乘用车排气系统吊钩位置优化

杨小东 李东晗 齐冬亮 赵宁

摘要：

使用模态分析和平均驱动自由度位移法，对某乘用车排气系统吊钩位置进行分析评估，提出优化方案，采用排气系统频响分析验证优化效果。优化后各吊钩振动位移和加速度明显降低，验证该排气系统吊钩位置优化方案的合理性和可行性。

关键词：

排气系统； 模态； 平均驱动自由度位移法； 频响； 吊钩； 结构优化

中图分类号： U467.48

文献标志码： B

Optimization on exhaust system hanger location of passenger car

YANG Xiaodong， LI Donghan， QI Dongliang， ZHAO Ning

（Technology Center， Wuxi Weifu Lida Catalytic Converter Co.， Ltd.， Wuxi 214177， Jiangsu， China）

Abstract：

Using the modal analysis and average driving degree of freedom method， the position of the hanger of a passenger car exhaust system is analyzed and evaluated. The optimization scheme is proposed and the optimization result is verified by frequency response analysis of the exhaust system. The vibration displacement and acceleration of each hanger are obviously reduced after the optimization. The rationality and feasibility of the optimization scheme of the hanger position of the exhaust system are verified.

Key words：

exhaust system； modal； average driving degree of freedom method； frequency response； hanger； structure optimization

0 引 言

乘用车排气系统的性能，关系到尾气排放、整车NVH、结构耐久等诸多性能。其中，排气系统隔振元件的设计和位置排布对整车的振动特性有至关重要的影响。[13]在国内，很多学者将有限元分析方法引入到排气系统振动特性的分析验证中，进行大量尝试，并取得一定的成果。RAO等[4]和姚运仕等[5]认为，排气系统悬挂点位置对车内振动和噪声有重要影响。赵海澜等[6]、田育耕等[7]、王春慧[8]、傅志方等[9]和杨万里等[10]结合有限元法模态分析和平均驱动自由度位移（average driving degree of freedom，ADDOF）法，对排气系统吊钩位置的选择进行初步研究。

本文结合系统模态分析和ADDOF法，对某乘用车排气系统吊钩位置进行分析评估，对原吊钩位置进行优化，通过频响分析检验吊钩位置的合理性和有效性。优化后吊钩的力和位移响应明显低于原设计方案，说明该吊钩位置的优化流程合理可行。

1 吊钩位置优化关键技术和理论

1.1 吊钩位置优化流程

对某乘用车排气系统吊钩进行位置优化和分析验证，优化流程见图1。首先，对某型乘用车排气系统原结构进行有限元模态分析，获取排气系统的主要固有频率和相关振型；然后，采用ADDOF法对关键模态振动位移进行加权叠加，并确定排气系统吊钩的优化方案；最后，采用频响分析方法计算排气系统的振动响应特性，分析各吊钩的位移和作用力曲线，确认优化方案的合理性和可行性。

1.2 有限元建模

排气系统的几何模型和网格划分见图2。其中，连接管、净化器筒体、消声器筒体、消声管和消声器隔板使用壳体网格建模，连接厚法兰采用六面体实体网格建模，波纹管和橡胶吊耳采用弹簧单元建模。[10]对排氣系统原吊钩位置进行标注：A点为净化器原吊钩位置；B1、B2和B3为前级消声器原吊钩位置；C点为后级消声器原吊钩位置。

排气系统主体结构材料选用超纯铁素体不锈钢，管道、消声器、净化器、隔板的材料为SUH409L不锈钢，连接法兰材料为Q235，橡胶吊耳材料为EPDM，相关材料参数见表1。

1.3 ADDOF法

模态向量反映该阶模态的振动性状，各阶模态对响应的贡献量或权数不同。根据单点激励多自

由度系统模态分析理论[9]，位移响应的幅值和频率响应函数的幅值成正比，进一步假设振型以质量矩阵归一化，各阶模态阻尼近似相等，则

X（ω）∝Nr=1l，rp，rω2r （1）

式中：l，r为第l个测点、第r阶模态振型系数；p，r为第p个测点、第r阶模态振型系数；ωr为第r阶模态激振力的频率。

为预测某个自由度在一般激励情况下（在某个频率范围所有模态均被激发）位移响应的相对大小，定义第j个自由度的ADDOF为

S（j）=Nr=12j，rω2r （2）

S（j）可预测自由度在一般激励情况下位移响应的相对大小。利用有限元分析软件，计算排气系统在发动机激发频段的固有频率和模态振型，选取位移较小处布置排气系统吊钩。

2 排气系统吊钩位置评估和优化

2.1 排气系统模态分析和吊钩位置评估

通过有限元模态分析，得到排气系统固有频率和振型见表2。由此可知，排气系统1阶模态为18.37 Hz，振型为排气系统总成z方向的1阶弯曲，该振型为主振型，对排气系统振动贡献最大。

2.2 吊钩位置优化

根据上述分析结果，确定排气系统吊钩位置优化方案，见图4，其中：A点为净化器原悬挂点，AN点为净化器新悬挂点；C点为后级消声器原悬挂点，CN点为后级消声器新悬挂点。将前端净化器原吊钩位置向后移动134 mm，后级消声器原吊钩位置向前移动271 mm。

2.3 吊钩位置优化效果验证

为验证排气系统吊钩位置优化的合理性，对其进行振动响应分析，研究优化前后各吊钩的振动特性。由于排气系统的z向振动主要通过橡胶吊耳传递到车身，故采用z向激励进行验证，分析频率为20.00～200.00 Hz。

净化器吊钩的振动位移响应曲线见图5。由此可知，在绝大部分频率范围内，优化后吊钩的振动位移比原方案更低。

净化器吊钩的振动力响应曲线见图6。由此可知，当频率为38.00 Hz时，优化后吊钩力为14.76 N，低于原方案的吊钩力（18.00 N），说明给车身传递的振动反馈更小。

后级消声器吊钩的振动位移响应曲线见图7。

由此可知，优化后吊钩位移明显小于原方案吊钩位

移，频率为38.00 Hz时，振动位移由7.85 mm降低至2.12 mm。

后级消声器吊钩振动力响应曲线见图8。由此可知，在绝大部分频率范围内，优化后的响应力明显低于原方案。当激振频率为38.00 Hz时，原方案吊钩作用力为17.48 N，而优化方案的吊钩作用力只有9.50 N。

3 结束语

利用模态分析和ADDOF法对某排气系统吊钩位置进行评估，提出吊钩位置的优化方案，将前端净化器吊钩前移134 mm，后级消声器吊钩前移271 mm。频响分析结果表明，吊钩位置优化后各吊钩振动位移和加速度明显降低。在频率为38 Hz时，后级消声器吊钩的峰值位移从7.85 mm降低至2.12 mm，作用力也由17.48 N降低至9.50 N，优化效果明显。

参考文献：

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[4] RAO M D， WIRKNER K J， GRUENBERG S. Dynamic characterization of automotive exhaust isolators[J]. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers： Part D： Journal of Automobile Engineering， 2004， 218（8）： 891900. DOI： 10.1243/0954407041581110.

[5] 姚运仕， 马芳武， 冯忠绪， 等. 汽车排气系统悬挂点影响车内噪声的研究[J]. 郑州大学学报（工学版）， 2011， 32（4）： 3033. DOI： 10.3969/j.issn.16716833.2011.04.008.

[6] 赵海澜， 顾彦. 汽车排气系统悬掛点优化[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 230231. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2006.z1.075.

[7] 田育耕， 刘江华， 王岩松， 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（自然科学版）， 2009， 28（6）： 995998. DOI： 10.3969/j.issn.10080562.2009.06.035.

[8] 王春慧. 排气系统悬挂引发汽车NVH问题研究[J]. 汽车技术， 2009（S1）： 7476. DOI： 10.3969/j.issn.10003703.2009.12.020.

[9] 傅志方， 华宏星. 模态分析理论及应用[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2000： 40153.

[10] 杨万里， 陈燕， 邓小龙. 乘用车排气系统模态分析数值模型研究[J]. 三峡大学学报（自然科学版）， 2005， 27（4）： 345347. DOI： 10.3969/j.issn.1672948X.2005.04.015.

（编辑 付宇靓）