排气系统结构振动特性分析与优化策略

排气系统结构振动特性分析与优化策略

何延刚，段何涛，麻金贺，于媛媛，马睿芝

安徽江淮汽车集团股份有限公司    安徽合肥    230601

摘要：汽车是人类出行的重要交通工具，随着社会和经济的不断发展，当前汽车的持有量不断增加。在使用汽车过程中不仅要注重安全和舒适性，还应当重视汽车性能。排气系统是汽车的重要部件，能够净化尾气和降低噪音，因此其运行状况会直接影响到整车性能。为了提升排气系统性能，需要对结构性振动特性进行分析，并采取有效策略优化，从而全面提升汽车质量。同时也为相关研究提供了有效参考，期望可以为汽车行业发展起到积极的推动作用。

关键词：排气系统结构；振动特征；分析；优化

随着城市化的不断推进，促进了社会的快速发展，在社会发展过程中汽车起到了重要作用。根据相关数据统计，当前中国汽车的保有量已经达到了1亿辆，这个数字非常惊人。这种快速发展的背后，污染和能源问题也越来越严峻。汽车排气系统是不可或缺的重要部件，决定了汽车的性能和尾气排放情况，为了提升车辆舒适性，需要对排气系统进行深入研究。我国的“十三五”规划要求汽车产业要向绿色化、高端化、信息化方向发展，而排气系统作为重要组成部分对性能要求更高。随着汽车产业的不断升级与转型，生产目标由“量”向“质”转变，因此产品性能被不断提高。排气系统问题大多数是由振动引起的，所以对排气系统进行振动研究具有重要的现实意义。

1排气系统概述

汽车尾气当中含有一些有害气体，不但会污染自然环境，还会影响人类健康。排气系统是指收集并排放废气的系统，其主要作用是能够降低噪声，同时还可以减少污染排放物，基本组成有以下几个部分。第一，排气歧管。第二，三元催化器。第三，波纹管。第四，排气管。第五，主副消声器。第六，排气尾管。第七，隔振系统。第八，其他部件。当废气排出气缸以后就会进入到排气歧管，这时排气歧管会将各缸气体集中，然后经排气系统排出。

2排气系统动力学分析

在研究排气系统特性基础上，开展动力学特性分析是获知系统特性的有效方法。动力学仿真涉及到了激励设置，而动力总成则是主要的激励源，所以需要考虑发动机和悬置影响。系统激励来源，主要有以下几个方面。第一，发动机特定工况下引起的激励。第二，轮胎加工缺陷引起的激励。第三，车辆加减速导致的激励。第四，车辆转弯出现的激励。由于垂直激励在行车中比例较大，且出现比较频繁，因此需要考虑垂直方向的动力学特性。因为加工技术导致了平衡偏差，所以需要对这种情况进行研究和分析。在研究过程中，需要注意以下几个方面。第一，静力学分析。排气系统由于受到自重和静力载荷的作用会出现震动情况，所以静力载荷应当分布均匀，否则会导致某处的静力载荷偏大，从而加速吊耳断裂，因此需要进行静力学分析。第二，频率响应分析。当排气系统出现剧烈振动时，如果受到底盘和地面干涉就会损坏排气系统。当吊耳传递的力过时会引起乘客不适，进而降低了车辆舒适性，所以需要进行频率响应分析。频率响应是指设置的激励是正弦载荷，在这种载荷作用下需关注系统力、位移、速度、加速度等情况。第三，共振。指激振频率达到的频率，以及振动幅值的最大值。共振会造成系统磨损，设计初期需考虑到激振频率情况。第四，隔振系统挂钩刚度分析。排气系统当中的隔振系统比较简单，主要有两侧挂钩和橡胶吊耳构成，而隔振效果取决于这两个部分刚度，所以刚度设置应当合理。

3排气系统优化策略

结构优化效果比较有限，进行振动优化终极目标就是降低力的作用，所以必须使用有效的隔振原件，匹配最佳的参数，才能实现这一目标。排气系统振动优化主要是波纹管和吊挂系统，为了保证隔振效果需降低排气系统振动。

3.1吊挂点优化

在排气系统当中的被动振动控制过程中，吊挂点位置优化是比较简单有效的方法。从理论上来讲挂钩位置应在频响分析下进行，这样对车身和振动的影响才会最低。排气系统的悬挂点位置设计会直接影响到振动和车身传递，所以要科学地布置悬挂点。为了减少车身振动，将悬挂点布置于排气系统节点上，能够起到较好的实际效果。

3.2吊耳优化

排气系统可以进行发动机排气，还能够处理有害废气和降低噪声与振动。排气吊耳可以悬吊排气系统，还能够约束排气系统跳动，避免与周边产生干扰，具有减振作用。吊耳是橡胶硫化制成的，具有耐热性、耐氧化性、耐腐蚀性能，在具体应用过程中形状不会受到限制，刚度可在给定区间内挑选，优点是物美价廉，适合量产，便于更换和维修。缺点是由于没有强制限位，在振动较大时不能强制约束，而且橡胶很容易老化，存在一定危险性。在优化吊耳的过程中，需要考虑以下几点。第一，静载荷变和静位移。第二，刚度可调范围。第三，吊耳的传递率。

3.3排气系统的优化理论

优化集成软件是由美国研发的，其计算流程是通过调用其他软件完成的，设计人员能够定义优化流程，设置目标函数与约束条件，然后自动寻找最优方案。在计算过程中不需要人工参与，只需要在前期优化流程和开始，就能自动调用软件求解。除了变更框架和优化方案外，软件可以自动迭代，实现了整个过程的自动化。

3.4多目标优化

优化可以分为以下三种。第一，是数值优化算法。第二，全局优化算法。第三，多目标优化算法。其中数值优化算法是局部优化，假设空间处于连续状态，本质是一种局部算法。而全局优化算法不会陷入到局部优化中，但计算量较大，且结果准确率较低。多目标优化算法目标不是单一的，需要进行多个目标优化，所以会成为一个解集。多目标优化的主要问题就是，能够对子目标在同一时间优化过程，基本上集成了多个目标问题，由于目标间存在相悖情况，所以试验人员应当依据主观意识权衡判断，比较不同目标结果。使用多目标优化方法进行排气系统优化，可以全面提升排气系统结构，从而有效地解决振动问题，显著地提升了车辆舒适性。

结束语：

  在进行排气系统振动特性分析时，需要考虑相关因素影响，才能有效地进行优化和控制。通过对吊挂点和吊耳的优化，在一定程度上优化了排气系统振动特性，利用软件计算求解更加地省时省力，提升了整体优化效率。

参考文献：

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