汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)動(dòng)力減振器研究與應(yīng)用

陳曉梅 朱光貞 牛文博 孔祥瑞 張紫廣

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 前言

汽車(chē)排氣系統(tǒng)的振源主要有4個(gè)，即發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流沖擊、聲波激勵(lì)和車(chē)身運(yùn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳遞給排氣系統(tǒng)，一方面通過(guò)吊掛傳遞給車(chē)身，車(chē)身的振動(dòng)通過(guò)座椅、轉(zhuǎn)向盤(pán)和駕駛室地板直接傳遞給乘客，同時(shí)車(chē)身振動(dòng)也會(huì)引起車(chē)內(nèi)噪聲；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)身的振動(dòng)激勵(lì)會(huì)直接對(duì)排氣系統(tǒng)造成破壞性影響。因此，要求排氣系統(tǒng)的模態(tài)（尤其是彎曲模態(tài)）和車(chē)身的模態(tài)分開(kāi)，以避免引起共振和造成車(chē)內(nèi)共鳴；并且排氣系統(tǒng)的固有頻率也不可設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速激勵(lì)范圍內(nèi)，以免造成排氣系統(tǒng)疲勞性斷裂。排氣系統(tǒng)是否合理布置會(huì)影響整車(chē)NVH性能和排氣系統(tǒng)的使用壽命。

在排氣系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)改變質(zhì)量和剛度來(lái)改變模態(tài)，而導(dǎo)致車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲增大或排氣系統(tǒng)由于共振導(dǎo)致破壞的情況下，在排氣系統(tǒng)上加裝動(dòng)力減振器是有效的解決方法。

本文通過(guò)模態(tài)分析的方法對(duì)某轎車(chē)裝配與未裝配動(dòng)力減振器的排氣系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比與分析，研究減振器的設(shè)計(jì)參數(shù)與加裝減振器的位置，并為產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象的某輕型汽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種裝有沙粒的動(dòng)力減振器。

2 動(dòng)力減振器簡(jiǎn)介

動(dòng)力減振器[2]有兩種，分為無(wú)阻尼動(dòng)力減振器和有阻尼動(dòng)力減振器。

2.1 無(wú)阻尼動(dòng)力減振器

無(wú)阻尼動(dòng)力減振器可以簡(jiǎn)化為單質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，與原結(jié)構(gòu)構(gòu)成兩自由度系統(tǒng)（圖1）。

圖 1中由物體 A（質(zhì)量為 MA）和彈簧 C（彈簧剛度為K1）組成的系統(tǒng)稱(chēng)為主系統(tǒng)，由物體B（質(zhì)量為MB）和彈簧D（彈簧剛度為K2）組成的附加系統(tǒng)稱(chēng)為減振器。該減振器使原來(lái)的單自由度系統(tǒng)變成2自由度系統(tǒng)，因而該系統(tǒng)有2個(gè)固有頻率，當(dāng)激振頻率與其中任一頻率相等時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生共振。如果激振頻率可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)改變時(shí)，動(dòng)力減振器只是使原來(lái)1個(gè)共振頻率的振動(dòng)系統(tǒng)改變?yōu)?個(gè)共振頻率的振動(dòng)系統(tǒng)，不能起到減振作用。所以，該動(dòng)力減振器只是用于激振頻率固定的情況，當(dāng)減振器的固有頻率等于激振頻率時(shí)，減振器彈簧力 K2×X2=-F1sinωt，即其平衡了主質(zhì)量上的作用力F1sinωt，使主系統(tǒng)的振動(dòng)轉(zhuǎn)移到減振器上來(lái)，消除了主質(zhì)量的振動(dòng)，使主系統(tǒng)保持不動(dòng)。需要注意的是控制附加減振器后的2個(gè)自由度系統(tǒng)的固有頻率相距越遠(yuǎn)越好。

無(wú)阻尼動(dòng)力減振器是為在某個(gè)給定的頻率消除主系統(tǒng)的振動(dòng)而設(shè)計(jì)的，適用于激振頻率不變或稍有變動(dòng)的工作設(shè)備。

2.2 有阻尼動(dòng)力減振器

當(dāng)系統(tǒng)的激振頻率在較寬范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，要消除其振動(dòng)，需要有阻尼動(dòng)力減振器。圖2所示的系統(tǒng)中，物體 E（質(zhì)量為 ME）和彈簧 H（彈簧剛度為 K3）組成主系統(tǒng)；物體 F（質(zhì)量為 MF）、彈簧 I（彈簧剛度為 K4）和粘性阻尼器G（阻尼為C）組成的系統(tǒng)稱(chēng)為有阻尼動(dòng)力減振器，其作用是使主系統(tǒng)在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)減小到要求程度。圖3是典型的帶有有阻尼減振器主系統(tǒng)振幅頻響函數(shù)曲線(xiàn)。

圖 3 中質(zhì)量比 μ=MF/ME； 頻率比 α=ω2/ω1=1（ω1為主系統(tǒng)的固有頻率，ω2為動(dòng)力減振器的固有頻率）； 動(dòng)力減振器阻尼比 ξ=C/(2×MF×ω2)；x1為 ME的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅；Xst=F1/K3，為主系統(tǒng)靜變形。

a.當(dāng)ξ=0時(shí)，相當(dāng)于無(wú)阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)，曲線(xiàn)有兩個(gè)共振頻率，即為無(wú)阻尼動(dòng)力減振器系統(tǒng)。

b.當(dāng)ξ=∞時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)物體剛性連接為一整體，系統(tǒng)成為以該整體和彈簧構(gòu)成的單自由度系統(tǒng)。

c. 要使M2系統(tǒng)成為有阻尼減振器系統(tǒng)，則阻尼比要介于ξ=0和ξ=∞之間，阻尼使共振附近的振幅顯著減小，但在激勵(lì)頻率 ω〈〈ω1或 ω〉〉ω2的范圍內(nèi)阻尼的影響很小，因此對(duì)于ξ值的選擇很重要。

d.圖中S點(diǎn)、T點(diǎn)位置與減振器的位置、M1、M2、ω1、ω2有關(guān)，而與減振器阻尼 C的大小無(wú)關(guān)。 在設(shè)計(jì)有阻尼動(dòng)力減振器時(shí)，合理選擇最佳阻尼比ξ和最佳頻率比α，以使x1/Xst在S點(diǎn)、T點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的振幅以下，從而使減振器能夠在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)減小主系統(tǒng)的振動(dòng)。

3 動(dòng)力減振器參數(shù)及位置的確定

結(jié)構(gòu)件的模態(tài)特性可以通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)或模態(tài)計(jì)算得到，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，可以得到需要減振件的主要階次頻率值和阻尼比，而頻率值也可以通過(guò)模態(tài)計(jì)算求得。

結(jié)構(gòu)件等效為單自由度系統(tǒng)時(shí)的等效質(zhì)量可以通過(guò)如下公式求得[4]:

式中，mk為模態(tài)質(zhì)量；Vik為該模態(tài)的位移幅值；Vi為歸一化的模態(tài)位移系數(shù)；ωd為有阻尼時(shí)的模態(tài)頻率；j2=-1。

從公式（1）可以看出，結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量和動(dòng)力減振器的安裝位置有關(guān)，動(dòng)力減振器的位置不同，則Vik、Vi都不同；動(dòng)力減振器一般安裝在結(jié)構(gòu)件的反節(jié)點(diǎn)上，安裝位置離反節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，主系統(tǒng)的等效質(zhì)量越大。結(jié)構(gòu)件等效為單自由度系統(tǒng)時(shí)，結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量可看作主系統(tǒng)的質(zhì)量ME，即meq≈ME。

結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量也可以通過(guò)另一種方法得到，即在結(jié)構(gòu)件安裝動(dòng)力減振器處附加一質(zhì)量madd，結(jié)構(gòu)件的模態(tài)頻率將從fn1變?yōu)閒n2，因此可以通過(guò)如下方程求得等效質(zhì)量meq:

已知結(jié)構(gòu)件的等效質(zhì)量、頻率、阻尼比，可以合理選擇質(zhì)量比μ、頻率比α、阻尼比ξ，并能計(jì)算出彈簧剛度k。

4 帶有動(dòng)力減振器的排氣系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)樣件簡(jiǎn)介

試驗(yàn)件為一套轎車(chē)V型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)，屬于雙入口單出口型；與該排氣系統(tǒng)相配的發(fā)動(dòng)機(jī)在整車(chē)上縱向布置，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向與排氣系統(tǒng)平行，因此易引起排氣系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而不易引起彎曲振動(dòng)。一般情況下，彎曲振動(dòng)通過(guò)吊掛傳到車(chē)身上的力要比扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳遞的力大。減振器示意圖如圖4所示。

從圖4可以看出，該排氣系統(tǒng)減振器是一個(gè)2自由度系統(tǒng)，金屬1的質(zhì)量為m1，橡膠的剛度為k1，阻尼為C1；金屬1和橡膠的質(zhì)量為m2,金屬2的剛度為k2。

帶減振器的排氣系統(tǒng)上有兩個(gè)消聲器，前消聲器的后端面上焊有第1個(gè)吊掛鉤，距第1個(gè)吊掛約12 cm為第2個(gè)吊掛點(diǎn)；后部的消聲器前、后兩端面各有1個(gè)吊掛點(diǎn)。排氣系統(tǒng)上的減振器布置在兩消聲器之間。

4.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備如表1所列。

表1 儀器設(shè)備

4.3 減振器固有頻率測(cè)量

減振器為彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)，因此需對(duì)其進(jìn)行固有頻率測(cè)量。具體做法是將包含減振器的排氣管兩段卡住，在減振器上布置加速度傳感器并采用錘擊法測(cè)量固有頻率。圖5為頻響曲線(xiàn)圖。

該減振器兩固有頻率為26.2 Hz、77.9 Hz，兩頻段 α=ω減振器/ω排氣系統(tǒng)（無(wú)減振器）≈0.93、1.16；排氣系統(tǒng)與減振器的μ=M2/M1≈0.043，其中M2為減振器質(zhì)量，M1為無(wú)減振器的排氣系統(tǒng)質(zhì)量，即該排氣系統(tǒng)的等效質(zhì)量。

4.4 排氣系統(tǒng)模態(tài)測(cè)量

將整個(gè)排氣系統(tǒng)按照實(shí)車(chē)情況安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，其中排氣系統(tǒng)兩入口按一定角度固定在鐵方箱上。與實(shí)車(chē)最大的不同是，實(shí)車(chē)上發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)懸置連接在車(chē)身上，而鐵方箱放在鐵地板上沒(méi)有懸置系統(tǒng)。

在排氣系統(tǒng)上選擇36個(gè)拾振點(diǎn)，采用力錘激勵(lì)，激勵(lì)點(diǎn)選在排氣尾管最末端，激勵(lì)方向與xoy、xoz、yoz3個(gè)平面均成 45°；測(cè)點(diǎn)幾何模型如圖6所示，測(cè)量頻率范圍為 0～200 Hz。圖 7是帶減振器排氣系統(tǒng)在頻率為65.1 Hz時(shí)的振型。試驗(yàn)分兩種情況進(jìn)行，一種是裝配減振器后進(jìn)行模態(tài)測(cè)量，另一種是未裝配減振器直接進(jìn)行模態(tài)測(cè)量。

4.5 數(shù)據(jù)處理

分析頻率為 0～200 Hz，數(shù)據(jù)處理利用 LMS Test_Lab中PolyMAX（最小二乘復(fù)頻域法）分析方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。

4.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8為模態(tài)測(cè)量獲得的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)對(duì)比分析圖。從圖8可以看出，減振器主要起作用頻帶范圍為 20～100 Hz，具體體現(xiàn)在 20～30 Hz、50～80 Hz之間的峰值、幅值都有顯著降低和頻率前移。

在62～70 Hz的頻率范圍內(nèi)，配備減振器的頻率為65.1 Hz，未配備減振器的頻率是67.1 Hz,由圖7可知頻率為65.1Hz時(shí)的振型為排氣系統(tǒng)前部（入口處）扭轉(zhuǎn)+中后部垂直2階彎曲，4吊掛中前兩個(gè)吊掛在振型節(jié)點(diǎn)附近，后兩個(gè)吊掛不在振型節(jié)點(diǎn)位置。一般垂直彎曲振動(dòng)通過(guò)吊掛傳到車(chē)身上的力最大，同時(shí)吊掛上的力也會(huì)以結(jié)構(gòu)噪聲的方式傳遞到車(chē)身內(nèi)。結(jié)合圖7振型分析可知，該減振器主要作用之一即降低了該排氣系統(tǒng)67.1 Hz共振的振幅，以降低或消除在該頻率下排氣系統(tǒng)共振對(duì)車(chē)身內(nèi)部NVH性能的影響。頻率67.1 Hz對(duì)應(yīng)的V6發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1342 r/min；轎車(chē)的車(chē)內(nèi)空腔低頻共鳴頻率一般為40～80 Hz（這是由轎車(chē)車(chē)內(nèi)空腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的），該動(dòng)力減振器的具體作用是避免低頻振動(dòng)噪聲傳向車(chē)內(nèi)并造成空腔低頻共鳴，從而提高整車(chē)舒適性。

在20～30 Hz的頻率范圍內(nèi)，排氣系統(tǒng)未配備減振器時(shí)存在兩個(gè)共振頻率，即26.4 Hz（垂直2階彎曲）和28.1 Hz（水平2階彎曲）；加裝動(dòng)力減振器后，峰值頻率為24.0 Hz、26.1 Hz和27.2 Hz，并且振幅下降較大。一般情況下，20～30 Hz的頻率范圍是車(chē)身1階彎曲、1階扭轉(zhuǎn)固有頻率所在范圍，與車(chē)身相連的排氣系統(tǒng)的模態(tài)頻率要與車(chē)身模態(tài)分離，該減振器在這一頻段的作用為降低排氣系統(tǒng)共振的振幅，減小向車(chē)身傳遞的振動(dòng)并避開(kāi)車(chē)身的1階彎曲、1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

5 動(dòng)力減振器應(yīng)用

以新開(kāi)發(fā)試制的某輕型汽車(chē)為試驗(yàn)車(chē)，在平直的路面上行駛時(shí)排氣系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題；在山路進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，排氣系統(tǒng)中部斷裂。對(duì)該試驗(yàn)車(chē)排氣系統(tǒng)做模態(tài)分析，綜合頻響曲線(xiàn)如圖9所示。經(jīng)分析,排氣系統(tǒng)最有可能的破壞頻率為38Hz，該模態(tài)頻率振型如圖10所示，其振型為垂直1階彎曲（并伴有水平1階彎曲）。

由圖10可知，該排氣系統(tǒng)固有頻率為38 Hz時(shí)反節(jié)點(diǎn)位置在消聲器輸入端，在行駛過(guò)程中該處最高溫度可達(dá)300°以上。如采用有阻尼動(dòng)力減振器，且使用傳統(tǒng)的橡膠作為阻尼材料，則在高熱環(huán)境下排氣系統(tǒng)中部會(huì)很快老化失效，因此借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)而采用加裝沙粒作為阻尼材料。首先按照無(wú)阻尼減振器設(shè)計(jì)動(dòng)力減振器，根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果取質(zhì)量比μ=0.043、頻率比α=1.2，則可計(jì)算出減振器的質(zhì)量、剛度、頻率，同時(shí)將減振器設(shè)計(jì)成空腔，以便在其中加入顆粒狀物體[5]。

圖11和圖12分別是在車(chē)上消聲器輸入端和排氣尾管處時(shí)原車(chē)排氣系統(tǒng)、減振器加沙子和不加沙子時(shí)頻響試驗(yàn)比較結(jié)果。從圖11和圖12可以看出，減振器在消聲器輸入端和在車(chē)上排氣尾管處都能使排氣系統(tǒng)38 Hz共振頻率變成兩振幅較小的共振頻率，且加沙子后振幅均下降較大。圖13是原車(chē)與加沙子減振器放在消聲器輸入端和尾管頻響函數(shù)比較，可以看出減振器在消聲器輸入端比在尾管處獲得的兩共振頻率間隔較大、振幅降低較多。

通過(guò)上述一系列試驗(yàn)，最終選擇動(dòng)力減振器安裝在消聲器輸入端。經(jīng)試驗(yàn)車(chē)驗(yàn)證，加裝沙子的動(dòng)力減振器解決了山路行駛排氣系統(tǒng)斷裂問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

在汽車(chē)排氣系統(tǒng)上加裝動(dòng)力減振器可以解決其振動(dòng)問(wèn)題。介紹了動(dòng)力減振器的減振原理，并通過(guò)理論研究和模態(tài)試驗(yàn)獲得動(dòng)力減振器質(zhì)量比、頻率比、阻尼比以及剛度等參數(shù)確定方法。

排氣系統(tǒng)前中部溫度較高，傳統(tǒng)的橡膠等不適合做動(dòng)力減振器的阻尼材料，可以以小顆粒的普通沙子做阻尼材料來(lái)設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)的動(dòng)力減振器。針對(duì)一臺(tái)排氣系統(tǒng)高溫部位產(chǎn)生斷裂的試驗(yàn)車(chē)設(shè)計(jì)出以普通沙子為阻尼材料的動(dòng)力減振器，解決了該車(chē)排氣系統(tǒng)共振斷裂問(wèn)題。

1 龐劍,諶剛,何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006，236～284.

2 張義民.機(jī)械振動(dòng)力學(xué).長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000，83～86.

3 馬大酞.噪聲與振動(dòng)控制土程手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002，73～105.

4 lms vitural.lab help,31_FAQ_tunedabsorber,LMS International nv.

5 Allan C A,Edward R G,Gregory Z.A Comparison of the Effectiveness ofElastomeric Tuned Mass Dampersand Particle Dampers.SAE TECHNICALPAPER SERIES,2003-01-1419.