汽车排气系统吊点布置研究

【摘 要】排气系统通过法兰和吊耳与分别与发动机排气歧管及车身底板相连接，橡胶悬挂位置的合理布置能有效控制排气系统振动能量传递至车身，利用平均驱动自由度位移（ADDOFD）方法，初步确定吊点的位置，并结合排气系统及车身底板实际布置情况，进行了排气系统吊点位置的设计。模拟发动机施加振动扭矩求解吊点传递力，结果表明，通过ADDOFD方法布置的悬挂位置是合理的，能满足系统受力要求。

【关键词】排气系统；悬挂位置；动态力分析

0 引言

汽車排气系统一般通过法兰和吊耳分别与发动机排气歧管及车身底板相连接。在汽车行驶中，排气系统由于受到发动机振动和排气激励的影响会产生较大的振动，而振动能量通过橡胶吊耳和挂钩传递给车身底板，引起车身振动并产生车内噪声[1]。因此如何降低排气系统传递给车身底板的振动能量，减少车身的振动及噪声水平，是排气系统设计时需要重点关注的问题。

通过数值模型和试验模态分析来优化排气系统的结构及选定排气系统挂钩吊耳的最佳悬挂位置是现代机械设计的有效方法。

1 模态分析及自由位移法理论

1.1 模态分析理论

ADDOFD（j）可用来预测自由度在一般激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，以此对排气系统吊耳的悬挂点位置进行优化选择。

2 有限元模型搭建

进行排气系统有限元建模时，由于排气系统各单元基本为较薄的结构，故模拟时采用壳单元来划分网格。鉴于橡胶吊耳以及波纹管结构材料特性的复杂性，需要在建模过程中对这些部件进行一定简化处理[4]。综合考虑作如下简化：

1）波纹管主要起到位移补偿和减振的作用，分析中一般采用零长度的弹簧单元（Cbush）代替波纹管，在局部坐标系中赋予测试刚度值。

2）橡胶悬挂主要起到利用其阻尼来减小振动的作用，一般把橡胶悬挂看作是线性弹簧。并考虑橡胶的阻尼作用，用零长度的弹簧单元（Cbush）来模拟橡胶吊耳，其刚度设定为采用测试值；

3）法兰间的橡胶密封垫忽略，螺栓连接采用RBE2+Beam单元的方式模拟，用Cweld单元模拟焊缝连接法兰与排气管的壳网格。

4）原则是振动能量通过橡胶吊耳和挂钩传递给车身底板最小，假定整车地板为刚体。

5）由于三元催化器的刚度较大，而且三元催化结构对称，其质心就是其几何中心，因此三元催化器可以简化为通过RBE3单元连接在其质心施加CONM2集中质量单元。

6）网格划分时主要采用板壳单元，单元大小根据数模尺寸而定，一般采用4-6mm长度。网格划分完成后，需检查网格质量和单元合并情况，网格各项指标需达到通用要求。

3 排气系统吊钩位置的确定

沿排气管轴向，从连接排气歧管的热端排气管到冷端将挂钩潜在位置依次选点，点间距约为60mm，所选点数约55个。计算0～200Hz内的所有自由模态，并将振型中这些位置的位移值输出，用后处理程序提取该值并加权累加[5]。根据式（7）得出ADDOFD值（如图1）。图1上部分中横坐标代表潜在吊点的编号，纵坐标代表吊点的位移矢量的加权值。根据平均驱动自由度位移理论，取加权振型指示位移较小者作为潜在布置位置。图1下部分所示即是根据ADDOFD结果初步选取的悬挂点位置。同时需要结合车身地板、排气系统管路的布置以及底盘安装悬挂点的空间位置是否适合，适当调整初始选定的吊点位置。

4 分析验证吊点布置的合理性

排气系统所受激励主要来自于发动机运转抖动、排气气流的高频激励和路面不平整度等因素。排气系统的吊钩通过橡胶吊耳与车身底板相连，橡胶吊耳的软硬特性保证了排气系统的主要振动频率的隔振效果。由于排气系统为大跨度结构且通过波纹管的隔振，其对高频的敏感沿长度方向上较小，因此主要考虑低频段对排气系统及车身地板的影响。排气系统吊钩动态力分析的有限元模型边界定义如下：其一是动力总成悬置，它的一端与动力总成相连，另一端固定在车身或车架；其二是吊钩的约束边界，吊钩一端与排气系统相连，另一端固定在车身或车架。在发动机质心施加沿排气系统长度（X方向）的动态扭矩，分析通过挂钩，排气系统振动传递到车身上的动态支反力[6]。图2响应曲线显示了20～150Hz范围内的发动机振动，在30Hz左右出现最大峰值，最大值出现在尾管吊钩，传递力为9.8N，小于目标值10N，满足设计要求。

5 结束语

建立排气系统有限元分析模型，并进行了相应简化，采用平均驱动自由度位移法分析汽车排气管吊挂点布置的合理位置，并进行动态力分析以验证吊挂布置的合理性。分析结果表明，通过平均驱动自由度位移法选取的挂钩位置受力较均匀，传递到车身的力小于在设计限值的范围以内，同时也表明采用ADDOFD方法，对提高产品开发效率，减少费用有很大作用。

【参考文献】

[1]庞剑，湛刚，何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006：124-156.

[2]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[3]刘志恩，田静等.汽车排气系统悬挂点布置研究[J].武汉理工大学学报，2010，32（6）：950-953.

[4]刘文川，张锡文，何枫.简化有限元方法的波纹管模态分析[J].应用力学学报，2007，24（2）：289-293.

[5]田育耕，等.汽车排气系统振动模态分析及悬挂点优化[J].辽宁工程技术大学学报，2009，12.

[6]侯路，王海波，谭伟，于根稳.汽车排气系统动态响应特性及强度分析[J].东风CAE学会专栏，2012.6.

[责任编辑：朱丽娜]

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