排气系统的试验研究

刘兴恕，张伯俊，高海珍

（1.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

排气系统的试验研究

刘兴恕1，张伯俊1，高海珍2

（1.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

随着汽车工业的迅速发展，人们对于汽车的振动噪声控制的要求越来越严格。据有关资料表明，汽车噪声严重地污染着城市环境，影响着人们的生活、工作和健康。如今，NVH(Noise噪音、Vibration振动、Harshness声振粗糙度)的抑制已成为汽车研发与生产的重点概念。文章通过对某轿车在怠速工况下进行基本性能测试，找到了排气系统是该试验车的最主要振动噪声源之一；然后，对排气系统进行了试验，验证了车内振动噪声的来源；最后，通过汽车CAE技术，使排气系统吊钩位置得到改进，实现排气系统NVH性能优化，从而有效地降低了车内的振动噪声。

振动噪声；排气系统；CAE

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.034

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-102-04

引言

汽车噪声与振动是一门非常复杂的学科，涉及很多方面。在汽车产品开发过程中，噪声与振动控制也是一门关键的技术。在汽车界，人们谈论噪声与振动时，通常采用一个词NVH，即是噪声（Noise）、振动（Vibration）和不舒适（Harshness）三个英文单词首字母的缩写[1]。作为汽车非常重要的噪声振动源-排气系统，一般是指从发动机排气多支管到排气尾管各个部件的组合，其组成包括：Y型管、催化器、柔性管、前置消声器、后置消声器、中间连接管、尾管、挂钩、挂钩隔振器等部件。本文以国产某轿车在怠速工况下的排气系统为研究对象，分别通过实验与CAE技术探讨了汽车的噪声与振动，为整车车内噪声与振动源的分析及控制提供了借鉴[2]。

1、基本性能测试

基本性能测试是在车内特定位置布置麦克风和振动传感器，由测试前端和电脑测出数据，从而了解车内基本的噪声振动特性，制定有效的目标值，为进行下一步测试提供依据[3]。

本实验采用的试验车为某国产A级三厢轿车，极具有代表性。发动机采用直列四缸四冲程横置自然吸气形式，排量为1.6L，五档手动变速器，怠速转速为750r/min。实验地点为中国汽车技术研究中心整车半消声室，实验设备为比利时LMS数据采集前端、B&K传声器和三向加速度传感器。

按照GB/T18697-2002 《声学汽车车内噪声测量方法》，本文对试验车进行了怠速工况车内振动噪声的测试[4]，车内测试点如表1所示。

表1 车内传声器与加速度传感器测试点

基本性能测试采取试验车与对标车相对比的方法，对标车为进口同等排量轿车，对标车的测试值作为试验车的目标值。表2为在怠速空调关的工况下试验车和对标车振动噪声汇总结果。

表2 测试结果

测试数据可以得出以下结论：车内前排噪声明显比后排大，而且后排左侧噪声偏大，方向盘、换挡杆和座椅导轨的振动幅度差值偏大，尤其是换挡杆的位置。

通过数据分析可以进行合理的推测：车内前排噪声较大是由于发动机噪声造成，怠速工况下发动机是最主要的噪声源，对于安装国产发动机尤为明显，并噪声通过前围传递到车内；振动级别偏大是由于底盘排气系统造成，排气系统受到发动机的激励，振动由连接在排气与底盘处的吊钩传递到车内，使得车内振动较大，从而产生噪声。

2、排气系统试验

排气模态试验是通过力锤试验得到排气系统的模态。力锤激励是对被测结构施加一定形式和大小的激振力，以迫使结构产生相应的振动。一把力锤、一个振动传感器和 LMS数据采集前端就能测得排气系统的动力特性和结构模态。将振动传感器固定在响应较大的测点处，依次用力锤敲击排气系统的其他测点，可以测试得到不同点的单点激励与多个固定测点的振动响应，经测试前端处理，可获得频响函数，并由此求出动力特性和排气模态。表3分别为力锤和排气系统的振动传感器安装[5]。

表3 力锤和排气系统的振动传感器安装

测试试验车自由状态下的排气系统模态，评价吊钩分布是否合理的影响。图1为排气系统模态测试，其结果为排气系统的二阶横向弯曲的模态频率为 25Hz。而怠速转速为750r/min，发动机的激励频率也为25Hz，会激起排气系统的共振，使车内振动噪声增大，而且排气系统的二阶弯曲是由于吊钩安排不当，需要用到CAE技术优化其吊钩位置。

3、排气系统CAE优化

排气系统进行开发中，需要对排气系统的整体模态进行

分析，进而选出模态振动较小的部位设置悬挂吊钩位置，同时也可最大程度上避免排气系统模态与整车发生共振［6］。

3.1排气系统有限元模型的建立

排气系统的参数包括材料参数、尺寸参数等，它们是进行排气系统有限元建模的前提。金属材料参数，如表4所示。

表4 排气系统金属材料特性

排气系统尺寸参数如表5所示。

表5 排气系统尺寸参数

利用Hypermesh对排气系统几何模型进行有限元处理，因为是在既有几何模型上对模型进行有限元处理，模型建立过程中尽量保证模型的原状态，对薄板件（如消声器筒体和管道等）和较厚构件（吊钩等）分别处理［7］。薄板构件采用PSHELL单元进行有限元处理，较厚构件采用PSOLID单元进行有限元处理［8］。对于薄板构件，需要定义板的厚度，可以从几何模型中量取，网格尺寸采用10mm。

在建立有限元模型时，对于对计算结果没有明显影响的构件及条件可以进行适当简化，因法兰连接处采用螺栓紧固，可以看成是刚性连接［9］。还有对主副消声器筒体、催化转化器和管体采用壳单元进行网格划分，并完成厚度和材料信息定义；法兰连接处用rbe2刚性单元连接；波纹管采用cbush单元，三向刚度分别为Kx=45N/mm，Ky=Kz=1.5N/mm。完成后的有限元模型如图2所示。

3.2排气系统模态分析

模态分析时整个排气模型有限元系统导入到 MSC. Nastran中，采用MSC.Nastran SOL103求解器，应用Lanczos算法提取其结构模态，提取200Hz以上的非零模态，分析结果见表6。

表6 排气模态分析结果

各阶模态振型如下图3所示。

3.3吊钩位置优化

选取排气系统模型，对其行200Hz以内的自由模态分析，通过选取平均驱动自由度位移值小的位置作为吊钩的悬挂位置。选点间隔为 50mm，从左至右编号为 1-55，利用 MSC Nastran计算排气系统在点火频率上限以下的所有自由模态，并将这些位置的位移进行加权叠加，再选取叠加位移较小的作为吊钩的推荐处，如图4所示[10]。

该排气系统在怠速激励范围内存在26.72Hz模态频率，主要表现为波纹管X向伸缩模态，建议减小波纹管轴向刚度来避开发动机怠速激励。吊耳位置基本布置在自由度位移值相对较小的位置，比较合理。

针对排气系统在怠速激励范围内存在 26.72Hz模态频率，主要表现为波纹管X向伸缩模态，建议减小波纹管轴向刚度由45N/mm降低到30N/mm来避开发动机怠速激励；改进吊钩位置后的计算分析前几阶模态频率分别为 16.65Hz、21.49Hz、23.00Hz、47.75Hz，完全避开了发动机怠速激励，从而使车内振动级别大大下降，并达到目标值要求。

4、结论

本文通过振动噪声性能测试，全面地了解了试验车内基本的振动噪声情况，为下一步的改进优化提供了可靠的数据保证；分析汽车怠速工况下的振动噪声源，针对本实验车型最主要的振动噪声源为排气系统；通过汽车CAE技术，即Hypermesh的网格划分和NASTRAN的有限元计算，使排气吊钩位置得到改进，实现排气系统NVH性能优化。

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Test Research on the Exhaust System

Liu Xingshu1, Zhang Bojun1, Gao Haizhen2
( 1.School of Vehicle and Transportation,Tianjin 300222; 2.Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222 )

With the rapid development of automobile industry, people are more and more strict to the requirement of the control of vehicle noise and vibration. According to the relevant data, the noise from vehicle polluted city environment seriously, affecting people's lives, work and health. Nowadays, the suppression of NVH (Noise, Vibration and Harshness) has become the key concept of research, development and production of vehicle. By testing a car’s basic performances in idling process, this article finds that the exhaust system is one of the most main vibration noise’s sources in the cabin; Then, it makes a test of the exhaust system, verifying the source of the in-car vibration noise; Finally,through a CAE technology on vehicle,it makes the position of the hook improved, achieves the optimization of the performance of the exhaust system in NVH,and reduces the vibration noise of the cabin effectively.

Vibration and noise; Exhaust system; CAE

U463.9

A

1671-7988（2015）09-102-04

刘兴恕，就读于天津职业技术师范大学汽车与交通学院，研究方向为车辆与发动机振动噪声。

国家自然科学基金（青年）项目“基于大涡模拟-化学反应动力学的汽油机超级爆震机理的研究”（项目批准号：51406135）。