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汽车排气系统的振动模态分析

      排气系统一端与发动机相连,另一端则通过挂钩与车体相连。发动机的振动传递给排气系统,然后在通过挂钩传给车体。车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给顾客,同时车体的振动也会幅射出去,在车内产生噪声。所以控制传到车体的力是排气系统振动控制的*重要的目标之一。


     排气系统的振动分析涉及到三个方面:模态分析,动力分析和传递渠道的灵敏度分析。排气系统的结构非常复杂,几乎不可能用经典的力学分析来了解其振动特性,在工业界,有限元方法已经得到了广泛应用。


排气系统的振动源

     排气系统的振动源主要有四个:发动机的机械振动,发动机的气流冲击,声波激励和车体的振动,如图1所示。**,发动机机械振动。排气系统直接与发动机相连接,因此发动机的振动也就直接传递给排气系统。**,气流冲击。高速气流经过汽缸排出,直接冲击排气多支管,从而引起排气系统振动,特别是对于转弯较急的部分。当气流进入到排气系统后,气流在管道内产生紊流,从而引起排气管道的振动。第三是声波激励的振动。声波在管道中运动时,会对管道和消音元件等结构产生冲击,因此而引起振动。排气系统是通过挂钩与车体相连,因此这些振动会通过挂钩传递到车体。


     排气系统的第四个振动源是车体的振动。这个振动传递方向与前面三种相反,车体振动也会通过挂钩传递到排气系统。这种传递会逆向传递到发动机,从而加大了发动机的振动。

                                                                    图1 排气系统的振动源

二、排气系统的振动模态分析

     模态分析是排气系统动力计算的关键。我们知道排气系统与发动机和车体相连,因此排气系统的模态必须与发动机的激振频率和车体的模态分开,否则

     系统耦合在一起会产生强烈的共振。通过排气系统的模态分析还可以知道系统的节点和反节点,从而可以更有效地布置挂钩的位置。通常,挂钩是放在节

点的位置,这样传递力会*小。在排气系统模态分析时,通常要对下面几个指标设定目标:

**阶垂向弯曲模态
**阶横向弯曲模态
**阶横向扭转模态

模态密度
     **阶垂向弯曲模态和**阶横向弯曲模态是排气系统中*容易被发动机激励起的模态,同时这两个模态的振动也*容易传递到车体并与车体发生共振。因此这两个模态的频率目标是:与发动机的激励频率避开,与车体的固有频率避开。在四轮驱动和全轮驱动的汽车中,排气系统有时候与传递轴系共用支撑架,因此排气系统的频率也必须与传递轴系的频率分开。图2和图3分别示意一个排气系统的**阶垂向弯曲模态和**阶横向弯曲模态。

                                                    图2 **阶垂向弯曲模态(侧视图)

                                                  图3 **阶横向弯曲模态(俯视图)

      发动机的*低转速一般设计成600rpm。对四缸发动机来说,600rpm对应的发火频率为20赫兹;对六缸发动机来说,600rpm对应的发火频率为30赫兹。所以排气系统中低于20赫兹的模态很难被激励出来。而高于250赫兹模态的动力响应一般比较低。这样排气系统的模态分析多半是在20到250赫兹之间的范围内。

     在设计排气系统时,要使得其模态越少越好。如果模态太多,那么系统某些频率很容易被激励起来,振动容易被传递到车体。通常排气系统应该尽可能地设计成一条直线,如图4(A)所示,而避免弯曲的形状,如图4(B)所示。


                                                                                (A)

                                                                                   (B)


       对于图4(A)这样的笔直系统,不仅振动模态少,好控制,而且流体在管道中流动通畅,因此背压小,功率损失小。另外,这样的简单结构重量轻,成本低。相反,对於图4(B)中的弯曲系统,不仅振动模态多,不好控制,而且背压很高,系统的功率损失大。另外,这种结构重量大,成本高。
      影响排气系统模态的因素有:排气系统中管道的走向(笔直系统或弯曲系统),柔性连接管的刚度,挂钩的数量和位置,挂钩隔振器的刚度等等。排气系统的模态与振动基本上是用有限元来分析。图5(A)表示一个排气系统的有限元模型,图5(B)为消音器及管道的局部图。

                         


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