劉興利 許亞峰 李帥 劉宇 李媛媛

摘 要：文章基于某車型消聲器殼體開裂問題為研究案例，分別從材料強度、板材減薄率、間隙配合、消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行分析，確定殼體開裂問題原因為消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，通過對消聲器結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，解決此類殼體開裂問題，并經(jīng)過整車耐久可靠性道路試驗驗證了解決措施的可行性。

關(guān)鍵詞：消聲器;殼體;開裂;應(yīng)力集中;屈服極限

中圖分類號：U463 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-104-03

Abstract： Based on the research of cracking of muffler shell of a certain vehicle， this paper analyzes the material strength， sheet thinning rate， clearance fit， muffler structure design， etc.， and determines the cause of shell cracking. The structure of the muffler is unreasonable. Through the design optimization of the muffler structure， the cracking problem of the shell is solved， and the feasibility of the solution is verified by the road test of durability and reliability of the vehicle.

Keywords： Muffler; Shell; Crack; Stress concentration; Yield limit

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-104-03

前言

消聲器作為汽車的重要組成部分，其作用是將發(fā)動機中燃油燃燒后的廢氣排入到大氣中，同時也將隨廢氣而來的各種噪聲消除，給駕乘者提供一個安靜舒適的駕駛環(huán)境。

消聲器在開發(fā)過程中的耐久可靠性是重要考核項目。本文主要關(guān)注某車型消聲器在整車耐久可靠性道路試驗過程中，發(fā)生的殼體開裂問題，進行原因分析，提出優(yōu)化設(shè)計方案，可靠性驗證，最終徹底解決開裂問題。

1 問題描述

某車型在開發(fā)過程中進行整車七萬公里耐久可靠性道路試驗時，發(fā)生了多次后消聲器殼體開裂問題，問題發(fā)生時整車完成三萬公里道路試驗里程。消聲器殼體開裂長度最長可達73mm，且都發(fā)生在上殼體與進氣管連接處。如圖1所示。

2 原因分析

2.1 材料強度

針對消聲器殼體開裂問題，首先懷疑的就是殼體材料強度是否滿足設(shè)計要求，如若殼體材料自身強度過低，一旦進行耐久可靠性試驗就會出現(xiàn)疲勞開裂等問題。

對問題樣件進行材質(zhì)強度分析，分析結(jié)果見表1、2：

從上面材質(zhì)分析結(jié)果可以看出，樣件實際使用材料滿足設(shè)計要求，而且發(fā)生開裂問題的3件消聲器殼體材料機械性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求?；谝陨峡膳懦刹馁|(zhì)問題引起的開裂。

2.2 板材減薄率

消聲器上殼體的生產(chǎn)工藝采用了一體沖壓成型方式，而發(fā)生開裂的位置正處于板材折彎處，此處位置沖壓工藝復(fù)雜，沖壓設(shè)備精度是保證殼體薄厚程度的關(guān)鍵。

如果殼體沖壓設(shè)備精度誤差過大，會導(dǎo)致沖壓后的殼體薄厚不均，局部減薄率過大，在進行耐久可靠性試驗中也會出現(xiàn)疲勞開裂等問題。

消聲器上殼體厚度設(shè)計要求為1.2±0.24mm，針對開裂殼體進行實測，厚度為1.112 mm，如圖2所示，滿足設(shè)計要求。

2.3 間隙配合

針對殼體開裂樣件進行搭載試驗原車靜態(tài)間隙測量，整個消聲器實測距離周圍零部件均>30mm，滿足消聲器運動設(shè)計間隙要求，可排除由于運動干涉導(dǎo)致的開裂。

消聲器上的開裂位置在上殼體，經(jīng)檢查，消聲器上殼體表面無磕碰痕跡，也可排除整車耐久可靠性道路試驗過程中，路面凸起及飛石撞擊導(dǎo)致開裂。

2.4 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計

消聲器殼體不銹鋼材料屬于塑性材料，塑性材料在受到應(yīng)力σ作用時，會有應(yīng)變ε發(fā)生，如圖3所示：

圖中o-b階段為彈性階段，金屬材料受應(yīng)力σ產(chǎn)生應(yīng)變ε，應(yīng)力σ卸載后，應(yīng)變ε完全消失，b點處的應(yīng)力σe稱為彈性極限;b-c階段為屈服階段，應(yīng)力σ基本保持不變，應(yīng)變ε持續(xù)增加，此階段最低應(yīng)力σs稱為屈服極限;c-e階段為強化階段，材料恢復(fù)抵抗變形的能力，應(yīng)力σ增加，應(yīng)變ε才會增加，e點處的應(yīng)力σb稱為強度極限;e-f階段為局部變形階段，應(yīng)變ε急劇增加，出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，到達f點之后斷裂。

塑性材料出現(xiàn)斷裂問題，其所受應(yīng)力σ必然超過了材料本身的強度極限σb，而在設(shè)計階段是以塑性材料的屈服極限σs作為零部件所受應(yīng)力σ的上限。即：

σ=F/A<σs（式中F：構(gòu)件截面內(nèi)力集合;A：構(gòu)件截面面積）

針對殼體開裂的消聲器結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)FEA應(yīng)力σ分析，排氣系統(tǒng)在4.5G工況下，最大應(yīng)力σ出現(xiàn)在后消聲器上殼體與進氣管連接處，計算值為460.3MPa，大于殼體材料SUS436L本身屈服極限σs=245MPa，理論分析認(rèn)為應(yīng)力最大處極易發(fā)生疲勞開裂，見圖4。

整車耐久可靠性道路試驗證明確實出現(xiàn)消聲器殼體開裂問題，而且開裂位置正是結(jié)構(gòu)FEA分析應(yīng)力最大處。

結(jié)合消聲器外形結(jié)構(gòu)和后消聲器內(nèi)部芯體結(jié)構(gòu)，分析導(dǎo)致殼體開裂的原因：后消聲器采用上下蚌殼焊接結(jié)構(gòu)，進氣管與后消聲器上下蚌殼連接處采用外部環(huán)焊，見圖5。

后消聲器上下蚌殼+內(nèi)部芯體結(jié)構(gòu)總重量約為14kg，重量較大，應(yīng)力集中出現(xiàn)在后消聲器上殼體與進氣管連接處，而且此處恰為壁厚較薄部位，導(dǎo)致消聲器隨整車進行耐久可靠性試驗過程中，在冷熱交變、多向無序振動工況下發(fā)生了殼體開裂問題，可定性為結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。

3 解決措施

為解決后消聲器上殼體開裂問題，最直接的措施就是分散后消聲器殼體與進氣管連接處的應(yīng)力集中，解決措施有三種：

方案一：在進氣管與后消聲器接處，外部焊接消聲器殼體加強板，多點焊接，分散應(yīng)力，見圖6。

方案二：加長進氣管深入后消聲器殼體內(nèi)部的長度，在進氣管與消聲器殼體或隔板間增加加強板，加強板分別與進氣管、消聲器殼體或隔板焊接，分散應(yīng)力，見圖7。

方案三：加長進氣管深入后消聲器殼體內(nèi)部的長度，并在消聲器內(nèi)部折彎后與隔板進行焊接，分散應(yīng)力?？蛇M行單側(cè)隔板焊接，見圖8。也可進行雙側(cè)隔板焊接，見圖9。

在滿足整車對排氣系統(tǒng)NVH及排氣背壓要求前提下，結(jié)合生產(chǎn)工藝性分析，采用方案三：在進氣管伸入后消聲器內(nèi)部增加Y型管，并與兩側(cè)隔板焊接，隔板再與消聲器殼體焊接，使進氣管與后消包體連接由一點分散為多點，分散應(yīng)力。

針對優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案進行結(jié)構(gòu)FEA應(yīng)力分析，排氣系統(tǒng)在4.5G工況下，最大應(yīng)力σ出現(xiàn)在后消聲器上殼體與進氣管連接處，計算值為74.8MPa，小于殼體材料SUS436L本身屈服極限σs=245MPa，理論分析認(rèn)為應(yīng)力最大處強度可以滿足設(shè)計要求，見圖10。

Y型管結(jié)構(gòu)消聲器樣件搭載整車進行七萬公里耐久可靠性道路試驗，總計進行3輪驗證，均無消聲器殼體開裂問題復(fù)發(fā)。至此，消聲器殼體開裂問題解決完成。

5 結(jié)論

汽車行駛過程中，消聲器受到高溫廢氣的熱沖擊和腐蝕，同時發(fā)動機振動激勵也會引起消聲器的彎曲扭轉(zhuǎn)振動，顛簸路面引起的車體振動也容易通過吊鉤、吊耳傳遞到消聲器。

各種外部作用力相互疊加會對消聲器產(chǎn)生非常大的破壞力，往往在應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)薄弱的地方產(chǎn)生開焊、斷裂等破壞性失效。

為避免以上問題發(fā)生，消聲器在產(chǎn)品開發(fā)階段就應(yīng)該進行充分的計算模擬分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且經(jīng)過充分的試驗驗證，在保證整車性能的前提下，也使可靠性滿足使用要求，避免新車型批量上市銷售后出現(xiàn)質(zhì)量問題。

參考文獻

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