管損傷值，其中某工況損傷值分析結(jié)果如圖7所示，最終將各工況損傷值疊加得到總損傷值為16.1%（小于20%的波紋管標(biāo)準(zhǔn)），表明波紋管可靠耐久性能計算滿足。再通過整車排氣波紋管路譜載荷數(shù)據(jù)采集，計算各工況損傷值后疊加得到總損傷值仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對整車搭載樣件進行了綜合耐久50 000 km試驗驗證，排氣波紋管未出現(xiàn)耐久可靠問題，滿足可靠耐久性要求。

圖6 優(yōu)化后排氣波紋管動剛度

表4 優(yōu)化前、后排氣波紋管動剛度對比結(jié)果

圖7 排氣波紋管損傷值分析結(jié)果

4 結(jié)束語

排氣波紋管動剛度峰值頻率與發(fā)動機激勵重合情況下會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，與排氣系統(tǒng)模態(tài)重疊會加劇振動的傳遞。異響噪聲的表現(xiàn)形式和來源為排氣波紋管外網(wǎng)的摩擦噪聲，整車裝配誤差過大也會引起排氣波紋管實際位移超過本身最大極限位移，導(dǎo)致其動剛度峰值發(fā)生偏移而引發(fā)共振。通過分析和驗證，對排氣波紋管外網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，降低了排氣波紋管軸向靜剛度，提高了最大極限位移值，并避免了在頻率為0～83 Hz區(qū)域出現(xiàn)動剛度峰值。通過實車驗證，優(yōu)化后排氣波紋管能避免出現(xiàn)共振，摩擦異響噪聲得到解決，提高了整車NVH品質(zhì)。