慈龍尚，周福庚，陳明朋，馬萬龍

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司重型商用車公司，安徽合肥 230601)

0 引言

車輛排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)和車體相連。它的振動(dòng)是車輛NVH的重要指標(biāo)，對(duì)車輛的舒適性和排氣系統(tǒng)各組成部件及吊掛件的壽命都會(huì)產(chǎn)生很大影響[1]。為滿足客戶的排氣噪聲小及越野通過性好等特定需求，在平頭重卡牽引車駕駛室的后側(cè)自主開發(fā)了朝天排氣系統(tǒng)。因該產(chǎn)品還需滿足模塊化、系列化設(shè)計(jì)要求，高排尾管的邊界條件為：發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口在右中側(cè)，排氣系的SCR箱(消音器)布置在駕駛室后左縱梁外側(cè)，消音器上方是減振波紋管和朝天排放的高排尾管，尾管支撐構(gòu)件分別連接到車架的左右縱梁上，控制著高排尾管的X、Y、Z3個(gè)方向的自由度。某新車型在8 000 km強(qiáng)化路路試可靠性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)高排尾管與支撐構(gòu)件的連接卡箍在試驗(yàn)達(dá)到一定里程時(shí)開裂。高排尾氣管及支撐構(gòu)件在整車中的布置如圖1所示。

根據(jù)汽車的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，如車身和駕駛室在車架上的安裝應(yīng)牢固，不得因機(jī)動(dòng)車振動(dòng)而引起松動(dòng)[2],開裂更是絕不允許的，因此需深入剖析高排尾管與支撐構(gòu)件連接包箍的開裂原因并優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足新品開發(fā)要求等。

1 卡箍開裂分析

針對(duì)高排氣尾管和其支撐結(jié)構(gòu)的連接卡箍開裂，應(yīng)該從支撐構(gòu)件連接結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況綜合分析。開裂卡箍連接高排尾管和支撐構(gòu)件的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖2所示，高排尾管V形包箍的連接結(jié)構(gòu)及卡箍開裂位置如圖3所示。V形包箍開裂原因分析如下：

(1)排氣尾管高，質(zhì)量大，車輛運(yùn)行中潛在擺動(dòng)大，即相對(duì)于支撐構(gòu)件的彎矩大，交變應(yīng)力集中，最上面的卡箍最先開裂等。從排氣尾管的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)知道，排氣尾管所用的不銹鋼管是SUS304材質(zhì)，管直徑φ120 mm，壁厚1.5 mm，排氣尾管外的隔熱板是1.5 mm的鏡面不銹鋼，高排尾管及隔熱板的總質(zhì)量約為22 kg。

圖2 V形包箍工作示意圖

圖3 高排尾管V形包箍路試中開裂及位置

(2)試驗(yàn)車輛的排氣尾管的支撐構(gòu)件是3根拉桿，分別控制高排尾管總成在整車X、Y、Z共3個(gè)方向的自由度，3根拉桿的下端通過螺栓與左、右縱梁上圓孔螺栓連接固定，3個(gè)拉桿分別用3個(gè)φ45 mm×3 mm的無縫圓管制作，圓管拉桿根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸彎折并在其端部壓扁后，開螺栓孔連接到車架上去。因連接面少，連接處的強(qiáng)度弱，車輛運(yùn)行中尾管支撐構(gòu)件與高排尾管易形成共振，支撐作用大大減弱等。

(3)從圖1還得知，高排氣尾管口到車架縱梁上翼面的距離為2.5 m，尾管口到地面的距離為3.5 m左右，支撐構(gòu)件中最靠尾管口的卡箍到車架縱梁上翼面的距離為1.5 m左右。也就是說，圖中的V形包箍的潛在彎矩為330 N·m，排氣尾管的支撐構(gòu)件不能有效分擔(dān)高排的彎矩，在最上端的V形包箍的理論彎矩應(yīng)力為330 N·m。在交變應(yīng)力的作用下，最上面的包箍極易產(chǎn)生裂紋并最先開裂等。

(4)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)方向：對(duì)3個(gè)高排尾管的支撐構(gòu)件的拉桿與車架縱梁連接處的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行加強(qiáng)，使支撐構(gòu)件與車輛車架總成形成有效可拆卸的整體，并使支撐構(gòu)件對(duì)排氣尾管起支撐作用，減低共振，極大減弱高排尾管運(yùn)行中的擺動(dòng)等。

2 改進(jìn)前、后高排尾管支撐構(gòu)件模型創(chuàng)建及分析

改進(jìn)前的高排尾管支撐構(gòu)件為圓管拉桿支撐構(gòu)件(如圖4所示)；改進(jìn)后的高排尾管支撐構(gòu)件為方管拉桿支撐構(gòu)件，且根部增加過渡連接板(如圖5所示)。其支撐原理為：采用方管結(jié)構(gòu)，便于與車架連接處增加連接板，增加連接板后，與車架連接的面多，連接剛度和強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，因此可選用剛度和強(qiáng)度更好的矩形管或方管。當(dāng)然，根部加強(qiáng)的支撐結(jié)構(gòu)，質(zhì)量也會(huì)大些，工藝難度和制作成本也會(huì)高些。

圖4 圓管拉桿支撐構(gòu)件

圖5 方管拉桿支撐構(gòu)件

3 ANSYS軟件中兩種支撐構(gòu)件的模態(tài)分析及對(duì)比

原高排尾管及隔熱板是利用3個(gè)無縫圓鋼管按設(shè)計(jì)尺寸彎折成形并固定到車架縱梁上，連接V形包箍易出現(xiàn)開裂。經(jīng)對(duì)標(biāo)分析，將連接桿結(jié)構(gòu)均更改為矩形管或方管，通過連接板連接到車架縱梁上，且控制豎直方向(Z向)的為主支撐支架，將原連接排氣管控制X、Y向擺動(dòng)的支架連接到主支撐支架上。以改進(jìn)前后支撐構(gòu)件的振動(dòng)頻率為研究對(duì)象，采用有限元軟件ANSYS中的ABAUQS軟件進(jìn)行非線性分析計(jì)算，得到系統(tǒng)在某階模態(tài)下的主要固有頻率和振型及位移(如圖6—圖7所示)。

圖6 圓管根部未加強(qiáng)支撐構(gòu)件CAE分析

分析結(jié)果為：同階次下模態(tài)頻率高的較好，即方管拉伸支撐構(gòu)件模態(tài)頻率較高，鋼管結(jié)構(gòu)較差。也就是說，根部加強(qiáng)的方管支撐構(gòu)件結(jié)構(gòu)較好。

4 道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及分析

(1)路試中，因高排尾管的位置較高，且高排尾管是通過2個(gè)斜拉支架固定到車架的左右縱梁上，在路試振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析中，因振動(dòng)測(cè)試夾具參照基準(zhǔn)點(diǎn)不能選在駕駛室上(駕駛室也是一個(gè)彈性體)，高排尾管的固定點(diǎn)在其中部，離車架縱梁較遠(yuǎn)(1 m以上)，制作路試振動(dòng)夾具的難度大，成本高，且等同效果差等，故在路試排氣系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試中只安排了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置點(diǎn)端、排氣管和箱式消音器處的振動(dòng)位移測(cè)試，其中消音器處的振動(dòng)位置測(cè)試類似于高排尾管起始處的振動(dòng)位移測(cè)試。而高排尾管中部及上頂部在路試測(cè)試中，只能憑路試中對(duì)高排尾管的擺動(dòng)觀測(cè)及最終的試驗(yàn)結(jié)果評(píng)判。消音器處的振動(dòng)路試測(cè)試，分別采集長(zhǎng)波路、短波路、卵石路、搓板路、比利時(shí)路等路況下的振動(dòng)位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中長(zhǎng)波路的消音器處X、Y、Z方向的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。數(shù)據(jù)采集頻率為100 kHz。

(2)對(duì)高排尾管支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化后，即對(duì)支撐構(gòu)件與車架連接的根部加強(qiáng)，選用板厚加大、連接面多的加強(qiáng)板，優(yōu)化改進(jìn)卡箍形狀和材質(zhì)，提升其連接強(qiáng)度。按設(shè)計(jì)優(yōu)化后做樣件裝車，繼續(xù)進(jìn)行道路試驗(yàn)，技術(shù)人員跟車觀測(cè)。發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中高排尾管的擺動(dòng)明顯減少，強(qiáng)化試跑完6 000 km,高排尾管與支撐構(gòu)件的連接包箍未見開裂。說明此高排尾管的設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)是有效的。

圖8 高排尾管起始端路試振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

首先，對(duì)此高排尾管的設(shè)計(jì)，因受結(jié)構(gòu)和邊界條件的限制，通過將與支架接觸連接的支撐構(gòu)件的根部用加強(qiáng)板加強(qiáng)，無縫圓管改為矩形管和方管，保證了高排尾管固定及支撐的穩(wěn)定和可靠性。

其次，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化。原用3個(gè)圓管拉桿支撐直接連接高排尾管和車架縱梁，易產(chǎn)生共振；優(yōu)化后的結(jié)果是將豎直支撐的主支撐桿主體及根部均加強(qiáng)，再將控制高排尾管X、Y向擺動(dòng)的輔助梁固定到主梁上，確保主梁與車架形成整體。通過路試試驗(yàn)驗(yàn)證此設(shè)計(jì)優(yōu)化有效，確保高排尾管及其支撐構(gòu)件經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)獲得成功。