方澤軍 王斌 劉欣 葉天行 龍洪生

（北京汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)研究院，北京 101300）

主題詞：排氣波紋管 異響 動(dòng)剛度 結(jié)構(gòu)摩擦

1 前言

排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的最大噪聲源，對(duì)排氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(bǔ)償元件，其主要作用是衰減發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)向底盤(pán)和車(chē)身的傳遞、降低排氣系統(tǒng)振動(dòng)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(duì)排氣波紋管的非正常振動(dòng)和異響進(jìn)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?chē)[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(dòng)剛度峰值，對(duì)排氣波紋管優(yōu)化設(shè)計(jì)可消除車(chē)內(nèi)轟鳴聲，但這些研究沒(méi)有針對(duì)排氣波紋管在整車(chē)條件下異響噪聲問(wèn)題進(jìn)行分析。為此，本文針對(duì)某輕型汽車(chē)排氣波紋管處異響問(wèn)題，從共振、結(jié)構(gòu)摩擦、容差量等3個(gè)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(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試及實(shí)車(chē)驗(yàn)證，有效解決了異響問(wèn)題。

2 排氣波紋管異響問(wèn)題確認(rèn)與分析

2.1 排氣波紋管異響問(wèn)題確認(rèn)

某款輕型汽車(chē)排氣系統(tǒng)及波紋管結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)該車(chē)停止采取全油門(mén)（發(fā)動(dòng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)限制最大轉(zhuǎn)速）、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400～2 500 r/min時(shí)，排氣波紋管發(fā)出異響噪聲，且振動(dòng)幅度增大，在舉升機(jī)下能感受到噪聲并能觀察到排氣波紋管外網(wǎng)有振動(dòng)敲擊現(xiàn)象。通過(guò)外力壓抵住排氣波紋管后異響噪聲及外網(wǎng)振動(dòng)敲擊減弱，用外力沿整車(chē)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(chē)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(wèn)題分析

排氣波紋管的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)大多基于靜態(tài)強(qiáng)度分析，而實(shí)際應(yīng)用中動(dòng)載荷特性對(duì)排氣波紋管的影響也很大，因?yàn)閷?shí)際使用過(guò)程中外部的激勵(lì)頻率與排氣波紋管固有頻率一致，而傳遞路徑無(wú)法衰減振動(dòng)，所以會(huì)導(dǎo)致排氣波紋管產(chǎn)生振動(dòng)噪聲和發(fā)生損壞[5]，因此需對(duì)排氣波紋管動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，主要從以下三方面進(jìn)行異響問(wèn)題排查：

a.排氣波紋管與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)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(chē)裝配誤差過(guò)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(duì)故障排氣波紋管的軸向動(dòng)剛度和徑向動(dòng)剛度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，動(dòng)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(shí)排氣波紋管徑向動(dòng)剛度出現(xiàn)最大峰值，而發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為2 400～2 500 r/min時(shí)的點(diǎn)火激勵(lì)頻率為80～83 Hz，由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)與波紋管徑向動(dòng)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(dòng)剛度

表1 故障排氣波紋管動(dòng)剛度峰值

為了解排氣波紋管與排氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)之間的動(dòng)力學(xué)傳遞特性，采用HyperMesh軟件對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用ABAQUS有限元工具對(duì)該排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果如圖3所示，模態(tài)計(jì)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(dòng)機(jī)激勵(lì)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(dòng)的傳遞，導(dǎo)致排氣波紋管此時(shí)阻抗最小，振動(dòng)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(duì)異響的影響

為排查異響噪聲是否來(lái)自排氣波紋管外網(wǎng)的摩擦噪聲，在其它故障車(chē)輛問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)排查過(guò)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(jìn)行噪聲對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)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(chē)裝配誤差對(duì)異響的影響

為評(píng)估整車(chē)排氣系統(tǒng)裝配誤差對(duì)排氣波紋管異響的影響，對(duì)故障排氣波紋管進(jìn)行了整車(chē)安裝狀態(tài)長(zhǎng)度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)故障排氣波紋管處于過(guò)度壓縮或過(guò)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(guò)最大極限位移，動(dòng)剛度峰值發(fā)生偏移與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)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(guò)人為對(duì)排氣波紋管安裝誤差進(jìn)行修補(bǔ)（拉伸或壓縮）使其恢復(fù)到設(shè)計(jì)狀態(tài)后，排氣波紋管在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)的異響噪聲消除。由此可知，整車(chē)裝配誤差超過(guò)排氣波紋管容差量引起摩擦異響，通過(guò)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(lái)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(dòng)剛度值，避免在80～83 Hz出現(xiàn)動(dòng)剛度峰值。

3 排氣波紋管設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)證

3.1 設(shè)計(jì)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(huì)影響其動(dòng)剛度特性[6-7]，在車(chē)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(duì)比。

圖4 排氣波紋管優(yōu)化方案對(duì)比

3.2 優(yōu)化方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證排氣波紋管外網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效果，針對(duì)5個(gè)（原方案2個(gè)、優(yōu)化方案3個(gè)）排氣波紋管樣件進(jìn)行了靜剛度、動(dòng)剛度、最大極限位移測(cè)試以及可靠耐久性評(píng)估。試驗(yàn)用主要設(shè)備為萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、馬弗爐、波紋管剛度試驗(yàn)機(jī)和波紋管路譜采集設(shè)備等，試驗(yàn)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(duì)故障排氣波紋管動(dòng)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(dòng)剛度曲線峰值得到控制，無(wú)論在軸向還是徑向動(dòng)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(duì)比

表3 排氣波紋管優(yōu)化前、后靜剛度和最大極限位移對(duì)比

對(duì)優(yōu)化后排氣波紋管進(jìn)行了耐久性計(jì)算分析，依據(jù)企業(yè)整車(chē)綜合耐久試驗(yàn)24工況和循環(huán)次數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)工況對(duì)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(jì)算滿足。再通過(guò)整車(chē)排氣波紋管路譜載荷數(shù)據(jù)采集，計(jì)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(duì)整車(chē)搭載樣件進(jìn)行了綜合耐久50 000 km試驗(yàn)驗(yàn)證，排氣波紋管未出現(xiàn)耐久可靠問(wèn)題，滿足可靠耐久性要求。

圖6 優(yōu)化后排氣波紋管動(dòng)剛度

表4 優(yōu)化前、后排氣波紋管動(dòng)剛度對(duì)比結(jié)果

圖7 排氣波紋管損傷值分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

排氣波紋管動(dòng)剛度峰值頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)重合情況下會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，與排氣系統(tǒng)模態(tài)重疊會(huì)加劇振動(dòng)的傳遞。異響噪聲的表現(xiàn)形式和來(lái)源為排氣波紋管外網(wǎng)的摩擦噪聲，整車(chē)裝配誤差過(guò)大也會(huì)引起排氣波紋管實(shí)際位移超過(guò)本身最大極限位移，導(dǎo)致其動(dòng)剛度峰值發(fā)生偏移而引發(fā)共振。通過(guò)分析和驗(yàn)證，對(duì)排氣波紋管外網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dòng)剛度峰值。通過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)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(chē)NVH品質(zhì)。