汽车排气系统悬挂点布置研究

武汉理工大学学报󰀂信息与管理工程版

JOURNALOFWUT(INFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)

Vo.l32No.6

Dec.2010文献标志码:A

文章编号:1007-144X(2010)06-0950-04

汽车排气系统悬挂点布置研究

刘志恩,田󰀁静,颜伏伍,侯献军,李金龙

(武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉430070)

摘󰀁要:排气系统与发动机相连,其振动通过挂钩传递到车体上,合理布置橡胶悬挂点可以有效控制排气系统与车身振动能量的传递。采用平均驱动自由度位移(ADDOFD)方法,并根据排气系统实际安装位置,进行了排气系统悬挂位置的设计。通过对排气系统进行静力、模态和动力学分析,结果表明,采用ADDOFD方法设计的悬挂位置是合理的,能满足系统受力要求,避开发动机怠速激励频率,并保证挂钩传递到车体的力在设计限值以内。

关键词:汽车排气系统;悬挂位置;模态分析;静力分析中图分类号:U464󰀁󰀁󰀁󰀁

DOI:10.3963/.jissn.1007-144X.2010.06.024

󰀁󰀁车辆运行时,排气系统承受来自发动机的周期性动载荷,引起排气系统振动,从而影响系统结

构件以及吊挂件的疲劳寿命及可靠性。同时,周期性振动通过排气系统挂钩和橡胶悬挂传递到车体,影响车身结构的噪声振动平顺性(NVH)性能指标,因此,有必要对排气系统振动特性进行分析与优化。其中,控制传递到车身的力是排气系统振动控制中最重要的目标之一,通过对排气系统悬挂位置的合理布置可以达到这个目标。排气系统的振动源主要有4个:发动机的机械振动、发动机排气气流的冲击振动、声波激励振

[1]

动和车体的振动。从整车的乘坐舒适性来看,发动机的振动激励是影响排气系统悬挂点布置位置的主要因素。因此,合理选择悬挂点可以有效降低排气系统向车身的振动传递,提高车辆乘坐舒适度。另外,气动和声波激励频率较高、振动幅度较小,仅对系统的噪声有影响;路面激励对排气系统有较大的影响,且排气系统的纵向尺寸较大,振动在所难免。但在布置排气系统的悬挂点时,通常不考虑后3种激励的影响。笔者主要从发动机的振动激励考虑悬挂点布置,以某款发动机的排气系统为研究对象,采用有限单元法获得排气系统自由模态的频率和振型,采用平均驱动自由度位移(ADDOFD)方法来获得最佳悬挂位置,并进行振动分析中的模态分析和动力学分析。

1󰀁平均驱动自由度位移方法

假设单点激励,根据多自由度系统模态分析理论

,响应点l与激励点p之间的频响函数为:

N

󰀂lr󰀂pr

Hlp(󰀁)= (1)22r=1Mr[󰀁r-󰀁+j(2 󰀁)]rr

󰀁󰀁式中:󰀂lr为第l个测点、第r个模态振型系

[2]

统;Mr和 r分别为模态质量和模态阻尼比。

如果激励力的频率为󰀁r,则近似地有:󰀂lr󰀂pr

(2)2

r=1jMr(2 󰀁)rr

󰀁󰀁对于线性系统,位移响应的幅值和频响函数的幅值成正比,即:

󰀂lr󰀂pr

X(󰀁r)∀Hlp(󰀁r)!(3)2M(2 jr󰀁r)

󰀁󰀁进一步假设振型以质量矩阵归一化,各阶模态阻尼近似相等,则:

N

󰀂lr󰀂pr

X(󰀁)∀ (4)2r=1󰀁r

Hlp(󰀁)!

N

󰀁󰀁为预测某个自由度在一般激励情况下(在某

个频率范围所有的m个模态均被激发)位移响应的相对大小,定义第j个自由度的ADDOFD为:

2N

󰀂jr

ADDOFD(j)= 2(5)

r=1󰀁r󰀁󰀁ADDOFD(j)可以用来预测自由度在一般激

收稿日期:2010-07-13.

作者简介:刘志恩(1977-),男,湖北荆门人,武汉理工大学汽车工程学院博士.基金项目:中央高校基础科研业务经费专项资金资助项目(2010-IV-073).第32卷󰀁第6期刘志恩,等:汽车排气系统悬挂点布置研究

951

励情况下的位移响应的相对大小。在模态试验中的最佳悬挂位置由ADDOFD值的最小自由度给出。其极限情况是:如果仅要求测试1阶模态,则最佳悬挂位置是在该阶模态的节点处,因为在节点处有󰀂j=0。

2.1.4󰀁橡胶吊耳

橡胶吊耳是连接排气系统吊钩和车身底板的

柔性件,合理的吊耳刚度和硬度等参数可以大幅度隔离排气系统传递到车身的振动能量,保证车内的舒适性。考虑到橡胶特性的复杂性,橡胶吊耳处简化成弹簧和阻尼,在局部坐标中给定刚度和阻尼值。2.1.5󰀁连接法兰及挂钩

排气系统连接法兰采用壳体单元离散,挂钩采用实体单元进行离散,连接法兰和挂钩被假设与排气管连接良好,忽略焊接质量的影响。

按照上述离散方式,采用网格划分软件建立该排气系统的有限元网格模型(见图1)。在模型上加载相应的材料属性以及壳体的厚度值。在网格划分过程中,为保证其计算精度,对局部位置如挂钩和管道的结合处、管道与消声器接头处进行了网格细化,并保证网格大小合适且过渡均匀。2.2󰀁挂钩位置的确定

2󰀁排气系统挂钩位置的确定

2.1󰀁有限元模型的建立

笔者研究的排气系统结构形式如图1所示,

所建立的排气系统有限元模型中包含了动力装置系统模型、消声器、波纹管、橡胶吊耳、连接法兰和挂钩等零部件。为了研究的方便需要对模型和零件做一些简化处理。

图1󰀁排气系统有限元模型

2.1.1󰀁动力装置系统模型

由于排气系统热端与发动机连接,将其视为动力总成的一部分。动力装置建模时,动力总成简化

[3]

成刚性体处理,质心位置赋予质量参数。用3个弹簧代表动力装置的隔振器,3个刚性梁分别将质心与3个隔振器连接起来,质心与排气歧管或者排气管的开始端相连。在进行排气系统动力分析时采用了该模型,而在进行静力和模态分析时,为了使模型简化,未考虑动力装置的影响。

2.1.2󰀁消声器

采用壳体单元对消声器进行网格离散。由于消声器结构复杂,为了网格离散的方便,对其几何结构有一定的简化,即将双层壳体简化为单层但保持总厚度不变;端面凸包、隔板、穿孔管上的小孔不考虑等。

2.1.3󰀁波纹管

波纹管对隔离发动机振动传递到排气系统起着极其重要的作用。该模型采用薄壁管单元来简化,根据波纹管的实验数据定义其等效的弹性模量和密度。在简化过程中保证波纹管的长度、体积、质量、对轴线的转动惯量、轴向以及周向的弹簧比率不变,从而得到与波纹管对应的直壁薄管的参数、弹性模量、切变模量长度、内径和厚度

[4]

沿排气管轴向从波纹管到主消声器将挂钩潜

在位置依次编号,计算0~200Hz以内的所有自

[5]

由模态,并将振型中这些位置的位移值输出,

[6]

用后处理程序提取该值并将其计权累加。根据式(5),得出ADDOFD值,如图2所示。图2中横坐标为潜在悬挂点编号,纵坐标为位移矢量的加权值。根据平均驱动自由度位移理论,排气系统悬挂点应该是图中波谷或是接近波谷的那些点。图3所示即是ADDOFD结果得出的悬挂点分布。结合排气系统的结构,初步确定悬挂点,然后考虑排气管路走向和车身底板以及底盘安装空间位置是否适合做悬挂点,对初始的悬挂点进行适当调整。

图2󰀁排气系统潜在悬挂点的平均驱动

自由度位移结果

。同时采用刚性连接单元使薄壁管单元两

图3󰀁ADDOFD得出的初始悬挂位置端的节点与两边主管上的节点耦合。952

武汉理工大学学报󰀂信息与管理工程版2010年12月

排气系统振动能量主要是通过垂直面内的弯曲振动和水平面内的弯曲振动传递到车身的,正常行驶情况下,排气系统在垂直平面内振动。而在方向盘转到极限转弯时,会使排气系统左右剧烈晃动,这样很容易碰到底盘某些地方。此外,路面不平激励时,还可能引起排气系统自身的扭转

[7]

振动。综合以上因素,确定排气系统上的悬挂点位置分布,如图4所示。为避免引起排气系统扭转,前消声器前端位置1处布置两个挂钩,为便于安装,主消声器前端位置3处的悬挂点由弯折部分后移至直管部分。考虑到主消声器的重量及尾管长度较短,位置4的悬挂点位于消声器壳体上,且设置2个悬挂点。

3.2󰀁排气系统全约束模态分析

模态分析是排气系统动力计算的关键。排气系统与发动机和车体相连,因此排气系统的模态必须与发动机的激励频率和车体的模态错开,否则系统耦合在一起会产生强烈的共振。通过对排气系统的约束模态分析还可知系统的节点和反节点,从而更有效地布置挂钩位置。一般挂钩放在节点的位置,这样传递力会最小。因此,计算系统的约束模态,可以检验选定的悬挂点是否合理。表1为排气系统全约束模态频率。

表1󰀁排气系统全约束模态频率

阶数/阶123456

频率/Hz5.56.47.214.215.717.2

阶数

/阶789101112

频率/Hz21.337.145.958.561.679.6

阶数/阶131415161718

频率/Hz100.0150.0155.6179.2197.5210.1

图4󰀁排气系统悬挂点分布

󰀁󰀁根据该发动机冷机怠速及暖机怠速转速计算出对应的怠速激励频率为22~28Hz,由表1可知,该排气系统避开了发动机怠速激励频率。距发动机怠速激励频率最近的两个频率对应的振型如图7所示。从图7(a)可知,最大变形位于波纹管和排气尾管处,图7(b)中最大变形位置在主消声器的前端,它们都不在发动机激励频率范围内。

3󰀁排气系统悬挂位置验证分析

3.1󰀁排气系统静力分析

通过排气系统静力分析来预测整个排气系统在重力作用下的变形及各悬挂点的载荷分布情况,在对排气系统进行静力分析时,约束排气系统与排气歧管相接触的法兰面和悬挂与车体连接处。图5为排气系统静力分析结果界面图,可知系统最大位移位于主消后端及后端的排气管上,在标准规定的限值以内。图6为排气系统各挂钩受力分布情况,可知各个挂钩的载荷分布较均匀。

图7󰀁排气系统激励频率范围附近的振型

3.3󰀁排气系统动力分析

排气系统的橡胶悬挂是连接吊钩与车身底板

图5󰀁排气系统静力分析结果界面图

的,它的软硬及结构设计能保证隔振效果,可以有效地把排气系统的主要振动频率隔绝开来。由于排气系统结构跨度大且有波纹管的隔离,笔者主要考虑低频率段振动对系统的影响。排气系统动力分析有限元模型如图8所示,该模型的边界条件有两部分。第一部分是动力装置的隔振器,它的一端与动力装置相连,另一端固定;第二部分是挂钩的边界,挂钩隔振器一端与排气系统相连,另一端固定。这样,力从动力装置和排气系统传递图6󰀁排气系统各挂钩受力分布

第32卷󰀁第6期刘志恩,等:汽车排气系统悬挂点布置研究

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到挂钩隔振器固定点,这点的力就是传递到车身上的力。在发动机质心施加沿x方向的扭矩

[8]

,

4󰀁结论

通过建立排气系统有限元分析模型,采用ADDOFD方法以及通过实际安装进行了排气系统挂钩位置设计,并进行静力、模态及动力分析。分析结果表明,所设计的挂钩位置避开了怠速共振区且受力较均匀,变形在限值以内。根据动力分析的结果可知,传递到车身的力小于设计限值,同时也表明采用ADDOFD设计的悬挂点位置是合理有效的。笔者提出的ADDOFD方法,及调整和验证分析的排气系统悬挂点布置流程,能加快开发速度,减少试验次数并降低开发费用,对于排气系统的初期开发有着重要的指导作用。参考文献:

计算排气系统通过挂钩传递到车体上的力。图9所示为该排气系统各个挂钩上的频率响应和传递力。响应曲线显示了20~100Hz范围内的振动,最大峰值发生在22Hz左右,最大值是前消声器后端的挂钩传递力为1.38N,满足设计要求,车内不容易感受来自排气系统的振动和挂钩传递过来的结构噪声。

图8󰀁排气系统动力分析有限元模型

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图9󰀁排气系统各挂钩上的频率响应和传递力

Paper,2003(1):221-223.

HangerLocationLayoutofAutomotiveExhaustSystemLIUZhi#en,TIANJing,YANFuwu,HOUXianjun,LIJinlong

Abstract:Theexhaustsystemreceivesvibrationfromtheengineandthenthevibrationistransferredtothebodystructurethrough

hangers.Anidealhangerlocationcaneffectivelycontrolthetransferofthevibrationandenergyoftheexhaustsystemandtheve󰀁hiclebody.ThehangerlocationofautomotiveexhaustsystemwasdesignedusingthemethodofaveragedrivingDOFdisplacement(ADDOFD).Theactualspaceofchassiswasconsideredinthedesign.Theresearchresultsofthestaticanalysis,modalanalysisanddynamicanalysisindicatedthatthelocationofhangerswasreasonable.Themaximumdisplacementandtheforceofthesys󰀁temsatisfiedthedesignrequirements.Theengineexcitingfrequencyatidlingspeedandeconomicspeedkeptofffromthenaturalfrequencyofexhaustsystem.Theforcetransferredtobodyinthehangerswaslessthanthelimitedvalue.Keywords:automotiveexhaustsystem;hangerlocation;modalanalysis;staticanalysisLIUZhi#en:Doctor;SchoolofAutomotiveEngineering,WUT,Wuhan430070,China.

[编辑:王志全]