某車型排氣系統橡膠吊耳優化設計

王林龍， 陸靜， 王宇翔

（廣西科技大學汽車與交通學院廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室，廣西柳州545006）

0 引言

降低排氣系統的振動是降低整車振動的重要方法。傳遞力直接影響了排氣系統傳遞給車身的振動大小。近年來國內外學者對排氣系統動力學特性分析和靜力學等展開研究[1-4]。上官文斌、黃志等[5]通過對吊鉤剛度的優化改善，車身底板的振動加速度下降明顯。本文基于正交試驗的思想，對傳遞力進行研究，通過選出Z向剛度為主要因素，列出了具有代表性的試驗。以整個系統的約束模態頻率和激勵頻率耦合最小優化函數，優化得到吊耳剛度，最終實現振動特性的優化。

1 有限元分析

所研究的排氣系統大部分結構為薄管壁結構，吊鉤為實體結構，所以建模時薄壁結構主要采用了殼單元，吊鉤采用六面體單元[6-10]。動力總成由賦予質量和轉動慣量的CONM2單元模擬，動力懸置由CBUSH彈性單元模擬，吊耳用CBUSH彈性單元模擬。建立的有限元模型如圖1所示。

對有限元模型進行諧響應分析，在動力總成質心施加20~200 Hz頻率范圍，方向繞Y軸，大小為100 N/m的轉矩激勵。發動機懸置和吊鉤連接處進行全約束，取各吊耳Z向剛度為10 N/mm，由Nastran求解出各吊鉤Z向傳遞力，提取出各頻率范圍各吊鉤傳遞力曲線峰值，如表1所示。

表1 各吊鉤傳遞力峰值 N

由相關研究表明[11-12]，當吊鉤與車身之間傳遞力大于10 N時，表明發動機的振動在經排氣系統懸置的傳遞中衰減較小，由表2可知，3號和5號吊鉤傳遞力大于10 N，2號吊鉤也十分接近10 N。

2 吊耳剛度優化

由有限元分析得到傳遞力偏大振動衰減小，容易造成疲勞破壞。對于這些問題選擇通過正交試驗優化吊耳Z向剛度來解決。根據實驗的因素和水平來選擇正交表，通常要求正交表選擇的列數應不小于因素的個數，同時保證合適的試驗次數，以提高試驗效率[13-15]。本文研究中試驗因素為5個橡膠吊耳Z向剛度，設計水平為：6 N/mm，8 N/mm，10 N/mm，12 N/mm，14 N/mm。因此本文選擇做25次試驗的L25（56）正交表，如表2所示。

根據諧響應分析，按照各個試驗中各吊耳剛度水平修改有限元模型中吊耳的剛度，即吊耳彈性單元CBUSH的參數，導入Nastran計算，記錄每次試驗的吊鉤傳遞力峰值，如表3所示。

表2 正交試驗表 N/mm

表3 各吊鉤傳遞力峰值 N

排氣系統的約束模態頻率要求較大的避開發動機怠速時的激勵頻率（fidle）和經濟轉速時的激勵頻率（feco），確定模態頻率優化目標函數如下公式:

式中，fi表示為怠速工況時，約束模態頻率中最為接近fidle的頻率；fj表示為經濟工況時，約束模態頻率中最為接近feco的頻率；αi和αj分別表示為頻率差值的權重系數。由于怠速和經濟兩種工況使用頻繁程度差不多，故將兩者設為相等αi=αj=0.5。本文發動機類型為四缸四沖程汽油發動機，怠速轉速通常為800 r/min，經濟轉速為3000 r/min。因此有，fidle=26.7 Hz，feco=100 Hz。

汽車排氣系統的設計過程中主要考慮的頻率范圍是0~200 Hz，對本文排氣系統有限元模型，運用Lanczos數值算法計算模態參數，選取分析頻率范圍為0~200 Hz按照各個試驗中各吊耳剛度水平修改有限元模型中吊耳的剛度，設置工況以及約束分別求解出各試驗的模態參數，分別選出fi和fj。代入式（1）得到各試驗目標函數值，如表4所示，取目標函數值最大的試驗作為最優剛度搭配方案。

表4的計算得到，第18組試驗的目標函數值F最大，表明該方案下激勵頻率和系統模態頻率耦合最小，其中1~5號吊鉤傳遞力峰值最大值為8.227 N，小于10 N，最大值和最小值也相差不大，比較平衡，同時也滿足工程要求，因此該試驗方案符合優化設計要求。所以，本次正交設計試驗最優方案1~5號吊耳Z向剛度分別取12 N/mm，10 N/mm，6 N/mm，12 N/mm，8 N/mm。經過優化后選出3號吊鉤和5號吊鉤Z向傳遞力峰值對比，如圖2所示。其中實線代表優化前的傳遞力，虛線代表優化后傳遞力。

表4 各試驗目標函數值

圖2 優化前后傳遞力對比

排氣系統橡膠吊耳Z向剛度經過正交試驗設計優化后，在0～200 Hz吊鉤的傳遞力峰值有明顯的改善，有效地減小了排氣系統傳遞到車身底板的作用力，降低了振動，提高了汽車的使用壽命和乘坐舒適感，表明本次優化結果符合要求。

3 結語

本文首先完成了對排氣系統的有限元建模，在模型的基礎上進行傳遞力分析，分析結果表明傳遞力偏大，振動衰減小，為了改善這一問題選擇優化橡膠吊耳Z向剛度來實現傳遞力的優化，達到既經濟又可靠，最后以整個系統的約束模態頻率和激勵頻率耦合最小優化函數作為考核指標，優化得到吊鉤剛度最佳匹配方案，最終實現振動特性的優化。可為車輛部件的設計實現工業化提供參考。

[1]曹丹青.排氣系統結構振動特性分析與優化[D].鎮江:江蘇大學,2016.

[2]劉名,翁建生.排氣系統振動分析和懸掛點位置優化[J].噪聲與振動控制,2010,30(5):95-97.

[3]邢素芳,王現榮,王超,等.發動機排氣系統振動分析[J].河北工業大學學報,2005(5):83-86.

[4]徐獻陽.車輛排氣系統的模態分析及振動優化[D].上海:上海交通大學,2008.

[5]上官文斌,黃志,賀良勇,等.汽車排氣系統吊耳動剛度優化方法的研究[J].振動與沖擊,2010,29(1):100-103,152.

[6]楊萬里,陳燕,鄧小龍,等.乘用車排氣系統模態分析數值模型研究[J].三峽大學學報(自然科學版),2005,27(4):345-347.

[7]馬開柱,陳劍,王建楠,等.排氣系統模態分析及懸掛點位置優化[J].機械設計與制造,2008(11):202-203.

[8]廖芳,高衛民,顧彥,等.基于振動傳遞函數的排氣系統懸掛點位置優化[J].同濟大學學報(自然科學版),2012,40(6):926-931.

[9]張家璽,王遠,潘震,等.基于MSC.Nastran的排氣系統懸掛點布置分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2009,32(12):1805-1808.

[10]馬慰慈.某車排氣消聲系統懸置優化設計[D].武漢:華中科技大學,2009.

[11]張修路,姚國鳳,韓春楊,等.汽車排氣系統的懸掛點對減震效果的仿真分析[J].系統仿真學報,2014,26(4):796-801.

[12]黃志,范讓林,段小成,等.汽車排氣系統吊耳及設計原則[J].噪聲與振動控制,2009,29(2):110-114.

[13]邱軼兵.試驗設計與數據處理[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2008:1-48.

[14]RAOMD,WIRKNERKJ,GRUENBERGS.Dynamic characterization of automotive exhaust isolators[J].Journal of Automobile Engineering,2004，218(8):891-900.

[15]李德葆,陸秋海.實驗模態分析及其應用[M].北京:科學出版社,2001.