轿车排气系统振动特性仿真及优化研究

轿车排气系统振动特性仿真及优化研究

乔锋华 ,王伟 ,白秋丽

浙江达峰汽车技术有限公司 313100

摘要：作为现代轿车结构中的重要组成部分，排气系统能够净化尾气并降低噪音，其运行状态将会对车辆的振动、噪声以及尾气净化等性能标准产生影响。因此为了分析轿车排气系统的振动特性，建立了有限元仿真模型，实施自由数值模态分析，并对模型精度结果进行验证。存在着静载荷分布不均的问题，且橡胶吊耳在对动态力进行传递时不够均匀。基于此，提出了排气系统振动性能优化设计方法，最终促使轿车排气系统实现了良好的性能表现。

关键词：排气系统；振动特性；性能优化

引言：轿车在NVH问题与排气系统振动特性有较大关，因此控制排气系统振动则成为了轿车研发中最为重要的内容之一。排气系统通过挂钩向车辆底盘传递能量，再借助于滑轨向乘客所乘坐的座椅进行传递，对座椅舒适度产生影响，并且在排气系统上会受到路面激励与车架激励的反馈，对内燃机同样会产生影响，造成振动。因此，优化排气系统振动性能，则能够全面提高汽车NVH性能，促使轿车呈现出更加良好的应用表现。

1 排气系统有限元仿真模型

在一般的轿车结构中，排气系统包括了排气管、前后消声器以及三元催化器结构。轿车排气系统的总重量大约控制在22kg以内，国内现阶段的汽车零部件制造商对排气系统进行设计时的长宽高分别设定为4195.4mm、667.6mm、296.9mm。根据笔者以往在吉利汽车以及华晨汽车等企业中，为其生产制造的配套车型尾气净化器产品的工作经验对轿车排气系统进行研究，根据CAD软件为汽车排气系统绘制了三维模型，如图1所示。

作为典型的微分方程求解计算方式，有限元仿真分析法具有广泛应用范围，基于其成熟的理论，具有明确物理含义。本文选取现阶段最为广泛应用到的有限元仿真处理软件，结合汽车排气系统三维CAD建模进行直接分析。通过网格划分模型，将会对有限元仿真模型的最终计算精确值产生直接影响。为确保在仿真模型中合理划分网格，需要兼顾网格多重属性，包括网格紧密数量以及模拟单元的递进阶梯次数等。

图1 轿车排气系统的CAD三维模型

1.1法兰盘与排气挂钩

选择十毫米厚度的连接法兰，并且每一法兰盘之间选择M12标准参数的螺栓进行连接，确保对螺栓连接时采取REB2刚性单元对其进行划分。由于考虑到排气系统本身在轿车结构内部处于密封状态，因此同时需要考虑到法兰盘对接时的接头垫片。一般情况下，难以获得较为详细的法兰垫片参数，并且根据相关研究表明，法兰垫片只有保持在高频段特征时才能够有效发挥其阻尼特性。因此，对法兰盘进行处理时，一般情况下可采用刚性连接方式。

考虑到法兰盘结构其实体特性，表现为刚性，因此划分法兰盘实体时，可以选择SOLID45单元。并且，与此同时，也可以应用该单元对挂钩实体结构做出划分处理。在轿车排气系统中，消声器壳体或是排气管与排气系统挂钩进行连接时，一般情况下选择为焊接方式，并且使用实心金属直径为12cm的金属杆作为挂钩结构，对挂钩与两者的连接方式进行模拟，则可以选择焊接连接方式。并应用REB2单元连接处理挂钩与支架结构。如图2表示为法兰有限元仿真模型以及挂钩有限元仿真模型。

图2 法兰以及挂钩有限元仿真模型

1.2三元催化器

为汽车排气系统的三元催化器结构进行仿真建模，考虑到其本身作为简单的内外套筒结构，绝大部分三元催化器使用不锈钢材质作为圆柱形壳体，在外部进行包裹隔离，而内部则一般情况下为催化剂触媒。因此，对轿车排气系统所产生的振动特性进行研究时，应分析三元催化剂的内部催化转换物质，如分析结果并不产生影响，因此，在建模时则可以不考虑三元催化器的内部结构组成部分，关注于其外部不锈钢圆柱壳体的形状以及质量参数进行建模即可[1]。因此，本文在对三元催化器进行仿真建模时，对其壳体结构进行划分使用到壳单元，并考虑本文中所涉及到的轿车排气系统中，三元催化器的总体重量仅为0.9kg对质量进行加载时，壳体上使用CONM2单元作为节点，对三元催化器的重量进行模拟。

1.3排气管与消声器

由于与三元催化器结构较为相似，轿车排气系统结构中的消声器在建模时均不考虑内部结构组成部分。已知当前排气系统结构中所使用到的消声器为双层不锈钢壳体，结构划分网格时，可以简化壳体，将其视为厚度等效的单层结构进行仿真模拟。并且，消声器结构具有显著的气体密闭性，模拟消声器排气管与端盖连接时，需要使用到SHELL单元共节点。消声器结构在隔离板与穿孔管的作用下，体现出内部密闭性，因此，使用2EB3单元对其二者之间的连接进行处理。并且在划分时将穿孔板视为整体进行全密闭划分处理。而仿真模拟排气管模型时，相对较为简单，仅需要将其转化为SOLID45实体单元。

1.4波纹管与橡胶吊耳

在轿车排气系统结构振动特性仿真模拟分析后期中需要进行优化的主要设计变量，为波纹管以及橡胶吊耳其所具有的刚度表现。因此，在整体仿真建模过程中，需要重点考虑到波纹管以及橡胶吊耳的有限元模型问题。一般情况下的轿车结构包括发动机以及发动机横置等所形成的动力总成，其属于东西方向布置效果，因此所具有的配套排气系统结构需要借助于波纹管进一步降低发动机运行时所产生的振动。由于在汽车运行过程当中内部产生高温气体，受热膨胀将会促使轴向长度产生变动，这样的问题同样可以通过波纹管对排气系统进行补偿。

一般情况下，多使用不锈钢材料作为波纹管的主要原材料，因此在仿真建模时需要对波纹管进行简化，确保仿真计算精确度提高，则需要向弹簧阻尼单元进行转换。排气系统具有承担重量并隔离振动等作用，而实现这一有效功能，则需要借助于橡胶吊耳零部件实现。在轿车排气系统中使用到的橡胶吊耳分为两种类型，一种则是包括金属内衬在内的橡胶吊耳，而另一种则是无金属内衬的类型。金属内衬的存在决定了橡胶吊耳的刚度特性，一般情况下，橡胶吊耳具有金属内衬时呈现出更为良好的刚度表现，因此在大型轿车中使用到的橡胶吊耳均具有金属内衬[2]。探索小型轿车的排气系统结构，本文在仿真建模时选择无金属内衬的橡胶吊耳。橡胶吊耳形状各异，大多数情况下为橡胶外圈、中间梁以及销孔结构组成。本文进行建模的橡胶吊耳两边各有一个小孔，负责与挂钩前端进行连接。橡胶外圈的主要作用为支撑功能，通过中间横轴确保橡胶吊耳刚度有所增加。

1.5发动机与悬置

轿车排气系统需要依靠动力总成作为主要激励源，通过耦合排气系统，从而促使动力总成在运行中借助于法兰将振动向排气系统进行传递，因此，对汽车排气系统振动特性进行仿真建模时，需要考虑到发动机以及悬置模型的构建。无需考虑悬置扭转振动，仅需要以弹簧阻尼单元设置为发动机悬置，通过与质量点连接，促使发动机悬置一侧与汽车总体结构纵梁进行连接从而起到良好的固定约束作用。实际中，通过将发动机作为整体性刚性结构，可以将发动机看作刚性质量点，给予质心坐标，并促使其具有相应的质量表现，包括转动惯性以及惯性机等参数。通过质量单元确保发动机刚性点实现与悬置的良好连接。

2 排气系统动力学分析

2.1静力学分析

受到排气系统自重的静力载荷作用，需要确保均匀分布，静力载荷，否则将会导致某处结构出现静力载荷偏大问题，导致吊耳断裂可能性增加，影响吊耳使用寿命。由于依靠橡胶吊耳促使排气系统与轿车底盘相互连接，在悬挂过程中受到橡胶材料的性质限制，促使最大载荷具有上限。需要核检橡胶吊耳静态力做好预载力分析。通过在前端法兰结构位置连接约束排气系统以及进气管，并约束处理吊挂底盘连接位置，获得了有关橡胶吊耳的悬挂静载荷参数。

五个点位的静载荷分别为45.9、57.1、60.3、26.3以及28.9N（如图3）。通过这样的相关参数进行研究分析发现，排气系统结构本身存在着不均匀的静载负荷问题，在第二、三点位的橡胶吊耳结构位置呈现出较大的质量载荷情况。已知现阶段橡胶吊耳具有19.5N/mm的垂直刚度表现。并且三号点位的橡胶吊耳已超过3mm的静位移表现难以达到排气系统结构振动特性要求下的设计标准，因此需要优化橡胶吊耳。产生这一问题的主要原因则是由于三号点位吊耳结构位置与主消声器二者之间的距离相对较近，由于主消声器内部无法形成轴对称的结构促使重力偏移向三号吊耳增加了静位移[3]。

图3 各吊耳点位自重静载荷

2.2响应率分析

若排气系统结构出现剧烈振动时，将会对排气系统造成一定影响，促使其发生损坏，并且除此之外，若出现过大的吊耳传递力，则会影响乘客舒适度，降低整体车辆性能。针对于这样的问题，需要进一步分析频率响应。频率响应，其本质上则是指正弦载荷表现的实际激励，至于这样的载荷，能够对排气系统的位移速度以及加速度等响应情况进行分析。借助于频率响应，能够了解到现阶段排气系统在运行中是否产生共振，或是是否达到设计标准等。基于外部激励产生的振动问题，除了关联系统本身之外，同时也会在外部激励的变化之下，对振动响应产生改变。

最为常见的激励类型就是简谐激励方式。通过对简谐激励进行分析，建立傅立叶变换对激励载荷以周期性变化为单位进行分析，从而获取不同频率激励叠加下的总和，根据线性叠加原理，获取激励总响应，从而掌握相应的频率响应。完成动力学建模之后，导入载荷信息以及边界设置条件进行计算，了解五个点位的橡胶吊耳动态反力。发现处于20Hz的低频段时，吊耳出现超过10N以上的动态反力，并且最大动态返利值能够达到51.25N。这一频段则是发动机逐渐减速的动态过程，呈现出明显偏大的传递力，并且出现吊耳差值较大的情况。

2.3模态分析

通过上述静力学的分析，此时排气系统振动模态的求解方程为

在该公式当中，[K]表示为刚度矩阵；{Φi}则表示为第i阶模态振型向量；ωi2表示的是第i阶模态的固有频率；[M]为质量矩阵。通过BF方法对排气系统各个不同阶段的模态值进行提取，随后对该数值模态进行分析验证，其准确性则需要完成自由模态实验以及现场排气系统支架等自由系统的模态试验。同样选择排气系统设计时，最为关注的3～135Hz频率段进行数值与实验模态，这是由于这一频率段则是发动机带负载的最高转速所形成的激励频率，因此，两种不同模态的实际分析结果如表1所示。

表1 排气系统数值模态以及实验模态参数对比

则为了进一步对排气系统的数值仿真模态以及实验模态结果吻合程度进行说明，可参考图4与图5的第12阶与第15阶模态振型进行对比。

图4 第12阶自由模态振型

图5 第15阶自由模态振型

3 排气系统振动性能优化

3.1吊挂点位优化设计

优化吊挂点位置是排气系统优化控制中最为有效的方式之一，通过在排气系统节点上设置悬挂点，能够避免排气系统向车身传递振动。基于各阶模态下统一排气系统点位，取归一化模态特征下的向量和，以此方法获得模态阵型分析悬挂点位置。建立坐标系X轴方向为车前到车后，Y轴方向表示为驾驶员到副驾驶乘客，Z表示为从下至上。基于排气系统表面结构向X轴方向依次递进，选取输出点序列，通过序列点间隔为100mm的位移提取Z向量特征下的分量。通过Z向量特征的平方，除以这一阶模态的最大值实现归一化。依次递进将输出点序列由小到大进行排列作为横坐标，并向MATLAB软件进行导入，获得相应图像。所获得到的Z向量特征平方点参数绘制曲线则波谷位置附近表示为优化设计后的排气系统悬挂点位置。通过实际研究则优化后，分别在波纹管后的排气管上负消声器前后两侧以及主消声器的后侧两边悬挂挂钩[4]。

3.2橡胶吊耳优化设计

排气系统的作用包括为发动机排气以及处理有害废气同时，也能够有效降低噪声与振动。与车体结构相互连接的排气吊耳作用为对排气系统进行悬挂，对排气系统跳动进行约束，避免影响周围结构运行。其次，实现减振作用，避免向车体传递过大振动。但是在实际中，吊耳结构由于其材料特性问题，缺乏强制限位，若出现过大的系统振动时，难以强制约束整体排气系统，导致干涉底盘与车身结构。并且橡胶吊耳材质容易老化，存在一定的脱落危险，难以延伸过长，尽管可以选择刚度，但是却存在较小的区间局限性。

对吊耳进行优化设计，使用金属框架进行创新优化，确保吊耳具有良好的支撑以及限位作用，并且基于柔性件表现促使吊耳能够局限于金属框架内跳动，避免干涉排气系统与底盘。若出现柔性件损坏问题，也同时可以在金属框架的作用下，避免掉落挂钩，提高安全性。并且，借助于金属框架代替以往的吊挂结构，不断扩大柔性件刚度范围，借助于这样的全新吊耳结构，能够避免载荷偏移，确保传递率相对较高，能够控制振动问题。

表2 优化后前后结果对比

结束语：轿车排气系统结构振动特性是影响汽车整体性能以及舒适度的关键所在，因此需要对排气系统的振动特性进行研究，通过建立有限元仿真模型，了解现阶段排气系统所存在的缺陷，并提出相应的优化设计，包括吊耳优化设计以及吊挂点位优化等，确保最终排气系统具有良好的抗振特性，延长使用寿命，促使轿车整体性能得到优化。

参考文献：

[1]舒爱梅. 温度场分布下汽车排气系统振动疲劳寿命分析[D].南京航空航天大学,2019.

[2]李明瑞. 乘用车排气系统振动传递分析及优化设计[D].上海交通大学,2018.

[3]方彦奎. 某轿车排气系统结构性能分析与试验方法研究[D].华南理工大学,2017.

[4]董志新. 某轿车排气系统结构性能与优化方法研究[D].华南理工大学,2014.