蒙富強(qiáng)，馬 佳，趙 嘉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

關(guān)鍵字：排氣系統(tǒng)；模態(tài)；支架剛度；試驗(yàn)；優(yōu)化

引言

燃?xì)馍逃密囎鳛橐环N替代能源生產(chǎn)運(yùn)輸工具，越來(lái)越多地在市場(chǎng)中應(yīng)用，發(fā)揮著重要作用。整車的安全可靠是所有廠家不斷追求的目標(biāo)，排氣系統(tǒng)作為整車底盤的重要組成部分，其一端連接著發(fā)動(dòng)機(jī)，另一端與車架通過(guò)螺栓連接。發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車主要的激振源之一，通過(guò)排氣系統(tǒng)管路向車架傳遞，同時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接的排氣管振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)相互影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器可靠性有一定的影響。優(yōu)化提升與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接的排氣管的模態(tài)及振動(dòng)模型，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性非常重要。其中，排氣管固定點(diǎn)的選擇及固定支架的剛度作為影響排氣管模態(tài)的重要因素，需重點(diǎn)關(guān)注。

本文通過(guò)建立排氣系統(tǒng)模型，利用仿真分析、試驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)優(yōu)化排氣管固定位置及改進(jìn)固定支架結(jié)構(gòu)，提升與發(fā)動(dòng)機(jī)直連排氣管模態(tài)，避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率，達(dá)到最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 激勵(lì)頻率及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣體燃燒，曲軸輸出脈沖轉(zhuǎn)矩引起激擾，且因?yàn)檗D(zhuǎn)矩周期性的發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)上反作用轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動(dòng)，這種波動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生周期性的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其振動(dòng)頻率實(shí)際上就是發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火激勵(lì)頻率[1]：

其中：f為點(diǎn)火激勵(lì)頻率，Hz；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)；τ為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù)。

以某燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為例，根據(jù)以上計(jì)算公式可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率區(qū)間如下表1所示：

表1 某燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及激勵(lì)頻率范圍

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率區(qū)間，排氣系統(tǒng)模態(tài)頻率應(yīng)避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)的激勵(lì)頻率，避免發(fā)生共振，尤其是與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的第一節(jié)排氣管，其模態(tài)應(yīng)不小于發(fā)動(dòng)機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速時(shí)的激勵(lì)頻率，以該發(fā)動(dòng)機(jī)為例，考慮安全系數(shù)，第一節(jié)排氣管模態(tài)應(yīng)不小于100 Hz。

2 排氣系統(tǒng)模型建立

2.1 建立幾何模型

利用CATIA建立排氣系統(tǒng)幾何模型，模型根據(jù)有限元計(jì)算要求包含發(fā)動(dòng)機(jī)端排氣歧管、增壓器、發(fā)動(dòng)機(jī)自帶排氣管等，排氣系統(tǒng)排氣管總成（一）、排氣管固定支架、撓性軟管、排氣管總成（二）、后處理器等，忽略其中對(duì)計(jì)算影響較小的附件，如隔熱罩、排氣管包裹層等。簡(jiǎn)化計(jì)算模型的同時(shí)，需要能夠反映真實(shí)零部件特征，尤其需要能夠反映重點(diǎn)關(guān)注零部件的結(jié)構(gòu)特征及受力特征，如圖1所示。

圖1 排氣系統(tǒng)模型

2.2 建立有限元模型及計(jì)算分析

有限元分析采用的前處理工具Hypermesh，求解器Opti- Struct，后處理器HyperView。建立有限元分析模型：采用簡(jiǎn)化模型計(jì)算，模型前端體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器部分及排氣歧管，后端體現(xiàn)SCR箱體，箱體要求外殼完整，內(nèi)部進(jìn)行配重；將波紋管簡(jiǎn)化為cbush單元并配重，卡箍采用一階殼單元并與排氣管做tie接觸處理，如圖2所示。

圖2 排氣系統(tǒng)有限元分析模型

分析工況：約束排氣歧管固定端、增壓器壓氣機(jī)端、支架連接處、SCR箱體連接端123456自由度，模態(tài)計(jì)算范圍要求涵蓋熱端第一節(jié)排氣管的一階模態(tài)結(jié)果。

通過(guò)有限元分析，得出第一節(jié)排氣管一階模態(tài)為106 Hz，排氣管振幅方向主要表現(xiàn)為Y向振動(dòng)，如圖3所示。在進(jìn)行分析過(guò)程中，因部分材料參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用材料參數(shù)存在差異，仿真分析結(jié)果僅作為參考，為后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證及改進(jìn)提供方向指引。

圖3 排氣系統(tǒng)有限元分析結(jié)果

3 排氣管模態(tài)試驗(yàn)

對(duì)排氣系統(tǒng)第一節(jié)排氣管進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，選取測(cè)試管路為整車上安裝完整的排氣系統(tǒng)中第一節(jié)排氣管（撓性軟管前），選擇測(cè)試儀器及傳感器。

測(cè)試儀器包括：LMS SCM09數(shù)采前端、ICP三向加速度傳感器、三軸加速度傳感器、力錘（086C03）。測(cè)試點(diǎn)沿第一節(jié)排氣管長(zhǎng)度方向均布，共計(jì)5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，反映排氣管的主要輪廓，傳感器布置位置如圖4，建立測(cè)試模型如圖5所示，模型坐標(biāo)系與整車坐標(biāo)系相一致。

圖4 測(cè)試管路及傳感器布置位置

圖5 測(cè)試管路模型

排氣管為薄壁結(jié)構(gòu)管件，采用錘擊法[2]進(jìn)行測(cè)試，激勵(lì)點(diǎn)選在排氣管兩端高剛度區(qū)域，激勵(lì)方向?yàn)閄、Y、Z三個(gè)方向，5個(gè)測(cè)點(diǎn)，15個(gè)響應(yīng)，通過(guò)PolyMAX模塊對(duì)所有模態(tài)進(jìn)行歸一化處理，處理后的0～200 Hz內(nèi)的穩(wěn)態(tài)圖如圖6。通過(guò)穩(wěn)態(tài)圖識(shí)別排氣管一階模態(tài)，第一節(jié)排氣管一階模態(tài)結(jié)果及排氣管振型結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 0～200 Hz內(nèi)的穩(wěn)態(tài)圖

表2 排氣管模態(tài)頻率及振型結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可看出，第一節(jié)排氣管一階模態(tài)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行優(yōu)化。

4 支架優(yōu)化及測(cè)試

排氣系統(tǒng)中支架的剛度對(duì)系統(tǒng)及整車NVH性能有一定的影響，通過(guò)改變支架剛度，可以改變由支架固定的排氣管的模態(tài)[3]。

根據(jù)頻率計(jì)算公式：

其中：f為頻率，Hz；k為剛度，N/m；m為質(zhì)量，kg。

可知?jiǎng)偠仍酱箢l率越高，重量越小頻率越高。根據(jù)以上可知提升第一節(jié)排氣模態(tài)可通過(guò)減小第一節(jié)排氣管質(zhì)量或者 提升固定排氣管支架剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在排氣管走向及質(zhì)量均無(wú)法改變的情況下，僅可通過(guò)提升排氣管固定支架的剛度實(shí)現(xiàn)。

原支架安裝為兩點(diǎn)固定，支架厚度6 mm，優(yōu)化后支架厚度增加到8 mm，同時(shí)優(yōu)化為四點(diǎn)固定，支架增加加強(qiáng)筋提高支架本身剛度，如圖7所示。

圖7 支架優(yōu)化前后對(duì)比

對(duì)支架優(yōu)化后對(duì)第一節(jié)排氣管再進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試穩(wěn)態(tài)圖如圖8，第一節(jié)排氣管一階模態(tài)頻率及振型結(jié)果見(jiàn)表3。

圖8 支架優(yōu)化后0～200 Hz內(nèi)的穩(wěn)態(tài)圖

表3 支架優(yōu)化后排氣管模態(tài)頻率及振型結(jié)果

對(duì)排氣管固定支架優(yōu)化后第一節(jié)排氣管模態(tài)測(cè)試結(jié)果為106 Hz，滿足大于100 Hz要求。

5 結(jié)論

排氣管模態(tài)提升有助于提升排氣系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣端可靠性，通過(guò)有限元分析結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試等方法可在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段提升相關(guān)零部件的性能。在有限元分析無(wú)法得出較為準(zhǔn)確結(jié)論時(shí)，可將有限元分析結(jié)果作為參考，提供優(yōu)化提升方向，為后續(xù)試驗(yàn)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)上述方法可為零部件設(shè)計(jì)提供一種方法參考，同時(shí)可為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)積累。