國六排放標(biāo)準(zhǔn)排氣管軸向模態(tài)問題設(shè)計優(yōu)化

李小康 趙玉才

摘 要：在汽車排放標(biāo)準(zhǔn)由國六取代國五的過程中，針對某款車型在設(shè)計開發(fā)時排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的軸向模態(tài)問題進行研究和設(shè)計優(yōu)化。利用Hyperworks和Nastran對排氣系統(tǒng)進行仿真分析，找出軸向共振模態(tài)下的位移量和動態(tài)應(yīng)力最大的位置，再對該位置的結(jié)構(gòu)從幾個維度進行結(jié)構(gòu)更改，通過模型仿真找出最合適的優(yōu)化方案，使排氣系統(tǒng)在約束模態(tài)頻率下該位置的動態(tài)應(yīng)力最小，從而解決該軸向模態(tài)問題，同時也為排氣系統(tǒng)在汽車國六排放的設(shè)計開發(fā)中遇到的軸向模態(tài)問題提供了解決方案。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);模態(tài)分析;軸向模態(tài);中消聲包

中圖分類號：U464? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）22-77-03

Abstract： In the process of the national five emission standards replacing the national five emission standards， the exhaust system axial mode problem happened during the design development of a certain vehicle， it is studied and optimized in this article. HyperWorks and NASTRAN are used to simulate and analyze the exhaust system. Finding out the position with the largest displacement and dynamic stress under the axial resonance mode. Considering several factors， the structure of this position changed to find out the most appropriate optimization scheme through the model simulation. The optimization scheme minimize the dynamic stress of this position under the exhaust system constraint mode frequency， thus， the axial mode problem can be solved. At the same time， it also provides a solution for the axial mode problems encountered in the design development of exhaust system in the national five emission standards.

Keywords： Exhaust system; Modal analysis; Axial mode; Middle muffler

CLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-77-03

1 概述

近年來，隨著國家經(jīng)濟水平的飛速發(fā)展，我國汽車工業(yè)水平也得到了全面提升，與此同時，國家對汽車行業(yè)釋放的標(biāo)準(zhǔn)也越發(fā)嚴苛。排放要求上，從2019年開始全國逐步實行國六排放標(biāo)準(zhǔn)，從而降低汽車污染排放保護環(huán)境。行駛噪聲上，最新國標(biāo)規(guī)定滿載不超過2500kg的乘用車加速行駛車外噪聲不超過71dB，從而降低城市噪聲污染，提升人們的居住環(huán)境品質(zhì)。

在汽車行駛的過程中，排氣系統(tǒng)對凈化廢氣和吸收發(fā)動機排出廢氣的激勵噪聲具有重要的作用。排氣系統(tǒng)前管通過法蘭和發(fā)動機相連，排氣管體上的吊耳支架或者吊鉤與車身通過橡膠吊耳連接，吊耳配合排氣管前端的柔性節(jié)緩沖來自發(fā)動機和路面各個方向的振動激勵，發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中汽缸產(chǎn)生爆炸聲和排氣氣流聲由焊接在排氣管上的消聲包進行過濾消聲。排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在排放標(biāo)準(zhǔn)由國五轉(zhuǎn)國六后，部分車型的排氣系統(tǒng)會在前排總成焊接UFC（under floor converter）來凈化廢氣以滿足排放要求。汽車行駛時，發(fā)動機振動會通過法蘭連接傳遞至排氣管，具有一定重量的UFC會在該振動激勵產(chǎn)生一定頻率的軸向運動，從而對中消聲包前端的焊接端蓋產(chǎn)生軸向沖擊，在一定程度上對消聲包的耐久性能產(chǎn)生失效風(fēng)險。

本文以某款車為例，針對該款車在國五轉(zhuǎn)國六的設(shè)計開發(fā)中遇到的該軸向沖擊耐久失效問題，通過建立有限元分析（FEA）模型來仿真排氣系統(tǒng)的振動位移和關(guān)鍵位置動態(tài)應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計來避免軸向失效風(fēng)險，從而滿足汽車的設(shè)計開發(fā)和客戶使用要求。

2 模型建立及驗證

2.1 FEA模型建立

本文采用Hyperworks和Nastran對排氣系統(tǒng)進行建模和發(fā)動機模態(tài)仿真分析，如圖2所示。排氣管的模型中采用殼單元模擬焊接，采用rbe單元模擬吊耳支架中與法蘭之間的螺栓連接，采用CBUSH單元模擬柔性節(jié)，采用殼單元模擬消聲包。對動力總成而言，在質(zhì)心位置采用質(zhì)量單元模擬，并將模型所需的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)設(shè)置在質(zhì)量單元中。

邊界約束條件：

（1）模型狀態(tài)與整車裝車狀態(tài)保持一致;

（2）動力總成懸置車身側(cè)和吊耳車身側(cè)在各個自由度被固定。

2.2 FEA模型驗證

由于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍一般在0-6000rpm，因此一般對四缸機而言，只需在0-200Hz范圍內(nèi)進行模態(tài)分析即可，利用上述包含動力總成的排氣系統(tǒng)模型計算所得的約束模態(tài)頻率如表1。