張佳偉，常永飛，劉佳，葉天行，方澤軍

北京汽車研究總院 北京 100300

排氣系統(tǒng)作為燃油汽車的重要組成部分，承擔著尾氣凈化及降噪的功能。但在開發(fā)過程中，常因結構強度的設計不足、產(chǎn)品結構的設計缺陷以及生產(chǎn)制造過程中的工藝控制等原因造成排氣系統(tǒng)的異響問題[1]。出現(xiàn)異響問題后應及時排查異響原因并找到解決方案，避免汽車上市后出現(xiàn)批量異響問題。

本文針對排氣系統(tǒng)開發(fā)過程中因工藝失誤和設計失誤導致的異響案例進行了總結[2]。工程師在開發(fā)過程中出現(xiàn)排氣系統(tǒng)異響時，也可以參考此文進行排查，避免出現(xiàn)類似問題。

工藝控制不嚴謹導致的異響

1.問題描述

某乘用車開發(fā)過程中，樣件搭載測試整車NVH性能時，測試人員發(fā)現(xiàn)怠速工況時，排氣尾管出現(xiàn)“噗噗”放氣聲。更改為怠速開空調(diào)工況后，異響問題更加突出，嚴重影響車內(nèi)乘客搭乘的舒適性。

2.原因排查

排氣系統(tǒng)因長度較長，一般分為催化器總成、波紋管總成、前消聲器總成和后消聲器總成四部分。在該案例中，先將后消聲器總成拆除，同樣怠速工況下，排氣“噗噗”異響消失，再將后消聲器總成重新裝配到整車后，怠速異響重現(xiàn)，由此判定該異響的發(fā)生由后消聲器總成導致。

首先排查后消聲器總成的設計是否有缺陷。圖1所示為消聲器的內(nèi)部結構，該消聲器總成為典型的單進雙出結構，內(nèi)部為三管迷路，阻抗復合型消聲器。該種消聲器結構為行業(yè)內(nèi)普遍存在的成熟設計，故判定該怠速異響非設計缺陷引起。

圖1 后消聲器內(nèi)部結構

其次，從生產(chǎn)工藝排查消聲器的生產(chǎn)過程是否符合設計圖樣要求。在排查管路打孔、管徑及隔盤位置和塞棉工藝后，發(fā)現(xiàn)消聲器塞棉工藝及管路消聲孔布置有缺陷。

消聲器內(nèi)的消聲棉為成袋大包裝，工人按照設計要求的質(zhì)量將成袋消聲棉塞到設計指定的消聲器腔體內(nèi)。該腔體內(nèi)的管路布置有消音孔，但孔位布置靠近隔盤位置，未居中。因為塞棉工藝未做詳細指導及說明，導致出現(xiàn)管路上的消聲孔靠近隔盤位置的未被消聲棉纏繞覆蓋，該生產(chǎn)失誤會導致發(fā)動機傳遞過來的噪聲直接通過小孔傳出到尾管，產(chǎn)生較大的排氣噪聲。故障件解剖如圖2所示。

圖2 故障消聲器解剖

將故障件里的消聲棉重新纏繞，使之覆蓋住整個穿孔管，圖3為合格封裝產(chǎn)品。封好后重新裝車試驗，怠速“噗噗”異響消失。

圖3 合格封裝產(chǎn)品

原因明確后通知廠家更改線上作業(yè)指導書。首先，將填棉腔體內(nèi)的穿孔管消聲孔集中在管路中間，避免填棉過程中因操作不當導致靠近隔盤位置的消聲孔外露。其次，對消聲棉的填充方式和填充后的質(zhì)量要領及驗收標準做了詳細說明，并對在崗工人做出相應的崗位培訓。

3.小結

由于生產(chǎn)工藝控制不嚴導致的異響，究其原因，首先，設計工程師未結合實際生產(chǎn)工藝，未與生產(chǎn)線工人進行全面溝通，未定義關鍵生產(chǎn)工藝，未到現(xiàn)場確認樣件實際生產(chǎn)與設計是否一致。其次，消聲器生產(chǎn)階段未做封樣處理，導致消聲器設計定型產(chǎn)品與實際生產(chǎn)出的樣品不一致。最后，失效后果不易感知，產(chǎn)品生產(chǎn)封裝后實車測試才能感知失效后果。

工程師通過有限元軟件分析出符合整車廠NVH性能要求的排氣系統(tǒng)，但是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)未控制好生產(chǎn)工藝，導致生產(chǎn)出來的消聲器與實際樣件不符，從而造成NVH性能不達標的后果。故工程師在整個消聲器定型過程中應持續(xù)跟蹤到產(chǎn)品封樣，保證設計與生產(chǎn)的一致性。

設計缺陷導致的異響

1.問題描述

某款車型開發(fā)過程中，試驗驗證NVH性能時，在大負荷行駛一段時間后，停車怠速時，車內(nèi)前后排乘客位置均可清晰聽見金屬敲擊異響。對故障車輛進行排查后發(fā)現(xiàn)，異響來自于后消聲器總成。

2.原因排查

對故障消聲器進行檢查，發(fā)現(xiàn)外觀筒體外殼變形，用手按壓消聲器筒體可以復現(xiàn)金屬敲擊異響。

首先排查消聲器設計，檢查是否有設計缺陷或者模態(tài)不足導致的結構強度不足引起的筒體異響。該消聲器外形為扁平跑道型雙層筒體結構，消聲器筒體如圖4所示，內(nèi)部為典型的阻抗復合式消聲器（見圖5）。

圖4 消聲器筒體外形

圖5 消聲器內(nèi)部結構

因排查時發(fā)現(xiàn)消聲器筒體外形變形，懷疑消聲器筒體結構強度不足，因此對消聲器總成做模態(tài)測試。測試時，消聲器總成模態(tài)為340Hz，略低于標準要求的350Hz的要求。

消聲器為雙層筒體結構，將故障消聲器拆解開窗后查看，發(fā)現(xiàn)原本應緊密貼合的兩層筒體間出現(xiàn)明顯的縫隙（見圖6）。

圖6 故障消聲器拆解

用手摁壓該縫隙處可復現(xiàn)裝車時消聲器異響，由此判定，該異響原因為消聲器雙層筒體結構模態(tài)偏低，且殼體間出現(xiàn)縫隙導致汽車行駛過程中氣流在雙層殼體間流竄敲擊殼體，兩者疊加導致車輛怠速時，出現(xiàn)消聲器摩擦敲擊異響。

檢查消聲器筒體邊界設計條件，發(fā)現(xiàn)該消聲器的外邊界筒體上方有備胎盆，下方有滿載過坎要求，空間有限，導致消聲器殼體外形不能做大的變更。在消聲器筒體外形不變的情況下，只能通過改變消聲器筒體的生產(chǎn)工藝來達到筒體模態(tài)增加的效果。

雙層跑道型筒體消聲器設計為行業(yè)內(nèi)普遍采用的成熟設計方案，但雙層消聲器生產(chǎn)工藝需要有8點電阻焊，將消聲器雙層筒體與筒體內(nèi)隔盤疊加焊到一起。8點焊有利于增強雙層消聲器的筒體模態(tài)，有效避免行駛過程中因為消聲器的熱脹冷縮導致的消聲器雙層殼體間出現(xiàn)分層，從而導致氣體沖擊引起異響問題。

該生產(chǎn)工藝由于生產(chǎn)廠家現(xiàn)有的生產(chǎn)設備能力不足而放棄，設計人員決定從設計角度解決該結構模態(tài)不足導致的異響問題。

該消聲器雙層筒體單層厚度0.6mm，鑒于熱脹冷縮后筒體出現(xiàn)分層，故將消聲器雙層筒體更改為單層1.2mm。對該單層筒體做模態(tài)測試，結果為427Hz，超過標準要求的350Hz的要求，單層消聲器模態(tài)測試如圖7所示。

圖7 單層消聲器模態(tài)測試

將該單層筒體消聲器搭載到整車后進行NVH測試試驗，怠速時未復現(xiàn)金屬敲擊異響，問題解決。整車經(jīng)道路耐久試驗驗證后產(chǎn)品無其他問題后，設計人員將雙層筒體消聲器更改為單層筒體消聲器。

3.小結

前期因設計評估不夠完善，同時生產(chǎn)工藝沒有彌補設計缺陷導致出現(xiàn)消聲器筒體在熱脹冷縮后出現(xiàn)筒體分層，從而引起氣流沖擊殼體，殼體摩擦出現(xiàn)敲擊異響。

在后期優(yōu)化過程中，通過更改邊界設計條件達到生產(chǎn)工藝不能達到的要求。此案例可以看出，生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品性能的影響很大，而完善的設計可以減少對生產(chǎn)工藝的苛刻要求。

結語

通過對兩例消聲器的異響分析可以看出，消聲器總成的生產(chǎn)工藝對于消聲器總成的性能有著至關重要的作用。

首先，工程師未下達關鍵工藝管控環(huán)節(jié)，導致生產(chǎn)未嚴格控制。生產(chǎn)出的產(chǎn)品并不是設計工程師需要的產(chǎn)品，設計與生產(chǎn)完全脫節(jié)。其次，生產(chǎn)工藝不能滿足設計者要求，設計人員需要反思設計是否完善，考慮生產(chǎn)工藝是否能滿足要求。在任何一款車的設計過程中，設計人員均需要考慮生產(chǎn)的工藝性，若現(xiàn)有生產(chǎn)工藝不能滿足設計要求，就需要通過變更設計來滿足生產(chǎn)工藝的要求。