曹泰峰，萬方軍

(大運汽車股份有限公司，山西 運城 044000)

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，人們對車輛排放的要求越來越高。排氣系統(tǒng)作為重型卡車(下稱重卡)動力系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是將發(fā)動機工作時產(chǎn)生的廢氣引導(dǎo)排出，并降低排氣時所產(chǎn)生的噪聲和廢氣溫度、凈化尾氣等。排氣系統(tǒng)的性能是衡量汽車質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，對于重卡，由于其發(fā)動機功率普遍較大，振動也較大，因而對排氣系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。

1 排氣系統(tǒng)簡介

排氣系統(tǒng)的一端與發(fā)動機相連，另一端通過支架與車架相連。由于受到發(fā)動機本身振動和排氣激勵的影響，排氣管振動較大。如果排氣系統(tǒng)和發(fā)動機發(fā)生共振，排氣管會因振動過大而破損，影響其效能和使用壽命。

排氣系統(tǒng)的振動源主要有：1)發(fā)動機機械振動。排氣系統(tǒng)與發(fā)動機相連，發(fā)動機的振動會直接傳遞給排氣系統(tǒng)。2)路面譜的隨機激勵。路面隨機激勵通過輪胎、車體和發(fā)動機等傳遞給排氣系統(tǒng)，然后排氣系統(tǒng)逆向傳遞給車體。3)氣流沖擊。高速氣流經(jīng)過氣缸排出，直接沖擊排氣管而引起排氣系統(tǒng)振動，特別是對于轉(zhuǎn)彎較急的部分。氣流進入排氣系統(tǒng)后在管道內(nèi)產(chǎn)生紊流，引起排氣管道振動。

如圖1所示，根據(jù)重卡排氣系統(tǒng)的組成，可以將其分為增壓器段、柔性段和后處理段。其中：增壓器段是指從發(fā)動機渦輪增壓器出口到柔性軟管之前的管路；柔性段是指起吸收減緩排氣系統(tǒng)振動、位移和補償安裝公差作用的金屬軟管；后處理段是指從柔性軟管到后處理入口之間的排氣管路。從排氣系統(tǒng)的各部分振動程度及故障情況來看，增壓器段的工況最惡劣。因此，主要論述增壓器段排氣管路的設(shè)計方法。

圖1 排氣系統(tǒng)組成

2 增壓器段排氣管路設(shè)計方法

2.1 增壓器段排氣管路設(shè)計原則

對于重卡排氣系統(tǒng)，其增壓器段排氣管路的模態(tài)及振動是最關(guān)鍵的2個評價指標(biāo)。重卡排氣系統(tǒng)在設(shè)計之初，應(yīng)盡量提高增壓器段排氣管的模態(tài)，避開發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速區(qū)，最大限度避免共振的發(fā)生。

設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：1)采用鑄造排氣管，提高排氣管剛度；2)排氣制動閥布置在增壓器出口，避免長懸臂結(jié)構(gòu)；3)提高固定支架剛度，采用鑄造工藝或框架結(jié)構(gòu)；4)固定支架布置在發(fā)動機上，且靠近管路末端；5)減短增壓器段排氣硬管長度，柔性段布置靠近增壓器；6)加長柔性段長度，增強系統(tǒng)減振性能。

2.2 增壓器段排氣管路性能要求

(1)模態(tài)。系統(tǒng)一階模態(tài)頻率應(yīng)大于100 Hz，避開發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速區(qū)。

(2)振動烈度。排氣管及支架的振動烈度應(yīng)小于40 mm/s。

2.3 主要零部件的設(shè)計方法

(1)排氣制動閥結(jié)構(gòu)形式。如圖2所示，建議選用管路與蝶閥集成的結(jié)構(gòu)。

圖2 排氣制動閥

(2)排氣管結(jié)構(gòu)形式。如圖3所示，建議選用鑄造工藝或一次成型工藝的排氣管，避免拼焊管路。

圖3 排氣管

(3)固定支架結(jié)構(gòu)形式。如圖4所示，建議選用鑄造工藝或框架結(jié)構(gòu)的支架，增強支架剛度。

圖4 固定支架

2.4 典型排氣系統(tǒng)增壓器段排氣管路布置

由于發(fā)動機增壓器位置和整車布置的不同，排氣系統(tǒng)的布置形式多種多樣。下面通過對某品牌6×4牽引車采用濰柴WP10發(fā)動機的排氣系統(tǒng)增壓器段排氣管路布置(見圖5)的介紹，說明典型排氣系統(tǒng)增壓器段排氣管路的布置。

圖5 濰柴WP10發(fā)動機增壓器段排氣管路

如圖5所示,發(fā)動機渦輪增壓器位于發(fā)動機左側(cè)中部，出氣口朝前布置。由于增壓器出口朝向限制，排氣管路只能采用C形布置。這種走向的排氣管很難采用普通的折彎工藝生產(chǎn)。為實現(xiàn)這種布置，并提高系統(tǒng)模態(tài)，采用鑄造工藝進行設(shè)計。

增壓器段布置：采用鑄造式排氣制動閥，閥體與排氣管路鑄為一體，直接布置在增壓器出氣口，避免長懸臂結(jié)構(gòu)。與排氣制動閥連接的管路為一小段鑄鋼管，鑄鋼管整體成型，避免焊接應(yīng)力破壞管路；管路固定支架采用鑄造工藝，通過2個支架將排氣管路固定在發(fā)動機上。在設(shè)計固定支架時，注意采用可調(diào)節(jié)的長圓孔，避免產(chǎn)生裝配應(yīng)力。

3 仿真分析方法

在設(shè)計匹配新車型時，可通過仿真分析對設(shè)計方案進行優(yōu)化。下面通過對濰柴WP10發(fā)動機2種增壓器段排氣管路布置模態(tài)的對比分析，介紹增壓器段排氣管路的仿真分析方法。

3.1 方案對比

圖6為兩種首段管設(shè)計方案對比。方案1：排氣管布置在增壓器出口，采用鑄造工藝，固定支架采用框架結(jié)構(gòu)；排氣制動閥布置在管路末端，與軟管相連。方案2：采用鑄造式排氣制動閥，閥體與排氣管路鑄為一體，直接布置在增壓器出氣口；與排氣制動閥連接的管路為一小段鑄鋼管，通過2個鑄造支架將排氣管路固定在發(fā)動機上。

圖6 WP10排氣管路設(shè)計方案對比

3.2 邊界條件

模態(tài)分析的邊界范圍包括從發(fā)動機排氣歧管至柔性軟管的所有管路及支架。

3.3 建立有限元模型

由于排氣管路進氣端通過排氣岐管與發(fā)動機相連，在模擬分析時，將進氣端全約束。出氣端與柔性軟管相連，以配重的形式進行模擬計算。鑄件采用四面體Solid單元、鈑金件采用四邊形Shell單元模擬，運用HyperMesh軟件對排氣系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析模型。

3.4 模態(tài)分析結(jié)果

增壓器段排氣管模態(tài)分析結(jié)果見表1和圖7。

表1 增壓器段排氣管模態(tài)分析結(jié)果

圖7 兩方案1階模態(tài)對比

由表1和圖7可知：方案1的1階模態(tài)頻率為43.49 Hz，方案2的1階模態(tài)頻率為65.92 Hz，說明方案2的結(jié)構(gòu)優(yōu)于方案1。

4 設(shè)計方案的試驗驗證

樣車完成裝車后，通過試驗測試驗證設(shè)計方案的優(yōu)劣。

4.1 試驗依據(jù)

(1)Q/WCG 138.12《柴油機NVH開發(fā)規(guī)范》第12部分“發(fā)動機及其零部件模態(tài)試驗”。

(2)Q/WCG 159.27《配套技術(shù)規(guī)范》第27部分“NVH測試”。

(3)GB 7258—2017《機動車運行安全技術(shù)條件》。

(4)Q/WCG 159.62《配套技術(shù)規(guī)范》第62部分“商用車排氣系統(tǒng)匹配”。

4.2 評價指標(biāo)

模態(tài)大于100 MPa；振動烈度小于40 mm/s。

4.3 濰柴WP10發(fā)動機增壓器段試驗測試

針對上文中方案1和方案2進行對比測試。

4.3.1 系統(tǒng)模態(tài)

測點布置見圖8。通過力錘間斷敲擊增壓器段管路末端，記錄試驗數(shù)據(jù)(見表2)。

圖8 測點布置

表2 模態(tài)測試結(jié)果

由表2可知：方案1的1階模態(tài)頻率為68.9 Hz，方案2的1階模態(tài)頻率為88.5 Hz，方案2的模態(tài)頻率高于方案1。

4.3.2 振動試驗

原地均勻加速，記錄各轉(zhuǎn)速點下管路及支架的振動烈度，繪制振動烈度曲線。

方案1：原地升速工況下，排氣制動閥測點存在67和114 Hz 2個共振點，導(dǎo)致在1 340、1 500 r/min轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生共振，振幅達60 mm/s，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

方案2：原地升速工況下，各測點振動烈度在35 mm/s以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖9)。

圖9 原地升速工況下方案2排氣系統(tǒng)振動烈度曲線

5 結(jié)語

對于重卡排氣系統(tǒng)，增壓器段排氣管路的設(shè)計質(zhì)量至關(guān)重要，會直接影響排氣系統(tǒng)的使用壽命。應(yīng)通過多種手段，完善和優(yōu)化排氣管路設(shè)計方案，從而降低排氣系統(tǒng)故障率，延長其使用壽命。