排气系统模态影响因素研究及其应用

[摘要]本文运用CAE仿真方法，研究排气系统上各个  零部件对排气模态振型和频率的影响，分别得出影响低频与高频振型及频率的关键部件，对前期如何控制排气振动和后期问题整改以及试验相关性分析具有  重要指导意义。并将此结论成功应用于由于排气振动引起车内轰鸣问题的某车型中，使车内噪声降低约5dB。

关键词：排气系统，车内轰鸣，模态振型，模态频率，敏感

引言

汽车NVH性能是影响乘客舒适性的重要性能之一，其中低频轰鸣问题为常见问题之一，而排气系统是引起低频轰鸣问题产生的主要系统之一，排气系统可以通过结构和噪声两条路径进入车内引起轰鸣，因此控制排气系统的结构振动，可以有效提高汽车NVH水平。排气系统结构分析中，排气模态是所有排气振动分析的基础，因此保证排气模型的相对准确，才能更好地控制排气振动的产生，提高汽车NVH性能。现阶段国内外对此方面的研究较少，在文献[1]和文献[2]中，作者对排气灵敏度做了相关研究，但是大部分只是对排气吊耳、排气柔性管、排气管路进行影响分析，没有彻底分析影响排气模态零部件的灵敏度，本文借用某车型排气系统，对排气系统的所有零部件研究，找出影响模态的关键零部件，从而达到在前期有效控制排气模态，更有效地控制排气振动问题产生，并对前期预防和后期问题整改及试验相关性分析方面具有重要指导意义。

1模态影响因素分析

图1为某车型全模态分析模型，其中软连接与橡胶吊耳以及悬置采用CBUSH单元进行模拟，隔板与消声器外壳采用CWELD进行模拟，焊缝和吊钩采用shell单元模拟，法兰采用四面体单元模拟。

1.1总体思路

本文以某车型排气系统为例做研究，提供研究排气系统部件敏感度的思路，主要按照整车-系统-零部件的思路进行分解模型，最终得出排气系统上各个部件对排气模态振型和频率的影响大小。

1.2分析及结论

1.2.1振型影响因素分析

1.自由模态影响因素

1）吊钩影响

去掉吊钩的模型如图3，将此模型模态与原系统模态进行相关性分析，分析得出振型相关性良好（见图4），由此得出吊钩对模态振型的影响甚微。

2）法兰影响

在1）模型基础上再去掉法兰（见图5），此模型与1）中模型做相关性分析，得出只要连接足够结实，法兰对振型影响甚微（见图6）。

图6 去掉吊钩和法兰的模型与去掉吊钩模型的

3）催化器影响

在2）模型基础上再去掉催化器（见图7），此模型与2）中模型做相关性分析，得出催化器对振型影响甚微（见图8）。

4）前消声器影响

在3）模型基础上去掉前消声器（见图9），此模型与3）模型相关性分析得出：前消声器主要对60Hz以上振型影响较大，即影响高频部分振型（见图10）。

5）后消声器影响

在4）基础上去掉后消声器结构（见图11）， 与4）中模型做相关性分析得出：后消声器对振型影响不大，对高频稍微有影响（见图12）。

6）管路影响

5）中模型与原自由模态模型做相关性分析，目的是研究管路对模态振型影响，分析得出：管路主要影响排气系统60Hz前振型，即低频部分振型（见图13）。

7）软连接影响

调整软连接刚度后与原模型进行相关性分析，分析得出如果软连接刚度变化较大，则对整个频率段的振型均有影响（结果见图14）。

2.约束影响

1）橡胶吊耳影响对自由模态模型加橡胶吊耳约束后（模型见图15） 与原模型进行相关性分析，分析得出橡胶吊耳主要影响60Hz前振型，即低频振型（结果见图16）。

2）动力总成影响

在1）基础上对热端加动力总成约束（模型见图17），与原模型进行相关性分析得出：除热端的局部模态外，其他模态振型均不受影响，因此动力总成对模态振型没有影响（结果见图18）。

综上所述，管路布置对排气系统低频模态振型起决定性作用，中间消声器对高频振型起决定性作用，软连接刚度参数对整个频率振型有较大影响，橡胶吊耳对低频模态振型有较大影响，其他件对模态振型影响甚微。因此在前期布置时，应重点考虑管路走向及中间消声器的位置。

1.2.2频率影响分析

对以上的模型进行频率统计，研究其对频率的影响，其结果见图19。在 低频（70Hz之前）  各个零部件对频率的敏感度影响均小于5Hz，在高频（70Hz以上）  法兰、中消、后消及软连接刚度参数对频率影响均较大，法兰影响最大，其次为中消。若后期产生高频振动问题，可以考虑通过以上敏感件调整频率，而低频问题从改变振型考虑比较有效，调频率效果不大。

2 某车型排气问题案例

2.1问题及原因

某车型在2500rpm左右车内出现轰鸣，对车内噪声阶次分析，车内2500rpm处轰鸣主要贡献量为4阶噪声，对应频率为166Hz左右，测试结果如图20所示。经排查发现，在3档pot工况，车内噪声与软连接后吊钩相关性较好，脱开吊钩后，轰鸣消失。经测试发现此吊钩车身侧振动在169Hz处有一共振带，如图21所示。经排查排气系统模态（165Hz）和车身纵梁（170Hz）频率接近，存在共振。

2.2解决方法及结论

由于后期排气系统很多部件更改起来比较困难，通过上面对排气系统敏感件的分析可以得出，在高频段要想调开排气频率，最简单的办法就是更改软连接刚度，从而避开与车身纵梁的频率。对软连接刚度进行调整后，经测试驾驶员右耳声压级从69.7dB降到64.9dB，声压级降低约5dB，结果见图22。

3 结论

本文通过分析排气系统零部件对排气模态振型和频率的影响，得出以下结论，并将结论运用于具体车型案例，快速方便解决车型问题，此研究对指导前期设计布置以及解决后期问题具有重大意义。

对振型的影响：

（1）管路布置对排气系统低频模态振型起决定性作用；

（2）中间消声器对高频振型起决定性作用；

（3）软连接刚度参数对整个频率振型有较大影响；

（4）橡胶吊耳对低频模态振型有较大影响；

（5）其他部件对模态振型影响甚微；

对频率的影响：

（1）在低频（70Hz之前）各个零部件对频率的敏感度影响均小于5Hz；

（2）在高频（70Hz以上）法兰、中消、后消及软连接刚度参数对频率影响均较大，法兰影响最大，其次为中消。

因此在前期布置时，应重点考虑管路走向及中间消声器的位置，若后期产生高频振动问题，可以考虑通过以上敏感件调整频率，而低频问题从改变振型考虑比较有效，调频率效果。

作者：张慧芳1 张建波1 范永恒1 吕士海1 陈岳昌1

作者单位：(1长城汽车股份有限公司技术中心,河北省汽车工程技术研究中心,保定   071000)

来源：2016汽车NVH控制技术研讨会论文集