汽车排气系统振动疲劳特性分析

汽车科技，ＡＵＴＯ　ＳＣｌ—ＴＥＣＨ　２０１４年第４期　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００５－２５５０．２０１４．０４．０１１　收稿日期：２０１３—０９—２０　排气系统振动噪声特性分析及改进　陈秀，郑凡，孙伟卿，王晓宏，冯荣君　（东风汽车股份有限公司商品研发院，武汉４３００５７）　摘要：某微型客车在８００—１　９００　ｒｐｍ有明显的“嘟嘟”声及排气噪声偏大。本文采用仿　真和试验相结合的方式，分析排气系统的振动、背压、消声器传递损失、尾管噪声、插入损　失和功率损失特性。分析结果表明排气尾管发生共振，放大发动机高次谐波分量，是引起本排　气噪声问题的主要原因。通过多方案分析比较，确定一合理优化方案，其排气噪声降低１—５　ｄＢ（Ａ），主驾驶员右耳噪声降低０．５—２．５　ｄＢ（Ａ），满足功率损失比、插入损失和背压差标准　要求，　“嘟嘟”声明显减弱，声品质提高。　关键词：排气系统；振动；尾管噪声；传递损失；插入损失；功率损失　中图分类号：Ｕ４６１．４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５—２５５０（２０１４）０４—００５５—０６　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚｅ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＣＨＥＮ　Ｘｉｕ，ＺＨＥＮＧ　Ｆａｎ，ＳＵＮ　Ｗｅｉ－ｑｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｈｏｎｇ，ＦＥＮＧ　Ｒｏｎｇｑｕｎ　（Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｒ＆Ｄ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄｏｎｇ　Ｆｅｎｇ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　４３００５７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｔｏｏｔ　ｎｏｉｓｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　８００　ｒｐｍ　ａｎｄ　１　９００　ｒｐｍ，ａｌｓｏ，ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｎｏｉｓｅ　ｉｓ　ｔｏｏ　ｈｉｇｈ　ｔｏ　ａｃｃｅｐｔ．Ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ａｐｐｒｏａｃｈ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｍｕｆｆｌｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｏｓｓ，ｔａｉｌｐｉｐｅ　ｎｏｉｓｅ，ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ　ｆｏｒ　ｏｎｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｔａｉｌｐｉｐｅ　ｈａｓ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ａｍｐｌｉｆｙ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｅｎｇｉｎｅ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏｎｅ．Ｔｈｉｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｔｈａｔ　ｃａｕｓｅｓ　ｔｏｏｔ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｎｏｉｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ．Ｏｎｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｃａｓｅ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｃａｓｅｓ，Ｗｈｏｓｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｎｏｉｓｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　１　ｔｏ　５　ｄＢ（Ａ），ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｒ　ｒｉｇｈｔ　ｅａｒ　ｒｅｄｕｃｅｄ　０．５　ｔｏ　２．６　ｄＢ（Ａ），ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｍｅｔ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ　ｒａｔｉｏ，ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｂａｃｋ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｌｓｏ，ｔｈｅ　ｔｏｏｔ　ａｔｔｉｎｕａｔｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｔａｉｌｐｉｐｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｏｓｓ；ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ；　ｐｏｗｅｒ　ｌＯＳＳ　排气噪声是汽车主要噪声源之一。随着汽车　噪声法规的不断严格和市场对汽车ＮＶＨ性能要求　的不断提高，设计出既符合法规又具有良好声品　质的排气系统，已成为产品开发过程中至关重要　的环节。排气噪声主要包括冲击噪声，辐射噪声　和尾管噪声。冲击噪声是由排气管道中不稳定的　气流对管道产生冲击而形成。辐射噪声是由排气　

第２９卷第ｌ期　振动与冲击　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＳＨＯＣＫ　

汽车排气系统吊耳动刚度优化方法的研究　

上官文斌　，黄志　，贺良勇　，段小成　

（１．华南理工大学机械与汽车工程学院，广州５１０６４１；　２．宁波拓普声学振动技术有限公司，宁波３１５８０６）　

摘　要：基于汽车排气系统吊耳传递的动态载荷最小、吊耳耐疲劳性最好，建立了考虑动力总成在内的排气系统　振动分析模型。进行了排气系统的自由模态和约束模态的测试，并和计算值进行了对比分析，证明了所建立的排气系统　振动模型的正确性。以吊耳的垂向动态载荷最小和其静变形量在一定范围内为优化目标，建立了排气系统吊耳动刚度优　化模型。优化后，在怠速工况和２档全负荷加速工况下对车身底板驾驶员位置进行了振动响应测试，测试结果表明，利用　优化后的吊耳刚度，能够有效降低车身底板的振动加速度，表明了阐述的排气系统建模和吊耳动刚度优化方法的有效性。　

文中建模与优化方法，对排气系统的吊耳动刚度计算与优化具有指导意义。　关键词：排气系统；吊耳；频率响应分析；动刚度优化　中图分类号：Ｕ２６２．４２　文献标识码：Ａ　

动力总成作为车辆的主要振动激励源之一，其激　

励（尤其是全负荷加速工况下的激励）可通过波纹管传　

递给排气系统、再由吊耳组件传递给车身引起车内振　

动。若吊耳的动刚度匹配不佳，会导致较大的车身振　

动，进而引起座椅、方向盘和车身底板的振动，造成车　

内舒适性恶化¨　。　

排气系统吊耳的动刚度是确定排气系统对汽车　

ＮＶＨ（Ｎｏｉｓｅ，Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）性能的影响因素　

之一。吊耳的动刚度不能过高，否则不利于吊耳隔振。　

同时吊耳的动刚度不可过低，过低的动刚度虽可提高　

隔振率，但会导致吊耳产生较大的静变形，对吊耳的耐　

疲劳性能具有不利影响　。在排气系统的振动计算　

与分析中，大都以控制吊耳的位移和吊耳传递的动态　

载荷作为确定吊耳动刚度的原则。目前在吊耳的动态　

第４５卷第４期应 用 科 技Ｖｏｌ．４５№．４２０１８年８月ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｕｇ．２０１８ＤＯＩ：１０．１１９９１／ｙｙｋｊ．２０１７０８００６网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１１９１．ｕ．２０１７１２１５．１３５３．００８．ｈｔｍｌ随机载荷下汽车排气系统波纹管疲劳损伤分析周诚１，洪亮１，王升２１．南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京２１００９４２．无锡新得宝金属软管有限公司，江苏无锡２１４０００摘　要：针对工程中运用到汽车尾气排放系统中的柔性连接波纹管疲劳破坏的问题，结合ＵＧ和ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ建立有限元分析模型，利用模态叠加法在Ｎａｓｔｒａｎ求解器中求得典型路谱外环坏路路谱六自由度随机载荷下的瞬态应力场，然后基于疲劳剪切试验下结构件的Ｓ⁃Ｎ曲线和ｎＣｏｄｅＤｅｓｉｇｎ⁃ｌｉｆｅ进行外环坏路路随机载荷下的疲劳损伤分析。分析及试验结果表明：文中的方法可以较准确地定位波纹管疲劳断位置，而且对疲劳损伤度的预测也较准确，验证了分析方法及Ｓ⁃Ｎ曲线的有效性，进而为工程上此类波纹管疲劳损伤计算与结构优化提供重要的参考，缩短波纹管的试验及研发周期。关键词：汽车排气系统；金属波纹管；六自由度载荷；结构阻尼；有限元分析；疲劳损伤；台架试验；Ｓ⁃Ｎ曲线中图分类号：Ｕ４６４．１３４．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－６７１Ｘ（２０１８）０４－１３７－０５ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｔｏｔｈｅｂｅｌｌｏｗｓｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｘｈａｕｓｔｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｒａｎｄｏｍｌｏａｄＺＨＯＵＣｈｅｎｇ１，ＨＯＮＧＬｉａｎｇ１，ＷＡＮＧＳｈｅｎｇ２１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４，Ｃｈｉｎａ２．ＷｕｘｉＸｉｎｄｅｂａｏＭｅｔａｌＨｏｓｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｘｉ２１４０００，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｂｅｌｌｏｗｓｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｘｈａｕｓｔｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｅｄｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇＵＧｗｉｔｈＨｙｐｅｒＭｅｓｈｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆａｔｙｐｉｃａｌｐａｔｈｓｐｅｃｔｒｕｍ⁃ｏｕｔｅｒｌｏｏｐｐａｔｈｓｐｅｃｔｒｕｍｕｎｄｅｒｔｈｅ６⁃ｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍ（ＤＯＦ）ｒａｎ⁃ｄｏｍｌｏａｄｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｏｄａｌｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅＮａｓｔｒａｎｓｏｌｖｅｒ．ＴｈｅｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｄａｍａｇｅｄｐａｔｈｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｒａｎｄｏｍｌｏａｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＳ⁃ＮｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｏｆｓｈｅａｒｉｎｇａｎｄｔｈｅｎＣｏｄｅＤｅｓｉｇｎ⁃ｌｉｆｅｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｌｏｃａｔｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｐｏｉｎｔｏｆｂｅｌｌｏｗｓ，ａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙａｃｃｕｒａｔｅ，ｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅｖａｌｉｄｉ⁃ｔｙｏｆｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅＳ⁃Ｎｃｕｒｖｅ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｆｕｒｔｈｅｒｏｆｆｅｒｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｆｅｒ⁃ｅｎｃｅｓｆｏｒｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｃａｎｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｔｅｓｔａｎｄｄｅ⁃ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅｏｆｔｈｉｓｓｅｒｉｅｓｏｆｂｅｌｌｏｗｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｘｈａｕｓｔｓｙｓｔｅｍ；ｍｅｔａｌｂｅｌｌｏｗｓ；６⁃ＤＯＦｒａｎｄｏｍｌｏａｄ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａ⁃ｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ；ｂｅｎｃｈｔｅｓｔ；Ｓ⁃Ｎｃｕｒｖｅ

AUTO TIME 89 MANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺 时代汽车

汽车空调管路系统振动疲劳分析及优化

邱泽鑫　阮先轸　郭威广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 511434

摘 要： 在汽车行驶过程中，空调管路系统可能受到来自发动机的激励而引起共振，管路局部应力过大、疲劳寿命降低，从而导致断裂。为解决空调管路断裂的问题，搭建了某车型空调管路系统的有限元模型。计算了管路系统在设计状态下的模态及频响应力，并结合材料的S-N曲线和PSD功率谱密度，计算该结构的振动疲劳寿命。分析结果显示，疲劳风险点与试验断裂位置一致，验证了仿真分析的有效性。进一步地，对该空调管路进行结构优化设计和仿真分析。相同工况下，优化方案的管路疲劳寿命得到明显提升，从而解决了管路在实车上断裂的问题。仿真分析方法为优化设计提供了方向，缩短了项目开发周期。关键词：空调管路；模态；频响分析；振动疲劳；优化设计

随着汽车技术的不断发展，汽车空调的功能也不断发展完善。目前，汽车空调承载着给车内乘员舱制冷、供暖、除霜除雾等多种功能，是现代汽车必不可少的重要系统。空调管路作为汽车空调的必要组成部分，也是空调系统容易出问题的部件，其可靠性很大程度上决定了空调功能的正常发挥[1]。空调管路主要布置在前机舱，而前机舱由于需要布置发动机等关键系统和零部件，空间十分有限，给空调管路的布置提出了难题。一方面，空调管路需要在有限的空间内，固定在车身上，并且避免与其他零部件干涉，需要设计成弯角较多的形状；另一方面，由于空调管路较长，在汽车行驶过程中，管路受到路面、发动机传递而来的周期振动激励，往往会导致弯角处应力过大，造成疲劳损伤，严重时可能导致管路断裂。某车型在路试结束后，空调高压管路发生了断裂，如图1所示。经第三方检测公司检测评估，鉴定该管路断裂为振动疲劳断裂。疲劳是指在周期应力的作用下，结构局部萌生裂纹并扩展，造成累计损伤破坏的结果[2]。目前，国内外学者对管路的性能展开了研究，文献[3]通过仿真和试验结合的手段研究了结构阻尼对空调管路模态的影响；文献[4]通过能量法、频率响应等方法研究预测了管结构断裂的位置、频率激励对管状结构开裂的影响，提出了仿真分析的可行性；文献[5]利用有限元分析方法分别分析了汽车高压共轨管路和天然气存储器的疲劳分析，得到部件的最小寿命。文献[6-7]利用有限元分析方法分析了家用空调管路系统的结构性能，获取了管路模态、疲劳寿命等信息，并进行了优化。