張 成 ，黃 勤

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

0 引言

皮卡作為重要的商用車型之一，采用轎車式車頭和駕駛室，同時(shí)帶有敞開式貨廂，兼顧了乘用車和商用車的綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)物流運(yùn)輸工作中。目前，我國的皮卡車型以長城、江鈴等皮卡制造廠商為代表，不斷推出釣魚版、山地版、乘用型等細(xì)分皮卡車型。與此同時(shí)，隨著人們生活水平的提高，用戶對(duì)于皮卡的感受已經(jīng)從商用車升級(jí)到乘用化皮卡體驗(yàn)，不斷提升皮卡的內(nèi)飾品質(zhì)、NVH性能、駕駛樂趣等整車性能，開發(fā)出滿足用戶需求的高品質(zhì)的乘用型皮卡，已經(jīng)成為皮卡行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)[1-10]。

排氣系統(tǒng)是整車重要的系統(tǒng)部件，主要由消聲器、排氣管、波紋管、吊掛支架等零部件裝配組成，皮卡車型的排氣系統(tǒng)多為單管式，主要作用是吸收發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的CO、HC等有害物質(zhì)，同時(shí)減小排氣噪聲，是滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)的主要功能系統(tǒng)部件。良好的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將有助于乘用型皮卡NVH性能品質(zhì)的提升。因此，本研究以某乘用型皮卡為例，開展了皮卡排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的CAE性能分析及強(qiáng)度疲勞等性能試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該乘用型車型的排氣系統(tǒng)功能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，提升了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及NVH性能。

1 排氣系統(tǒng)試驗(yàn)分析

排氣系統(tǒng)零部件是整車重要的系統(tǒng)零件，其既要承受來自整車傳遞過來的載荷沖擊，又要承受來自發(fā)動(dòng)機(jī)端的高溫尾氣沖擊。開展系列耐高溫及強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)，可以確保排氣系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1 催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)

排氣系統(tǒng)催化器是將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的CO2、H2O和N2。本研究的某乘用型皮卡車型的排氣系統(tǒng)，需考核催化器熱振動(dòng)性能。通過相應(yīng)試驗(yàn)工裝設(shè)備，將催化劑轉(zhuǎn)化器呈90°垂直安裝在熱振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，并使催化器與燃燒器相連，催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)

在搭建完催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)工裝后，按照表1所示試驗(yàn)工況進(jìn)行催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，進(jìn)行詳細(xì)的載體檢查及位移檢查。通過對(duì)試驗(yàn)后的催化器進(jìn)行外觀檢查，得到如圖2所示的試驗(yàn)結(jié)果，殼體無變形。

表1 催化器熱振動(dòng)工況加載表

圖2 催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)后樣件外觀

在完成初步的催化器外觀檢查后，需再進(jìn)行載體出口位移及背壓測(cè)試，得到如表2所示的試驗(yàn)結(jié)果。載體出口位移變化量分別為0.5 mm、0.2 mm及0.3 mm，滿足載體位移量小于2 mm的目標(biāo)，背壓變化量為0，有助于排氣系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

表2 催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)載體位移及背壓測(cè)試結(jié)果

1.2 波紋管焊接強(qiáng)度試驗(yàn)

波紋管與排氣管采用焊接進(jìn)行連接，焊接強(qiáng)度的強(qiáng)弱，將直接影響排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本研究采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，將拉力加載至5 880 N，觀察波紋管連接處焊縫是否存在破損，試驗(yàn)前及試驗(yàn)后的樣件分別如圖3和圖4所示。

圖3 波紋管試驗(yàn)樣件

圖4 波紋管焊接試驗(yàn)結(jié)果

本研究在搭建完波紋管焊接強(qiáng)度試驗(yàn)工裝后，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。根據(jù)圖4所示試驗(yàn)結(jié)果，可以得出，拉力加載到5 880 N后，波紋管產(chǎn)生了變形，網(wǎng)套無破損，焊接處無裂紋，滿足目標(biāo)。

1.3 排氣系統(tǒng)熱端振動(dòng)耐久試驗(yàn)分析

皮卡作為重要的商用車型，需經(jīng)過嚴(yán)苛的耐久試驗(yàn)，目前常見的耐久試驗(yàn)方式包括整車道路耐久試驗(yàn)及整車臺(tái)架耐久試驗(yàn)，而整車臺(tái)架耐久試驗(yàn)由于具備工裝快速、簡易快速等特點(diǎn)，已經(jīng)成為零部件開發(fā)中重要的耐久試驗(yàn)方法。本研究對(duì)某乘用型皮卡的排氣系統(tǒng)按照整車裝配條件進(jìn)行安裝固定，確定振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置，布置加速度傳感器，開展20 Hz～200 Hz的振動(dòng)掃頻，測(cè)試確定共振點(diǎn)，再將得到的共振點(diǎn)頻率數(shù)據(jù)作為臺(tái)架激勵(lì)輸入，加速度為4 g，振動(dòng)方向?yàn)閆向，通入熱流，催化器進(jìn)氣溫度為840 ℃，排氣系統(tǒng)熱端振動(dòng)耐久試驗(yàn)工裝及傳感器布置圖如圖5所示。

圖5 排氣系統(tǒng)熱端振動(dòng)耐久試驗(yàn)工裝及傳感器布置圖

按照上述試驗(yàn)工況，開展了排氣系統(tǒng)熱端振動(dòng)耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，詳細(xì)檢查排氣系統(tǒng)波紋、吊掛、焊縫、管子、殼體等零件，得到如圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果可知，排氣系統(tǒng)熱端零部件未發(fā)現(xiàn)裂紋，疲勞強(qiáng)度滿足目標(biāo)要求。

圖6 排氣系統(tǒng)熱端振動(dòng)耐久試驗(yàn)結(jié)果

2 排氣系統(tǒng)CAE分析

CAE有限元分析是以數(shù)值分析為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工程輔助設(shè)計(jì)，可快速有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度及模態(tài)等分析工作，節(jié)約大量的物理樣車及試驗(yàn)工裝費(fèi)用。本研究采用Fluent軟件對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了CAE流動(dòng)性能分析，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣質(zhì)量流量為770 kg/h、催化器入口溫度為840 ℃、載體長度為152 mm、載體形狀為圓形。網(wǎng)格模型尺寸為4 mm，得到如圖7所示的排氣系統(tǒng)背壓損失分析結(jié)果，表明該排氣系統(tǒng)背壓損失為52.2 kPa，滿足大于30 kPa的目標(biāo)。

圖7 排氣系統(tǒng)CAE背壓損失分析結(jié)果

3 結(jié)論

綜上所述，本研究結(jié)合數(shù)值分析及排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論，開展了某乘用型皮卡排氣系統(tǒng)催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)、波紋管焊接強(qiáng)度試驗(yàn)、排氣系統(tǒng)熱端振動(dòng)耐久試驗(yàn)，并且利用CAE仿真軟件，開展了排氣系統(tǒng)背壓損失CAE分析，結(jié)果如下：

1）排氣系統(tǒng)催化器熱振動(dòng)試驗(yàn)完成后，試樣無破損，載體出口位移都小于0.5 mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)小于2 mm要求。

2）波紋管拉伸試驗(yàn)拉力達(dá)到5 880 N后，波紋管產(chǎn)生了變形，但網(wǎng)套無裂紋破損，焊接強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3）排氣系統(tǒng)熱端振動(dòng)試驗(yàn)后，波紋管、吊掛等零件都未出現(xiàn)損傷。

4）排氣系統(tǒng)CAE背壓損失分析結(jié)果顯示，背壓損失為52.2 kPa，滿足大于30 kPa的目標(biāo)。