某款8×4重卡載貨車排氣系統的設計與分析

慈龍尚，陳剛，張輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

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某款8×4重卡載貨車排氣系統的設計與分析

慈龍尚，陳剛，張輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

以某款8×4重卡載貨車排氣系統的三維設計建模數據為基礎，闡述了排氣系統的零部件匹配布置原則和設計要點，詳細介紹了排氣系統的排氣管、吊掛系統、SCR后處理系統、排氣尾管等零部件的設計原則、設計要點及對設計過程的研究等，并通過此排氣系統的模態分析、給定工況下的振動耐久性CAE分析數據，進一步驗證了此排氣系統設計的完整性及科學性。

重卡載貨車；排氣系統；匹配設計；后處理SCR；模態CAE

0 引言

排氣系統作為汽車的一個重要構成部分，其功用是將發動機產生的廢氣排入大氣，通過清除廢氣中的有害成分來降低污染和提高發動機的效率，并降低廢氣發出的噪聲[1]。排氣系統作為與發動機廢氣直接接觸部件，承受著化學腐蝕、高溫作用以及交變力的影響，在這些因素的共同作用下，排氣系統的耐久性、結構強度必然受到嚴峻的考驗。因排氣歧管大多為發動機自帶件，另因發動機的功能升級，原發動機輔助制動系統所有的排輔制動蝶閥總成也大多集成在發動機的排氣歧管上，文中所述的某款8×4載貨重卡排氣系統主要由排氣管、吊掛系統、SCR后處理系統、排氣尾管等零部件組成，如圖1所示。

圖1 某款重型卡車的排氣系統

以圖1所示的排氣系統三維建模為例，簡述了此排氣系統中主要大件布置的匹配設計要點，詳細闡述了各組成部件的開發設計內容及要點；另基于此排氣系統的3D模型還完成了此排氣系統的模態CAE分析及在給出激勵下的振動耐久性CAE分析，并對此排氣系統的設計給予評價，為零部件的局部改進提供參考。

1 與發動機等系統外關聯件的匹配設計及要點

與發動機的匹配設計是排氣系統設計中總攬全局性的工作，也是一項基礎性工作，它需在整車總布置要求框架下開展排氣系統的空間布置、局部設計等細化設計工作，使排氣系統的結構設計和尺寸設計符合整車的大件布置及尺寸要求；另排氣系統還應與車架、車橋、變速箱等系統外關聯件達到最佳組合，總體獲得最優的設計方案等。排氣系統匹配設計具體要求如下：

1.1 對應發動機的匹配設計

在設計排氣系統前，首先要知道某車型設計總布置規定的發動機飛輪殼后端中心坐標值，車架總成及發動機、變速箱、前橋、中橋等大件的總布置位置和尺寸，再載入這些大件三維模型進行總布置；在與發動機的匹配設計階段，應認真閱讀發動機的技術協議，熟知發動機技術協議上排氣口的位置及坐標值與三維數模中是否一致、后處理的取水口及回水口的位置和坐標值、發動機是自帶排輔制動器還是不帶排輔制動器等、DCU是否和發動機的ECU集成等。

1.2 對應電器線束、駕駛室、龍門架等大件匹配設計

排氣系統的排氣管不能離整車的電器線束太近，根據相關規范，排氣管離底盤線束距離不小于50 mm，離駕駛室后支撐上安全氣囊距離不小于40 mm，如不符合要求，則需要在排氣管增加隔熱板或隔熱罩等。另排氣系統與發動機相連，行駛中排氣系統存在抖動，因此排氣系統與周邊的關聯件、車橋板簧支座、傳動軸的間距不小于40 mm，避免動態干涉等。

2 排氣管的開發設計及要點

排氣管的設計是排氣系統設計的重點，直接關系著整個排氣系統的設計品質，也會影響到發動機的性能。根據相關設計經驗，排氣管的設計主要有如下注意事項：

2.1 確定排氣管的直徑、壁厚及材料等

首先，排氣管的管徑設計可參圖2所示的經驗數值：

圖2 排氣管的管徑設計

發動機廠家不同，如玉柴，濰柴、錫柴、JND等，因后處理的結構形式、排氣管的長度等不同，即使相同馬力段的發動機，其要求選擇的排氣管管徑也會略有差別。但總的原則是排氣管的直徑對應發動機的功率且成正比，發動機的功率越大，排氣管的直徑對應著也大些。排氣管的壁厚一般選用1.5～2 mm，若壁厚太薄，則排氣管與法蘭面焊接連接較少，排氣管在車輛運行或怠速的過程中容易脫焊而抖落。對于圖1中的8×4重卡載貨車，發動機功率為228 kW(310馬力)，選用的排氣管外直徑為φ101 mm，壁厚為2 mm。排氣管的材質選用不銹鋼OCr18Ni9 ，此排氣系統后處理選用尿素噴射，根據發動機的要求，尿素噴射管附件的排氣管選用不銹鋼材質的。

2.2 排氣管的走向及彎角設計等

首先，排氣管的走向受制于發動機上排氣口的坐標值及出口朝向以及整車的布置等。排氣管走向也可設計為從車架上平面走，繞過駕駛室后支撐、空濾器支撐等，再合理避讓懸架進入車架下方布置筒式的SCR。而此8×4載貨重卡的排氣管走向布置如圖1所示，排氣管直接穿過發動機與車架之間的間隙，拐過一個不大的角度轉到車架下方進行布置。另國V發動機在其技術協議對排氣管的長度、走向也有相關規定要求等，如排氣管的總長度超過1.5 m的話，則需要在排氣管的外周設計包裹保溫布等；排氣管的彎角成形一般為模具在彎管機上彎壓成形的。根據制造經驗和驗證，排氣管的外直徑與彎角半徑大小存在如表1所示的一種對應關系。對大多發動機來說，對排氣背壓都有要求，其中排氣管內的排氣壓降為5 kPa左右。

表1 彎頭規格表 mm

備注：必須保證彎頭高度和厚度在誤差范圍內。

2.3 排氣系中波紋管、排輔制動器的設計及布置

排氣系統中波紋管和排輔制動器的布置及設計也是排氣系統設計中一個難點。根據對排氣系統的CAE分析及對故障件的分析結果，排輔制動器一般和發動機的排氣歧管做成一體的，如圖1所示。在排氣系統設計中，也有排輔制動器與發動機排氣歧管非一體的，因排輔制動器比較重，在發動機激振源的作用下，排氣制動器的振幅較大，因此在排氣系統設計中，需要將排輔制動器放在波紋管的前方緊靠近發動機的排氣歧管定置設計等。另波紋管的長度應盡量設計長點，一般波紋長度不小于200 mm，波紋管的管徑與排氣管的外直徑相當。

3 排氣吊掛的開發設計及要點

排氣吊掛的設計是排氣設計中的重難點。排氣吊掛設計不合理還會造成排氣管脫焊甚至斷裂。排氣吊掛的設計應避免剛性連接，如圖3所示的排氣管與車架柔性連接，排氣吊掛的設計應遵循如下經驗設計。

圖3 排氣管吊掛與車架縱梁的柔性連接

3.1 排氣管吊掛的位置、數量設置

根據排氣管的管路、走向等不同，排氣吊掛的設置也略有差別，但基本原則為：一根排氣管對應一個排氣管吊掛，但排氣管吊掛數量也不超過3根；波紋管前面的吊掛固定在發動機或變速箱上，如圖4所示，確保波紋管前面的排氣管與激振振源一致，波紋管后面的排氣管吊掛則與車架或車架附件柔性連接。

圖4 排氣管吊掛與發動機飛輪殼的剛性連接

因結構設計需要，排氣管從發動機的排氣口出來后從飛輪殼的下方走，因發動機的排氣口一般在車架縱梁上翼面的較高位置，前排氣管的設計就比較長，對于8×4的載貨重卡來說，排氣口的下前方就是前輪中心線，此處有底盤的前橋。因此需要在前排氣管上增加一個固定，由于排氣管的減震波紋管設計在前排氣管的后段，因此在發動機的飛輪殼上預留一個凸臺，設計一個U形卡箍直接將排氣管固定在發動機的飛輪殼上。一般設計經驗：對于重型卡車來說，因排氣管的管徑較粗、質量較大等，每個排氣管都需要有一個排氣管吊掛，對于較長的排氣管段，還需設計2個排氣管吊掛。就此款車型來說，共設計有4個排氣管吊掛，前后排氣管各1個吊掛，后處理SCR上有2個排氣管吊掛。

3.2 后處理SCR安裝及設計要點

排氣系統SCR的安裝有效控制了汽車發動機的排放污染和噪聲污染,但也影響了汽車發動機的動力輸出，國Ⅳ、國Ⅴ發動機均使用SCR排氣后處理系統。SCR系統由催化消聲器，計量噴射泵，尿素罐及傳感器，后處理控制單元(DCU),尿素加熱進、回水管，尿素管及噴頭等部分組成，其位置和關系如圖5所示。

催化消聲器的主要作用是催化氮氧化合物的還原反應和降低發動機的排氣噪聲，是SCR催化器和發動機排氣消聲器的集成體。

首先，SCR吊箍的安裝必須避開載體所在位置，與車架連接之間加減震墊，具體如圖3所示。其次筒式SCR長度方向的中心與發動機的排氣口距離也有要求，一般不能太長，本車型因結構特殊，其數值為3 m左右。

圖5 SCR系統組成原理簡圖

3.3 排氣尾管的設計要點

3.3.1 排氣尾管口的朝向設計

GB 7258要求：機動車發動機的排氣管口不得指向車身右側(如受結構限制排氣管口必須偏向右側時，排氣管口中心線與機動車縱向中心線的夾角應小于等于15°)和正下方[2]。此種設計除了確保路邊行人的安全外，也是為降低排氣尾管口的排氣噪聲。此8×4重卡載貨車的排氣尾口朝向左下方，與水平面成45°的夾角，此排氣尾口設計完全符合國標。此外，排氣尾口朝向左下方，也方便排氣口的冷凝水排出，減少排氣尾管的銹蝕等。

3.3.2 排氣尾管的結構形式

排氣尾管一般有兩種結構形式供選擇：與SCR一體式尾管，與SCR卡箍裝接式尾管。對于SCR一體式排氣尾管，工藝成形難度較大，成本高；而裝接式的排氣尾管是用一組卡箍將排氣尾管與SCR出口端裝配連接起來，此種設計零部件制造工藝簡單，成本低，裝配方便等，圖1采用的為后者設計。

4 排氣系統CAE分析

為校核排氣系統的NVH耐久性能，檢驗排氣系統設計質量，基于排氣系統三維設計數模，參照發動機的數據及相關邊界條件，一款7.2 L排量8×4載貨重卡排氣系統的CAE分析內容如下：

網格劃分如圖6所示。

圖6 網格劃分模型

模態分析如圖7所示。

圖7 模態分析

分析結果：在此模態分析中，發動機振動頻率范圍內有10階固有頻率，怠速范圍內無固有頻率，即此系統處于NVH和耐久低風險中。

在參考點上施加10～85 Hz、豎直方向上0.1 mm的激勵，耐久振動分析如圖8所示。

圖8 耐久振動分析

圖9 耐久振動分析結果

根據圖9所示的耐久振動分析結果，所有部件應力值均滿足要求。

5 總結

綜上設計及分析，圖1所示的某款8×4載貨重卡的排氣系統設計符合重卡的系列化、通用化、模塊化設計要求，在CAE分析中也得到了驗證，符合要求。更重要的是，此排氣系經過了裝車試制驗證及整車的可靠性驗證，此8×4的排氣系統設計是一個比較優秀的排氣系統設計案例。

【1】李玉茂.手把手教您學汽車構造與保養[M].北京：機械工業出版社,2014:39.

【2】GB 7258-2012機動車運行安全技術條件[S].

捷太格特(JTEKT)在同濟大學舉辦汽車技術演講、

產品展示，旨在培養制造業人才

捷太格特(JTEKT)在中國致力于人才培養等CSR活動的開展，作為其中的一環，2016 年9月27日，捷太格特科技研發中心(無錫)有限公司(以下簡稱：JRDC)在同濟大學嘉定校區汽車學院，為在校大學生舉辦了一場小型的汽車技術演講及展示會。

演講展示會得到了汽車學院陳慧教授的理解以及大力支持。

演講會上，JRDC王建鎮課長以“針對ADAS與功能性安全提高的電動助力轉向器(EPS)產品開發暨EPS冗余化設計”為題，在簡述了捷太格特開發EPS的歷史、EPS優點以及發展趨勢的基礎上，特別針對ADAS、自動駕駛等未來汽車技術的EPS技術做了深入淺出的講解。捷太格特通過對EPS內部數據、零件、系統的冗余化設計，確保了車輛在高速公路等路況的自動駕駛模式下，即使EPS發生故障，也可以保證最低限度的轉向助力，實現了“永不停止的EPS”，從而提高了車輛的安全性能。其中部分產品的冗余化已經得到量產。王課長的演講，得到了在場師生的廣泛關注，同學們踴躍提問，會場氛圍十分活躍。

此外，JRDC在會場周圍部分展示了捷太格特的代表商品，吸引了不少同學駐足參觀、咨詢。

會后，JRDC谷本副總經理對記者說，“捷太格特不只是一個優秀的跨國汽車零部件供應商，開發最尖端的汽車技術、為客戶提供商品，同時我們也十分關注技術人才的培養。對21世紀產業發展做出貢獻的人才培養尤為重要。無論是從公司的長遠發展，還是從強化中國制造業的角度出發，開展這種校企交流、可以擴展同學們的眼界，同時也讓大家更好地了解了捷太格特，非常有意義。今后，這樣的活動要每年開展下去”。

捷太格特(JTEKT)在華開展事業的同時，積極開展產學研交流。目前捷太格特與同濟大學、清華大學、江南大學、河南科技大學等定期開展交流和展示活動。其中與同濟大學的交流活動歷史最早，項目最多。

2004年，捷太格特(當時為光洋精工株式會社)的谷口副社長訪問同濟大學。2010年，捷太格特在同濟大學設立“聯合實驗室”，展開汽車轉向系統優化以及主動安全技術方面的研究。此外，捷太格特作為鉑金級贊助商，從2011年開始連續6年贊助同濟大學“翼馳”車隊參與大學生方程車賽車項目。而與同濟大學汽車學院的定期互訪交流也逐漸成為定例項目。

此外，捷太格特還與其他高校定期開展各種交流。捷太格特中野 高級研究員在清華大學定期發表技術演講，捷太格特宮崎 專務董事就任江南大學校董，定期在江南大學舉辦演講以及產品展示活動，捷太格特在位于河南科技大學西苑校區的“中國軸承陳列館”里，開設專門展臺以展示捷太格特的產品，并定期在河南科技大學舉辦演講以及產品展示活動等。

JRDC作為2010年捷太格特在華設立的科技研發中心，對外開展技術交流的窗口，響應捷太格特在華推進產、學、研交流合作的精神，今后將持續擴大對外交流活動，特別是校企交流，為培養中國制造業人才貢獻綿薄之力。

(來源：捷太格特)

Design and Analysis of a 8×4 Heavy Truck Exhaust System

CI Longshang,CHEN Gang,ZHANG Hui

(Research & Development Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

Taking a three-dimensional model of some 8×4 truck heavy truck exhaust system as example, the match layout principles and design elements of the exhaust system parts were elaborated.The design principle and design elements of the exhaust system exhaust pipe, hanging system, SCR post-processing system exhaust pipes etc were introduced as well as research to the design process.Through modal analysis of the exhaust system and CAE analysis of vibration durability under given conditions,the integrality and scientificalness of the designed exhaust system were verified.

Heavy truck; Exhaust system; Matching design；Post processing SCR;The mode of CAE

2016-07-13

慈龍尚，男，工程碩士，高級工程師，現從事重型商用車進、排氣系統的設計開發及研究工作。E-mail：Longs813040624@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.007

U473.9

A

1674-1986(2016)10-032-05