汽車進排氣系統(tǒng)的噪聲與振動

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1、第六章排氣系統(tǒng)的振動分析第六章排氣系統(tǒng)的振動分析排氣系統(tǒng)一端與發(fā)動機相連，另一端則通過掛鉤與車體相連。發(fā)動機的振動傳遞給排氣系統(tǒng)，然后在通過掛鉤傳給車體。車體的振動通過座椅、方向盤和地板直接傳給顧客，同時車體的振動也會幅射出去，在車內(nèi)產(chǎn)生噪聲。所以控制傳到車體的力是排氣系統(tǒng)振動控制的最重要的目標(biāo)之一。排氣系統(tǒng)的振動分析涉及到三個方面：模態(tài)分析，動力分析和傳遞渠道的靈敏度分析。排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，幾乎不可能用經(jīng)典的力學(xué)分析來了解其振動特性，在工業(yè)界，有限元方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。第一節(jié)排氣系統(tǒng)的振動源排氣系統(tǒng)的振動源主要有四個：發(fā)動機的機械振動，發(fā)動機的氣流沖擊，聲波激勵和車體的振動，如圖

2、6.1所示。第一，發(fā)動機機械振動。排氣系統(tǒng)直接與發(fā)動機相連接，因此發(fā)動機的振動也就直接傳遞給排氣系統(tǒng)。第二，氣流沖擊。高速氣流經(jīng)過汽缸排出，直接沖擊排氣多支管，從而引起排氣系統(tǒng)振動，特別是對于轉(zhuǎn)彎較急的部分。當(dāng)氣流進入到排氣系統(tǒng)后，氣流在管道內(nèi)產(chǎn)生紊流，從而引起排氣管道的振動。第三是聲波激勵的振動。聲波在管道中運動時，會對管道和消音元件等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，因此而引起振動。排氣系統(tǒng)是通過掛鉤與車體相連，因此這些振動會通過掛鉤傳遞到車體。排氣系統(tǒng)的第四個振動源是車體的振動。這個振動傳遞方向與前面三種相反，車體振動也會通過掛鉤傳遞到排氣系統(tǒng)。這種傳遞會逆向傳遞到發(fā)動機，從而加大了發(fā)動機的振動。圖6.1

3、排氣系統(tǒng)的振動源第二節(jié)排氣系統(tǒng)的振動模態(tài)分析模態(tài)分析是排氣系統(tǒng)動力計算的關(guān)鍵。我們知道排氣系統(tǒng)與發(fā)動機和車體相連，因此排氣系統(tǒng)的模態(tài)必須與發(fā)動機的激振頻率和車體的模態(tài)分開，否則系統(tǒng)耦合在一起會產(chǎn)生強烈的共振。通過排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析還可以知道系統(tǒng)的節(jié)點和反節(jié)點，從而可以更有效地布置掛鉤的位置。通常，掛鉤是放在節(jié)點的位置，這樣傳遞力會最小。在排氣系統(tǒng)模態(tài)分析時，通常要對下面幾個指標(biāo)設(shè)定目標(biāo)：35第六章排氣系統(tǒng)的振動分析第一階垂向彎曲模態(tài)第一階橫向彎曲模態(tài)第一階橫向扭轉(zhuǎn)模態(tài)模態(tài)密度第一階垂向彎曲模態(tài)和第一階橫向彎曲模態(tài)是排氣系統(tǒng)中最容易被發(fā)動機激勵起的模態(tài)，同時這兩個模態(tài)的振動也最容易傳遞到車體并

4、與車體發(fā)生共振。因此這兩個模態(tài)的頻率目標(biāo)是：與發(fā)動機的激勵頻率避開，與車體的固有頻率避開。在四輪驅(qū)動和全輪驅(qū)動的汽車中，排氣系統(tǒng)有時候與傳遞軸系共用支撐架，因此排氣系統(tǒng)的頻率也必須與傳遞軸系的頻率分開。圖6.2和圖6.3分別示意一個排氣系統(tǒng)的第一階垂向彎曲模態(tài)和第一階橫向彎曲模態(tài)。圖6.2第一階垂向彎曲模態(tài)(側(cè)視圖)圖6.3第一階橫向彎曲模態(tài)(俯視圖)發(fā)動機的最低轉(zhuǎn)速一般設(shè)計成600rpm。對四缸發(fā)動機來說，600rpm對應(yīng)的發(fā)火頻率為20赫茲；對六缸發(fā)動機來說，600rpm對應(yīng)的發(fā)火頻率為30赫茲。所以排氣系統(tǒng)中低于20赫茲的模態(tài)很難被激勵出來。而高于250赫茲模態(tài)的動力響應(yīng)一般比較低。這

5、樣排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析多半是在20到250赫茲之間的范圍內(nèi)。在設(shè)計排氣系統(tǒng)時，要使得其模態(tài)越少越好。如果模態(tài)太多，那么系統(tǒng)某些頻率很容易被激勵起來，振動容易被傳遞到車體。通常排氣系統(tǒng)應(yīng)該盡可能地設(shè)計成一條直線，如圖6.4(A)所示，而避免彎曲的形狀，如圖6.4(B)所示。35第六章排氣系統(tǒng)的振動分析(A)(B)圖6.4筆直排氣系統(tǒng)(A)與彎曲排氣系統(tǒng)(B)對于圖6.4(A)這樣的筆直系統(tǒng)，不僅振動模態(tài)少，好控制，而且流體在管道中流動通暢，因此背壓小，功率損失小。另外，這樣的簡單結(jié)構(gòu)重量輕，成本低。相反，對於圖6.4(B)中的彎曲系統(tǒng)，不僅振動模態(tài)多，不好控制，而且背壓很高，系統(tǒng)的功率損失大。另

6、外，這種結(jié)構(gòu)重量大，成本高。影響排氣系統(tǒng)模態(tài)的因素有：排氣系統(tǒng)中管道的走向(筆直系統(tǒng)或彎曲系統(tǒng))，柔性連接管的剛度，掛鉤的數(shù)量和位置，掛鉤隔振器的剛度等等。排氣系統(tǒng)的模態(tài)與振動基本上是用有限元來分析。圖6.5(A)表示一個排氣系統(tǒng)的有限元模型，圖6.5(B)為消音器及管道的局部圖。圖6.5排氣系統(tǒng)的有限元模型及局部放大圖第三節(jié)排氣系統(tǒng)動力分析35第六章排氣系統(tǒng)的振動分析排氣系統(tǒng)動力分析的目的是分析傳遞到車體上的力。這個力是排氣系統(tǒng)設(shè)計的一個重要目標(biāo)。當(dāng)沒有達到這個目標(biāo)時，就必須對系統(tǒng)進行修改。與模態(tài)分析一樣，通常也是用有限元模型來計算掛鉤傳遞力。圖6.6表示一個排氣系統(tǒng)動力分析的有限元模型。

7、圖6.6排氣系統(tǒng)動力分析的有限元模型要計算傳遞力就必須知道發(fā)動機施加給排氣系統(tǒng)的力和整個系統(tǒng)的邊界條件。排氣系統(tǒng)施加力的方法有好幾種，這里介紹一種最直觀的方法，即在動力裝置的質(zhì)心處加扭矩。圖6.6中不僅有排氣系統(tǒng)而且還包括動力裝置系統(tǒng)。動力裝置是用剛性梁、質(zhì)量、慣性矩和彈簧來表示。動力裝置的質(zhì)量和慣性矩等參數(shù)放在其質(zhì)心上。用三個彈簧(每個彈簧有三個方向的剛度)來代表動力裝置的隔振器。三個剛性梁分別將質(zhì)心與三個