汽车排气系统模态分析及悬挂点布置优化

　1 前言

    　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底板相连。车辆行驶过程中，排气系统的振动激励主要来自3个方面：发动机的振动激励、由车身传递的路面激励及排气激励，各种激励通过橡胶悬挂传递到车身底板引起振动。本文主要从发动机激励引起的排气系统对车身的振动影响的角度分析，不考虑路面激励和排气激励。发动机经由排气系统传递到车身底板的振动，严重影响整车平顺性能，将导致乘员室的振动和噪声问题，如何有效降低这一振动是排气系统悬挂点布置关注的重点。对汽车排气系统振动问题的早期研究方法是试验法，即通过试验进行排气系统与整车平顺性的匹配，这种方法费时、费力、成本高。本文利用排气系统的三维CAD模型和质量分布情况，借助于有限元分析软件对汽车排气系统进行振动仿真及模态分析，通过选择合理的悬挂位置有效降低排气系统向车身的振动传递，并由后续有限元分析对排气系统悬挂点布置进行验证。

  　  2 分析模型

 　   本文分析的排气系统由后催化器(前催化器己与发动机连接，不在此分析内)、前后消声器以及管道和法兰盘等组成，系统模型如图1所示。本文利用此排气系统三维CAD模型，在充分考虑各单元质量分布情况的基础上，采用ANSYS软件建立有限元模型。对薄壁管型结构，采用壳单元进行模拟可以合适的计算规模获得较好的精度，而连接法兰盘，则采用实体单元模拟更为精确。为保证有限元模型的正确性，各零部件间的连接采用节点耦合的方法进行处理。模型参数如下：前后消声器壁厚为1mm，管道壁厚1.5mm，材料的弹性模量E=2.0E+0.5MPa，泊松比μ=0.28，密度为ρ=7.8E03Kg/m³。

    图1 排气系统模型

　3 计算结果及其分析

    　根据模态分析理论及平均驱动自由度位移法，作者合理安排分析步骤，形成了一套有效的排气系统悬挂点布置问题解决方法。

    　3.1 自由模态计算

   　 排气系统应首先进行系统的自由模态分析，即不考虑排气系统的吊挂件和支撑以及排气歧管约束对排气系统振动的影响。自由模态分析的主要是求解排气系统的固有振动属性，初步掌握系统固有频率及其振型等模态参数，为后续的分析确定大致的分析范围，为整车平顺性匹配提供依据。本次分析采用ANSYS中的Block Lanczos法进行模态分析。模态分析结果如表1所示。

    表1 三种模态分析工况下的频率值

   　 表1列出了排气系统对应阶次的系统固有频率。由分析结果可见：一至三阶的固有频率较小，这是因为排气系统是刚性体，一至三阶频率可认为是系统离散刚体的固有频率。由于发动机激励频率范围为20～200Hz，因此在进行排气系统设计时，应重点考虑在此激励频率附近的频率所对应的振型即可。

   　 3.2 确定排气系统吊耳位置的布置

   　 汽车排气系统的动力学分析一般仅考虑其冷端，即后端。根据对多款成熟车型排气系统的观察研究可知，排气系统吊耳悬挂点就在冷端除去尾管的这一范围内。在有限元模型的基础上，从排气系统前端法兰开始沿着排气系统的走向选择可能的吊耳悬挂点，并将这些点依次编号，将这些点的位移在结果文件中输出。

    图2 布点位置

   　 在排气系统中设置如图2所示共58个参考节点（包含尾管上的两点），然后对其位移向量加权累加。因考虑到与发动机连接的前催化器（模型中没有给出）的重量及汽车结构，需在此排气系统的前端靠近法兰处布置一固定点。提取这些潜在的吊耳悬挂点的位移响应，进行加权累加，可以看出模型前端3号点在自由模态情况下位移加权较小，故选3号点作为焊接固定点。然后对分析模型中的3号点位置进行约束（与发动机相连法兰视为振源，为谐响应分析激励，不应进行约束），进行部分约束模态分析。该分析频率结果如表1所示。对部分约束模态的各个模态的位移响应进行加和，考虑到发动机的频率，这里只对4-15阶的模态位移响应进行加权累加。将结果绘制成一条曲线，横坐标为排气系统吊耳潜在位置的编号，纵坐标为位移向量的加权累加，曲线如图3。

    图3 部分约束模式态加权位移

    　根据平均驱动自由度位移(ADDOFD)法的理论，排气系统吊耳悬挂点的位置应该由ADDOFD的值最小的那些节点给出。也就是说排气系统吊耳悬挂点应该是在图3曲线波谷或接近波谷的那些点，尽量避免选择那些位于波峰的点。结合排气系统的结构及车身布置，考虑到系统的自身重量，在第11点布置一个悬挂点，在第23点布置一个悬挂点，在第52点布置一个悬挂点，在第53点布置一个悬挂点。悬挂点布置位置如图4所示。

    图4 悬挂点布置位置

   　 3.3 约束模态分析

    　为了得到约束情况下排气系统的振动情况，利用弹性单元对吊耳进行仿真，约束如图4所示悬挂点所连接仿真弹性单元的固定端，计算约束模态频率。吊耳在X、Y、Z三个方向的动态弹性系数分别为：6.7N/mm，3.4N/mm，18N/mm。约束模态下，得到的模态频率如表1所示。由全约束模态可以看出，系统的前几阶模态避开了发动机的震动频率，吊耳位置、约束情况良好。系统一典型模态（12阶模态）如图5所示。

    图5 排气系统第12阶段模态

   　 3.4 静力平衡分析

   　 不考虑与发动机的连接，进行排气系统的静力分析，主要计算排气系统在自身重力情况下悬挂点的支承力。通过静力分析，可以得到四个悬挂点的支承力，如表2所示。从静力结果可以看出，各个悬挂点的支承受力分布较均，载荷分配较为合理。

    表2 悬挂点支撑力

  　  3.5 谐响应分析

   　 谐响应分析是用于确定结构在已知频率的正弦（简谐）载荷作用下结构响应的技术。本文主要从发动机激励引起的排气系统对车身的振动影响的角度分析，不考虑路面激励和排气激励。排气系统的吊钩与车身底板的吊钩中间用橡胶悬挂连接，橡胶悬挂的软硬度及结构设计是保证隔振效果的，这样可以有效地把排气系统的主要振动频率隔绝开来。本次谐响应分析采用完全法（Full Method）进行分析。

   　 发动机激励频率范围为20-220Hz，只需求解在该频段的激励对应的谐响应结果即可。对四个悬挂点的200个谐响应节数进行谐响应分析。取结构的总阻尼比为1.2%，查看系统在连接法兰受发动机激励谐波加载情况下，悬挂点的位移响应。各个悬挂点的位移响应如图6所示。

    图6 各悬挂点响应位移

   　 从图中可以看出，悬挂点4在频率为196Hz附近的谐波加载下响应振幅最大，但是仍在许可范围内。通过频率响应反映的信息，可以适当调节橡胶软垫的刚度和阻尼特性进行隔振。

    　从以上分析结果可以看出，排气系统悬挂点的选择是合理可行的，可有效地降低排气系统对汽车底盘的振动传递。

　4 结束语

    　本文运用有限元软件ANSYS对某汽车排气系统进行振动仿真分析。仿真研究结果表明，利用已有的三维CAD模型和质量分布情况，运用ANSYS软件对汽车排气系统进行振动仿真分析方法可行，可得到系统固有频率及振型等相关信息；运用平均驱动自由度位移法可以在整车开发前期对汽车排气系统吊耳悬挂点的布置位置进行预测，根据ADDOFD法曲线，选择ADDOFD值较小的点作为吊耳的悬挂点位置。然后对排气系统进行静平衡分析和谐响应分析，验证悬挂点布置位置的可行性。本文的研究方法可推广到其它新车型开发前期的排气系统吊耳悬挂点位置的设计中，这样就可以有效地加快设计过程，减少汽车排气系统的试制与试验费用，对降低整车开发成本有重要意义。

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