汽车排气系统振动特性及优化流程的研究分析

1、 前言

车身的振动会通过座椅、地板和方向盘传递到车内驾驶员和乘客，同时车身的振动也会通过车身壁板等辐射出去产生车内噪声。排气系统是动力总成振动激励源传递到车身的重要路径，所以控制传递到车身的激励是排气系统振动控制的最重要目标之一。

排气系统振动优化分析流程主要如下：1）建立有限元模型；2）计算排气系统模态；3）LMS Virtual.Lab中导入FE模型和模态计算文件；4）定义激励力和输入输出点；5）计算排气系统传递到车身的激励；6）优化；7）重新校验排气系统传递到车身的激励。

2 、模型建立

图1 排气系统等有限元模型

为了提高建模及计算速度，首先建立排气系统、动力总成、悬置系统及副车架有限元模型，如图1所示。其中动力总成和排气系统悬置用CBUSH单元表示，刚度值为测试值。动力总成质心、质量及转动惯量数据通过转动惯量测试台测试得到。排气系统挂钩用CBEAM单元表示。

3、 排气系统振动分析

建立好模型后，通过NASTRAN计算得到整个系统的模态分析结果。在LMS Virtual.Lab中导入FE模型和模态结果文件，并在动力总成质心激励点添加动力总成理论激励，如图2所示，并将输出点定义为所有排气系统悬置车身侧振动响应。

图2 4缸发动机动力总成2阶激励

图3 排气系统输入输出点定义

图4 排气系统悬置车身侧三向加速度响应曲线

通过基于模态的力激励响应分析，得到排气系统悬置车身侧加速度响应曲线，如图4所示。可以看出，排气系统在33-200Hz之间动力总成二阶激励对排气系统悬置车身侧产生了若干峰值激励。这些激励可能与车身地板模态共振，并引起地板较大的激励响应。通过测试车内声压并对声压响应进行阶次分解，得到如图5所示曲线，可以看出在1400rpm（2阶47Hz）、2320rpm（2阶77Hz）和3133rpm（2阶104Hz）出现与二阶激励相关的峰值激励。对照图4排气系统悬置车身侧加速度响应曲线可以初步判断，动力总成激励可能在46Hz和101Hz附近通过排气系统挂钩激励车身地板，进而引起车内噪声峰值过大。

图5 车内测试的后排右侧乘员耳侧声压

图6 车身地板和排气系统在46Hz的共振模态振型

图6为车身地板和排气系统在46Hz附近的振型图，可以看出动力总成二阶激励在46Hz附近可能会引起地板的剧烈振动，有必要加强车身地板或降低排气系统振动水平。由于在46Hz附近，整个地板以排气系统2#挂钩附近为中心振动，整体加强存在困难，所以首先考虑对排气系统进行优化，初步优化方案：1）考虑到波纹管刚度较大，首先选择刚度较小的波纹管；2）通过调节排气系统悬置刚度来在满足限位的情况下调整整个排气系统模态振型，避开与地板共振。

4、 排气系统振动优化

图7 排气系统悬置车身侧加速度三向响应曲线（改进后）

图8 排气系统在43Hz的模态振型（改进后）

通过调整波纹管刚度和排气系统悬置刚度，动力总成激励传递到排气系统冷端的振动得到很大衰减，排气系统模态各挂钩传递到车身的激励峰值也发生了变化，如图7所示。第一个峰值已经从46Hz调整到了43Hz，而且排气系统43Hz的模态振型中，2#挂钩位于模态节点附近，振动相对较小。同时，101Hz附近的峰值已经消失。

5、 总结

排气系统整体的振动特性峰值存在与车身地板振动模态耦合的风险，通过对排气系统振动特性的分析，可以了解排气系统每个挂钩传递到车身的振动情况。进一步通过对车身的研究，可以发现并通过优化排气系统排除排气系统与车身地板的共振耦合风险。下一步计划通过在实车上调整排气系统进行进一步验证。

责任编辑：gt