某重卡發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭凱

摘要： 基于考察某重卡排氣管可靠性目的，本文利用錘擊模態(tài)試驗(yàn)方法，對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析并考察其振動(dòng)情況。通過加強(qiáng)約束方式，使該排氣系統(tǒng)一階固有頻率由91.59Hz提高到發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火激勵(lì)頻率以上，并降低了排氣系統(tǒng)的振動(dòng)，取得了理想的效果。結(jié)果表明，通過增強(qiáng)支架約束方法能有效的避免因發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)共振引起的故障。

Abstract： For the purpose of investigating the reliability of the exhaust pipe of a heavy truck， this paper uses the hammering modal test method to calculate and analyze the modal of the exhaust system and investigate its vibration. The first order natural frequency of the exhaust system is increased from 91.59Hz to more than the ignition excitation frequency corresponding to the rated engine speed by strengthening the restraint mode， and the vibration of the exhaust system is reduced， and the effect is ideal. The results show that the fault caused by engine excitation resonance can be effectively avoided by strengthening the bracket constraint method.

關(guān)鍵詞： 排氣系統(tǒng);錘擊法;模態(tài)分析;振動(dòng)

Key words： exhaust system;hammering method;modal analysis;vibration

中圖分類號(hào)：U473.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0003-02

0? 引言

振動(dòng)疲勞能夠引起排氣管的失效，發(fā)動(dòng)機(jī)和車身的激勵(lì)頻率與排氣管的固有頻率相近，會(huì)產(chǎn)生共振，這種共振會(huì)增大排氣管的振動(dòng)幅度，導(dǎo)致其加速斷裂破壞[1]。模態(tài)分析作為研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的常用手段，其分析的核心內(nèi)容就是確定固有頻率、阻尼比及振型等模態(tài)參數(shù)[2]。

本文針對(duì)排氣管進(jìn)行模態(tài)分析的目的是為了獲得排氣管的固有頻率，進(jìn)而能夠確定引起疲勞破壞的激勵(lì)頻率，避免發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管共振情況的發(fā)生。

1? 分析對(duì)象

排氣系統(tǒng)的主要作用是利用最小流動(dòng)阻力，把發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生的廢氣排除，降低缸內(nèi)壓力，有利于混合氣的正常燃燒[3-4]。該車排氣系統(tǒng)組成包括排氣管、支架、排氣制動(dòng)閥、波紋管和消聲器，排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

2? 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 模態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行錘擊模態(tài)試驗(yàn)，該排氣系統(tǒng)約束模態(tài)一階頻率為91.45Hz，低于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（1900rpm）下點(diǎn)火激勵(lì)，在高轉(zhuǎn)速區(qū)間存在共振風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)試結(jié)果如表1所示，振型如圖3所示，系統(tǒng)主要振型為波紋管連接處的上下擺動(dòng)。

排氣系統(tǒng)一階模態(tài)應(yīng)至少提高至發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)激勵(lì)以上，即95Hz以上。

2.2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由怠速緩慢升高至最高轉(zhuǎn)速。通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方式來達(dá)到掃頻目的并同時(shí)考察排氣系統(tǒng)在整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間的振動(dòng)情況。排氣系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意圖如圖4所示[5]。

排氣系統(tǒng)不同部位振動(dòng)情況如圖5所示。

通過圖5分析可知，波紋管前測(cè)點(diǎn)振動(dòng)烈度在中高轉(zhuǎn)速區(qū)間大于30mm/s2，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3? 優(yōu)化設(shè)計(jì)及測(cè)試

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)一階模態(tài)振型圖，對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將卡箍約束更改為焊接約束并增加加強(qiáng)筋以提高系統(tǒng)模態(tài)，降低振動(dòng)烈度[6]。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在同一車輛上更換優(yōu)化支架后排氣管，并進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)。錘擊模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，排氣系統(tǒng)的一階模態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)如圖8所示，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)在全轉(zhuǎn)速范圍振動(dòng)均小于30mm/s2。

4? 結(jié)論

在該機(jī)型整車匹配階段，利用錘擊法對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，整個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)得到了提升，振動(dòng)烈度得到降低。

應(yīng)用試驗(yàn)方法可以很好的反饋設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)成功率，減少市場(chǎng)故障的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋海生，史文庫，郭福祥，等.基于車地板振動(dòng)控制的副車架分析和優(yōu)化[J].汽車工程，2010，32（7）：601-604.

[2]陸爽，孫明禮，丁金福，胡仁喜，等.ANSYS Workbench13.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]李建康，鄭立輝，宋向榮.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)動(dòng)剛度模態(tài)分析[J].汽車工程，2010，32（7）：601-604.

[4]萬茂林，張光慧，楊超云.汽車排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析[J].汽車工程師，2011（9）：48-50.

[5]張文博.重型商用車排氣系統(tǒng)阻力與溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究 [D].西安：西安石油大學(xué)，2011.

[6]師漢民.機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)-分析·測(cè)試·建模·對(duì)策[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

[7]田育耕，劉江華，王巖松，許振華.汽車排氣系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài).分析及懸掛點(diǎn)優(yōu)化[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28（12）：995-998.