汽车排气系统悬挂点位置的研究

汽车排气系统悬挂点位置的研究摘要：汽车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，减小汽车排气系统吊耳悬挂点位置对整车NVH性能的影响。通过阅读文献资料对排气系统悬挂点位置的选择做了总结。关键词：排气系统悬挂点位置NVH性能0引言：随着社会的发展和技术的进步，人们对现代汽车的要求越来越高。结构紧凑、宽敞舒适、NVH性能良好的汽车受到普遍欢迎。汽车排气系统作为汽车乘坐舒适性的主要影响因素之一，其振动问题在学术界得到了广泛的重视。汽车排气系统一般通过法兰和吊耳分别与发动机排气歧管以及车身地板相连。由于受到发动机本身振动和排气激励的影响，排气管振动相对较大。同时车内噪声也是人们关注的一个问题。笔者主要研究通过合理布置排气系统来提高汽车NVH性能。1排气系统对汽车振动的影响车辆运行时，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。2排气系统对车内噪声的影响排气系统一般是指从发动机排气歧管到排气尾管各个部件的集成，通过若干吊耳安装在车身上。整个系统可认为是质量分布不均匀的变截面管状杆件，其振动模态较复杂．排气系统的噪声源一般包括周期性噪声、冲击噪声、辐射噪声和气流摩擦噪声等，这些噪声必然通过空气和结构向车内传播。排气系统各个悬挂点是排气系统和车身的唯一连接点，也是噪声重要的结构传播途径。另外，排气系统一般通过法兰和吊耳分别与发动机排气歧管以及车身地板相连。由于受发动机本身振动和排气激励的影响，振动相对较大，并通过悬挂点传给车身，引起较大的车内噪声。因此，排气系统对车内噪声的影响应考虑两方面：一是噪声经悬挂点传播引起的车内噪声。二是振动经悬挂点传给车身引起的车内噪声。3排气系统有限元模型如图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。3.1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，动力总成简化成刚性体处理，质心位置赋予质量参数呤J。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。3.2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。3.3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HJ。同时采用刚性连接单元使薄壁管单元两端的节点与两边主管上的节点耦合。3.4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。3.5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。4排气系统的布置王春慧通过对排气系统进行模态分析研究出排气系统对汽车NVH的影响及原因，同时还论证出解决办法并进行了试验验证；王继先等通过模态分析计算出排气系统的固有频率并根据模态振型节点确定悬挂点位置；张家玺等将平均驱动自由度位移用于汽车排气悬挂点布置，选择平均驱动自由度位移较小点作为悬挂点；廖芳等通过研究振动传递函数的基本原理，结合排气系统悬挂点位置布置的实际特点，提出一种基于振动传递函数法的排气系统悬挂点位置布置方法等。各位研究人员都通过自己的方法对排气系统的布置做了自己的研究，也通过试验证实排气系统的布置是对汽车的NVH有直接影响的，也通过自己的方法找出了解决办法。不论是通过哪种方法，都是通过在排气系统上选点然后通过基于平均驱动自由度位移的方法，选择可以降低汽车NVH的点作为悬挂点。对选择位置点的评判有平均驱动自由度位移的方法，选择最小位移点作为最佳布置点；通过振动传递函数，由发动机激励，动力总成与排气系统的模态参与因子和模态振型共同确定悬挂点位置．比较优化方案与初始方案的实车验证数据证明基于振动传递函数的排气悬挂点位置布置方法能用于悬挂点位置设计中；基于平均驱动自由度位移(ADDOFD)理论。同时考虑车身侧与排气系统侧的NVH性能．以及各阶模态频率的不同权值的影响，对莱车型排气系统吊点位．If-进行优化布置．井对布置吊点后的排气系统做声学稳健性分析。在选择了最佳的排气系统布置点后进行试验，发现汽车的振动小了，同时车内噪声减小了。5结束语：本文笔者通过阅读其他笔者写的论文对排气系统的布置优化问题进行了探讨，旨在通过总结不同笔者的研究成果给读者一个直观的认识，通过本文对排气系统布置优化的重要性有一个认识，同时对后续研究者的研究提供帮助。希望可以基于本文提出更加有效快捷的方法实现排气系统布置的优化并能够指导实践。参考文献：〖1〗刘志恩，田静，颜伏伍，侯献军，李金龙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，2010,32（6）。〖2〗廖芳，高卫民，顾彦，王承，基于振动传递函数的排气系统悬挂点位置优化。同济大学学报(自然科学版)，2012,40（6）。〖3〗张家玺，王远，潘震，谷叶水·基于MSC．Nastran的排气系统悬挂点布置分析。合肥工业大学学报(自然科学版)，2009,32（12）〖4〗王春慧排气系统悬挂引发汽车NVH问题研究。上海海马汽车研发有限公司。〖5〗宁慧铭包键陈国栋雷飞“基于NVH性能的排气系统悬挂点位置设计。世界科技研究与发展，2011，33（4）,581-583。