汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)

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1、第六章排氣系統(tǒng)的振動(dòng)分析第六章排氣系統(tǒng)的振動(dòng)分析排氣系統(tǒng)一端與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，另一端則通過(guò)掛鉤與車體相連。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳遞給排氣系統(tǒng)，然后在通過(guò)掛鉤傳給車體。車體的振動(dòng)通過(guò)座椅、方向盤(pán)和地板直接傳給顧客，同時(shí)車體的振動(dòng)也會(huì)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(dòng)控制的最重要的目標(biāo)之一。排氣系統(tǒng)的振動(dòng)分析涉及到三個(gè)方面：模態(tài)分析，動(dòng)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(lái)了解其振動(dòng)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(dòng)源排氣系統(tǒng)的振動(dòng)源主要有四個(gè)：發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流沖擊，聲波激勵(lì)和車體的振動(dòng)，如圖

2、6.1所示。第一，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)。排氣系統(tǒng)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)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(guò)汽缸排出，直接沖擊排氣多支管，從而引起排氣系統(tǒng)振動(dòng)，特別是對(duì)于轉(zhuǎn)彎較急的部分。當(dāng)氣流進(jìn)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(dòng)。第三是聲波激勵(lì)的振動(dòng)。聲波在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)管道和消音元件等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，因此而引起振動(dòng)。排氣系統(tǒng)是通過(guò)掛鉤與車體相連，因此這些振動(dòng)會(huì)通過(guò)掛鉤傳遞到車體。排氣系統(tǒng)的第四個(gè)振動(dòng)源是車體的振動(dòng)。這個(gè)振動(dòng)傳遞方向與前面三種相反，車體振動(dòng)也會(huì)通過(guò)掛鉤傳遞到排氣系統(tǒng)。這種傳遞會(huì)逆向傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)，從而加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。圖6.1

3、排氣系統(tǒng)的振動(dòng)源第二節(jié)排氣系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)分析模態(tài)分析是排氣系統(tǒng)動(dòng)力計(jì)算的關(guān)鍵。我們知道排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)和車體相連，因此排氣系統(tǒng)的模態(tài)必須與發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率和車體的模態(tài)分開(kāi)，否則系統(tǒng)耦合在一起會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振。通過(guò)排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析還可以知道系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)的位置，這樣傳遞力會(huì)最小。在排氣系統(tǒng)模態(tài)分析時(shí)，通常要對(duì)下面幾個(gè)指標(biāo)設(shè)定目標(biāo)：35第六章排氣系統(tǒng)的振動(dòng)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(dòng)機(jī)激勵(lì)起的模態(tài)，同時(shí)這兩個(gè)模態(tài)的振動(dòng)也最容易傳遞到車體并

4、與車體發(fā)生共振。因此這兩個(gè)模態(tài)的頻率目標(biāo)是：與發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率避開(kāi)，與車體的固有頻率避開(kāi)。在四輪驅(qū)動(dòng)和全輪驅(qū)動(dòng)的汽車中，排氣系統(tǒng)有時(shí)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(kāi)。圖6.2和圖6.3分別示意一個(gè)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(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速一般設(shè)計(jì)成600rpm。對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，600rpm對(duì)應(yīng)的發(fā)火頻率為20赫茲；對(duì)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，600rpm對(duì)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(lì)出來(lái)。而高于250赫茲模態(tài)的動(dòng)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(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)，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(lì)起來(lái)，振動(dòng)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(jì)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(dòng)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(duì)于圖6.4(A)這樣的筆直系統(tǒng)，不僅振動(dòng)模態(tài)少，好控制，而且流體在管道中流動(dòng)通暢，因此背壓小，功率損失小。另外，這樣的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)重量輕，成本低。相反，對(duì)於圖6.4(B)中的彎曲系統(tǒng)，不僅振動(dòng)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(dòng)基本上是用有限元來(lái)分析。圖6.5(A)表示一個(gè)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(dòng)力分析35第六章排氣系統(tǒng)的振動(dòng)分析排氣系統(tǒng)動(dòng)力分析的目的是分析傳遞到車體上的力。這個(gè)力是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)。當(dāng)沒(méi)有達(dá)到這個(gè)目標(biāo)時(shí)，就必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改。與模態(tài)分析一樣，通常也是用有限元模型來(lái)計(jì)算掛鉤傳遞力。圖6.6表示一個(gè)排氣系統(tǒng)動(dòng)力分析的有限元模型。

7、圖6.6排氣系統(tǒng)動(dòng)力分析的有限元模型要計(jì)算傳遞力就必須知道發(fā)動(dòng)機(jī)施加給排氣系統(tǒng)的力和整個(gè)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(dòng)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(dòng)力裝置系統(tǒng)。動(dòng)力裝置是用剛性梁、質(zhì)量、慣性矩和彈簧來(lái)表示。動(dòng)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(gè)彈簧(每個(gè)彈簧有三個(gè)方向的剛度)來(lái)代表動(dòng)力裝置的隔振器。三個(gè)剛性梁分別將質(zhì)心與三個(gè)