车辆排气系统吊挂位置的确定

车辆排气系统吊挂位置的确定

摘要：这篇文章分析了汽车排气系统的构造，参考汽车排气时出现的振动情况，分析排气系统的运转状态、振动变化，使用有限元软件对汽车排气系统做模态分析即基于模态理论，得出整个系统在各阶模态的振型与频率。为下一步实现悬挂弹簧位置优化设计奠定基础。汽车内燃机的抖动影响排气系统的工作，底板部分受到振动的影响，所以要想减小整车的抖动、提升人们在车上的舒适性就必须布置好合适的的吊挂位置。合适的悬挂吊挂方法和吊挂位置就是减小振动的最佳途径。这篇文章最初要以模态理论为基础对汽车排气情况下进行理论研究，总结出原来的单位时间内完成周期性变化的次数与各阶的模态振型，分析内燃机输出的转动速率变化与车中单位时间内完成周期性变化的次数被乘客接收到的变化，从而把前六阶的频率选择当作分析频率。运用层次分析法解答出各阶振型彼此权系数的求和，其次对一类汽车排气情况前6阶自由状况解出加权系数，选择ADDOFD求出汽车排气状况振型加权位移最优的值当成汽车排气结构悬置改善的点，然后达到减小振动效果。

关键词：汽车排气系统；悬挂系统；模态分析；优化设计

1绪论 1

1.1课题来源与背景 1

1.2研究的意义 1

1.3国内研究的现状 2

1.4本文研究的内容 4

2排气系统模态分析 5

2.1有限元法的基本理论 5

2.2排气系统有限元建模说明 8

2.4本章小结 14

3汽车排气系统悬挂点的优化 16

3.1悬挂点选择的理论依据 16

3.2权重的确定 17

3.3加权位移分析结果 20

3.4本章小结 20

4总结与展望 22

1绪论

1.1课题来源与背景

过去，汽车只能在低速行驶，因为当时发动机的功率不高，所以车辆的噪音和振动问题没有得到重视；现在，这些问题日益明显。汽车在人们的生活中更加重要。因为汽车发展是国家现代化程度的重要指标之一，所以降低车辆振动更为必要。汽车抖动越小，人们更安稳，车辆本身发出的的杂声就越小，那么对汽车设计时各方面性能规定也越来越高，从而车辆的优势更明显，所以绝大部分企业把降低汽车杂音作为很重要的任务，为此各个企业也花费了很大的经费来研究降低汽车杂音的方法与措施。汽车排气系统是汽车一个重要的系统，它不但保证汽车发动机产生的废气有效的排出并且符合排放标准，而且废气排放时的噪音符合一定的标准。现如今，人们提高了保护环境的意识，排气系统在整车系统中也显得越来越重要。

汽车排气系统是指起收集并排放废气作用的系统，主、副排气系统主要作用是降低汽车发动机工作时产生的杂音；波纹管和排气结构悬挂装置的作用是吸收排气时发出的抖动。因此关于优化排气结构的设计是不可缺少的，尤其对于减少杂音和减小抖动的分析，从而可以增加车辆的稳定性。

汽车排气系统很复杂，汽车行驶在路面上时，所发出噪声频率范围在200Hz到2000Hz之间，这对于降噪提出了很高的要求。所以汽车装有主、副两个排气系统，有些车还装有多个排气系统。同时汽车还是一个复杂的振动系统，汽车长期处于这样的工况对汽车排气系统有危害，这种振动需要被降低，所以汽车装有悬挂系统。此外，在汽车排气系统中三元催化装置周围还装有波纹管。

1.2研究的意义

全球大部分车辆企业更倾向于车辆振动减小的研究，只有符合乘客的需要，才能更具优势，卖出更多的汽车，赢得更多的利润。各大企业之所以花费很大的金钱和人力，是因为可以在科技方面获得领先。与此同时，振动会给影响尾气管正常工作，甚至给尾气管带来损伤：尾气管内部和尾气管周围零件会受到振动的影响，引起损伤；如果排气结构位置没有布置好，会引起效率的降低，内燃机运行状态的不正常；排气结构抖动引起杂音，从而影响人的身心健康。并且排气系统的振动对于整车的振动影响很大，更有可能引起一起抖动。

研究排气管吊耳位置，将会减小汽车振动，一旦汽车排气管自身的振动减小了，对社会而言，汽车自身的质量得到了提升，企业能够卖出更多的车，促进了企业的发展，提高了企业的收入，有利于汽车企业的进一步发展，从而促进整个汽车市场的发展；对文化而言，促进了汽车技术的发展，科学家们将会在这一方面做出更多的努力，让汽车这一产品更加完美，更加适用于我们的生活，在汽车史上增添了重要的一笔，有利于源远流长的汽车文化的发展，后面的科学家可以再次基础上做出更优秀的作品，从而有更好的发展；对经济而言，汽车便利了人们的生活，同时为我国的经济做出了重大的贡献，从而促进了国家经济的发展；对我们个人而言，通过这一方法改善了乘车环境，我们会感到更加舒适，更能享受坐在车里面的每一刻，间接地提高了我们的生活质量，让生活更加美好。因此，这一研究有着重要的实际意义，我们也更应该去重视这一方面。

所以，分析排气结构减小抖动与减小杂音对车辆性能有很大的帮助。由分析可知，排气系统悬挂点和材料的选择对于之前属性的提高发挥着重要的作用，有利于增加优势，我们国家追赶上其他国家的汽车，能够促进国家车辆技术的进步。

1.3国内研究的现状

1.3.1排气系统的振动分析研究

近几年来，科学家尝试采取橡胶材料来做实验，目的是降低抖动，以创造更好的乘车环境。随科学技术的不断创新，驾驶员和乘客追求更加安稳的乘车环境。所以，考虑了很多关于车辆降低抖动，减少振动传递到车厢内的情况。根据振动规律选择更加合理的办法来确定悬挂位置，能够选取合适的地方，相应选取相对稳定的单位时间内完成周期性变化的次数，降低动态回应，比较能够展现优势，为了更快速的降低抖动。从全球科学家更加仔细分析汽车尾气管建模，有很高的成就。

汽车尾气管抖动的研究的基础汽车尾气管的建立模型，全球的科学家对此深入地分析。与国外研究相比，国内的排气系统研究较晚，研究的也不够深入，这与我国汽车工业的现状和各个厂商在试验与研究方面的投资有关。

国外大多对排气系统的组件与排气系统这一整体建模这两角度进行研究。笔者得出了：波纹管垂向刚度是排气管振动最主要的因素。

1.3.2隔振系统参数优化研究现状

减少抖动动传递分析方面，在隔振系统的研究过程中，首先被提出使用即一层的减小振动传递的结构。以更高效的阻止动力传递为目的，通常会用恰当理论数据，使在一定时间内激励的次数是自然频率的双倍。由数据显示，研究表明，一层的减小振动传递的结构在频率不高时可以使用，然而对于高频率的隔振问题作用就不那么明显了。一种Ruzicka隔振器应运而生，被结合到一层的减小振动传递的结构中。

二十世纪中期，其他国家的科学家为了解决频率不低情况下的减小振动传递的问题，发明了两层的隔振结构。与一层的隔振结构比较，相对于单层隔振系统，在两层隔振系统中放进单个弹性支承。两层隔振结构传递率曲线图显示，曲线位于共振区减少相当快，因此可以看出在较高频率情况下优势比较明显。除了上述的隔振器，日常可以见到的隔振器里，3层隔振结构很常见。经典隔振理论以器械为质点，同时假设基础为绝对刚性，在此基础上不考虑连接设备和基础的弹性元件所产生的变化。实际情况下，基础大多数情况下并非绝对刚性，而且分析的时候也不能以器械为质点，我们一定要想到质量分布对物体产生的改变和惯性矩对物体产生的改变。假设外激励赫兹数值很大的话，但是机械的刚度相对于它应该对应的赫兹数数值没有它应该的对应的那么大，此刻减小振动传递的系统按照常规的经验来设计的话，那么应该不能达到想要它起到的作用。通常情况下曲率传递过程中频率很高的那段中,但是真正传输时的曲率里面频率快的地方将显现不少的共振峰，由于当前所掌握的生产技术状况和并非理论上的绝对刚性。那么考虑到这种可能性，那么分析这种系统是不可缺少的一个环节，从而实现减少振动传递这一目的。如今针对该系统的分析不少，当前对于非刚性系统研究已经比很多，但是技术水平不高。

一个完整的振动整体一般情况下由3块组合而成，它们分别是：振源，它所发散的途径和受到振动的物体。振动隔离意思是：在振动发散的过程中，通过添加一些特定材料的物体来降低振动的大小，并且它常被使用在各个方面。隔振通常可以被分为3种：主动、被动、主被动相结合。科学家们在这方面的研究越来越深入，所以他们对这些东西参数的要求也更高，而且这些东西会对人们的各方各面有很大的影响。

主动隔振里面的布置相对比较繁琐，很多东西被损耗，所以使用量并不大。主被动结合的隔振器对两者取其精华，去其糟粕，可能会有更广阔的一片市场。最近一段时间，精密仪器的用途更加广泛，它开始走向大型化，这样一来的话对隔振系统的参数的要求又会更高，所以科学家们则需要更加深入的研究，也给他们带来了更多的挑战。近期，一些技术比其他国家有优势的国家，尝试把它使用在相对而言比较大的空间结构里用于降低其振动，其中，主动隔振通常被用在数值准确度相对而言比较高的装置上，而且能够起到相对较好的作用。

科技的发展一直在路上，隔振器参数能够不断地被一代一代科学家优化，从而让能够更好地被运用，提高人们坐车是的平稳度，从而改善人们的生活品质，所以，科学家们更有必要去深入地研究分析隔振器，将它应用到各个方面中，带进人们的日常生活中来。

1.4本文研究的内容

这篇论文基于模态理论，应用ADDOFD（平均位移加权法），对排气结构吊耳位置进行选择。具体是按这样布局的：

第一部分：绪论部分，讲述了汽车排气系统吊耳位置选择的由来，背景，研究的意义以及国内外发展的现状，讲述了这一课题的大背景；

第二部分：讲述了有限元法，详细的说明了有限元法的步骤，然后解释了有模态分析的理论，分析了前十阶模态的振型图，为下文做好铺垫；

第三部分：这一部分讲述了排气系统吊耳吊挂位置的优化，先从理论上介绍平均位移加权法，然后理论结合实践，利用计算机软件绘制平均驱动自由度位移图，运用平均位移加权法得到相应的点即吊耳应该安装的位置。

第四部分：这一部分进行总结与展望，即对全文做总结以及提出一些不足之处。

参考文献

[1] 马慰慈. 某车排气消声系统悬置优化设计[D]. 武汉：华中科技大学，2009.

[2] 贺朝卿. 汽车排气消声器辅助设计系统研究与开发[D]. 武汉：华中科技大学，2009.

[3] 左常迪. 小型五轴数控机床设计评价及结构动态特性分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[4] 田育耕;刘江华;王岩松;徐振华. 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)》，2009，30（2）：180-182.