汽车进排气系统的噪声与振动

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1、第六章排气系统的振动分析第六章排气系统的振动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最重要的目标之一。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。第一节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

2、6.1所示。第一，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。第二，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6.1

3、排气系统的振动源第二节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，这样传递力会最小。在排气系统模态分析时，通常要对下面几个指标设定目标：35第六章排气系统的振动分析第一阶垂向弯曲模态第一阶横向弯曲模态第一阶横向扭转模态模态密度第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向弯曲模态是排气系统中最容易被发动机激励起的模态，同时这两个模态的振动也最容易传递到车体并

4、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6.2和图6.3分别示意一个排气系统的第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向弯曲模态。图6.2第一阶垂向弯曲模态(侧视图)图6.3第一阶横向弯曲模态(俯视图)发动机的最低转速一般设计成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

5、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6.4(A)所示，而避免弯曲的形状，如图6.4(B)所示。35第六章排气系统的振动分析(A)(B)图6.4笔直排气系统(A)与弯曲排气系统(B)对于图6.4(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6.4(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

6、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6.5(A)表示一个排气系统的有限元模型，图6.5(B)为消音器及管道的局部图。图6.5排气系统的有限元模型及局部放大图第三节排气系统动力分析35第六章排气系统的振动分析排气系统动力分析的目的是分析传递到车体上的力。这个力是排气系统设计的一个重要目标。当没有达到这个目标时，就必须对系统进行修改。与模态分析一样，通常也是用有限元模型来计算挂钩传递力。图6.6表示一个排气系统动力分析的有限元模型。

7、图6.6排气系统动力分析的有限元模型要计算传递力就必须知道发动机施加给排气系统的力和整个系统的边界条件。排气系统施加力的方法有好几种，这里介绍一种最直观的方法，即在动力装置的质心处加扭矩。图6.6中不仅有排气系统而且还包括动力装置系统。动力装置是用刚性梁、质量、惯性矩和弹簧来表示。动力装置的质量和惯性矩等参数放在其质心上。用三个弹簧(每个弹簧有三个方向的刚度)来代表动力装置的隔振器。三个刚性梁分别将质心与三个