某重卡发动机排气系统结构优化

郭凯

摘要： 基于考察某重卡排气管可靠性目的，本文利用锤击模态试验方法，对排气系统进行模态计算分析并考察其振动情况。通过加强约束方式，使该排气系统一阶固有频率由91.59Hz提高到发动机额定转速对应的点火激励频率以上，并降低了排气系统的振动，取得了理想的效果。结果表明，通过增强支架约束方法能有效的避免因发动机激励共振引起的故障。

Abstract： For the purpose of investigating the reliability of the exhaust pipe of a heavy truck， this paper uses the hammering modal test method to calculate and analyze the modal of the exhaust system and investigate its vibration. The first order natural frequency of the exhaust system is increased from 91.59Hz to more than the ignition excitation frequency corresponding to the rated engine speed by strengthening the restraint mode， and the vibration of the exhaust system is reduced， and the effect is ideal. The results show that the fault caused by engine excitation resonance can be effectively avoided by strengthening the bracket constraint method.

关键词： 排气系统;锤击法;模态分析;振动

Key words： exhaust system;hammering method;modal analysis;vibration

中图分类号：U473.9                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0003-02

0  引言

振动疲劳能够引起排气管的失效，发动机和车身的激励频率与排气管的固有频率相近，会产生共振，这种共振会增大排气管的振动幅度，导致其加速断裂破坏[1]。模态分析作为研究结构振动特性的常用手段，其分析的核心内容就是确定固有频率、阻尼比及振型等模态参数[2]。

本文针对排气管进行模态分析的目的是为了获得排气管的固有频率，进而能够确定引起疲劳破坏的激励频率，避免发动机排气管共振情况的发生。

1  分析对象

排气系统的主要作用是利用最小流动阻力，把发动机工作过程中产生的废气排除，降低缸内压力，有利于混合气的正常燃烧[3-4]。该车排气系统组成包括排气管、支架、排气制动阀、波纹管和消声器，排气系统结构示意图如图1 所示。

2  测试结果分析

2.1 模态测试结果分析

对排气系统进行锤击模态试验，该排气系统约束模态一阶频率为91.45Hz，低于发动机额定转速（1900rpm）下点火激励，在高转速区间存在共振风险。测试结果如表1所示，振型如图3所示，系统主要振型为波纹管连接处的上下摆动。

排气系统一阶模态应至少提高至发动机额定转速对应激励以上，即95Hz以上。

2.2 振动测试结果分析

控制發动机转速，将发动机转速由怠速缓慢升高至最高转速。通过控制发动机转速方式来达到扫频目的并同时考察排气系统在整个转速区间的振动情况。排气系统振动测点示意图如图4所示[5]。

排气系统不同部位振动情况如图5所示。

通过图5分析可知，波纹管前测点振动烈度在中高转速区间大于30mm/s2，存在一定的风险。

3  优化设计及测试

3.1 结构优化

根据一阶模态振型图，对排气系统进行结构优化，将卡箍约束更改为焊接约束并增加加强筋以提高系统模态，降低振动烈度[6]。优化后结构如图6所示。

3.2 试验验证

在同一车辆上更换优化支架后排气管，并进行模态试验和振动试验。锤击模态试验结果如表2所示。根据模态试验结果可以看出，排气系统的一阶模态满足设计要求。

优化后的排气系统在发动机全转速范围内的各测点振动如图8所示，各测点振动在全转速范围振动均小于30mm/s2。

4  结论

在该机型整车匹配阶段，利用锤击法对排气系统进行了模态试验和振动试验，根据试验结果，对结构进行优化改进，整个系统的模态得到了提升，振动烈度得到降低。

应用试验方法可以很好的反馈设计，提高设计成功率，减少市场故障的发生。

参考文献：

[1]宋海生，史文库，郭福祥，等.基于车地板振动控制的副车架分析和优化[J].汽车工程，2010，32（7）：601-604.

[2]陆爽，孙明礼，丁金福，胡仁喜，等.ANSYS Workbench13.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]李建康，郑立辉，宋向荣.汽车发动机悬置系统动刚度模态分析[J].汽车工程，2010，32（7）：601-604.

[4]万茂林，张光慧，杨超云.汽车排气系统的模态分析[J].汽车工程师，2011（9）：48-50.

[5]张文博.重型商用车排气系统阻力与温度场分布规律研究 [D].西安：西安石油大学，2011.

[6]师汉民.机械振动系统-分析·测试·建模·对策[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[7]田育耕，刘江华，王岩松，许振华.汽车排气系统振动模态.分析及悬挂点优化[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2009，28（12）：995-998.