汽车排气系统噪音与振动的控制
1 前言
很多款国产汽车市场普遍反应驾驶室内振动噪音较大,通过测试,怠速驾驶员耳旁噪声为52dB,而同类车型(如威驰)仅为44dB,B级车(如丰田佳美)等一般小于40dB,为降低振动噪音,改善乘座舒适性需要对该车的NVH状况进行了全面分析,发现整车NVH状况不但与发动机、风扇、进排气系统等本身振源有关,还与发动机及排气系统这些振源的的悬挂隔振能力有关,更与车身本身结构有关,进行进一步分析研究,其中排气系统所产生的振动噪音是该车主要噪声源之一,要解决整车振动噪音,对排气系统改进必不可少。 排气系统通常是指从发动机排气歧管到排气尾管各个部件的组合(见图1), 主要功能是废气处理与降低噪声。 排气系统对整车NVH的影响主要有两个方面: (1)排气系统噪音:通过空气传到驾驶室内。 (2)排气系统的振动:通过排气系统的吊挂传到驾驶室内。 研究时,需要对这2个方面分开研究。 2 排气系统的噪声源 排气系统的噪声源包括空气噪声、冲击噪声、辐射噪声和气流摩擦噪声。 (1)空气噪声是发动机在运动中产生的压力波在排气管道中传播而形成的,空气噪声取决于排气管道的直径,气流量一定时,直径越大,空气噪声就越稳定,它的大小取决于排气系统的结构。 (2)冲击噪声是排气管道中不稳定的气流对管道产生冲击波而形成的。假如排气歧管弯曲的弧度太小,发动机出来的气流会对它产生强烈的冲击,从而发出“砰”、“砰”的冲击声。在管道截面积突然变化时,也会产生噪声。加在管道的过渡圆弧各渐进地改变结构的变截面积是减小冲击噪声的途径。 (3)辐射噪声是由于排气系统的管道各消声元件被机械振动激励或者受内部流体压力波动引起振动而将声音辐射出去所形成的。主要来自三个方面: ①机械振动:发动机会带动整个排气系统振动,车体的振动就会通过挂钩传递给排气系统。排气系统中有很多薄板,如消声http://wWW.LWLm.cOM器的外壳和管道的外壳等。一旦这些薄板被激起振动,就会对外辐射噪声。 ②稳定的空气气流。这种稳定的气流会对薄板结构施加稳定脉动力,从而激起板的振动,并辐射噪声。 ③不稳定气流。当管道中的气流速度非常高时,在管壁附近就会形成紊流,这股紊流不断冲击薄板产生辐射噪声。辐射噪声的大小取决于这些板结构的几何尺寸、结构形状各刚度等。辐射噪声的频率与薄板结构振动的频率是对应的,解决辐射噪声的途径:一是减少流体声波的扰动;二是改变结构的特征,如采用双层板壳结构、加阻尼处理等。 (4)气流摩擦噪声是当流动速度非常高的气流传到尾管时对外发出的巨大噪声。降低办法有:减小气体的流动速度,增加管道的截面积,管壁尽可能地光滑,避免管道中的突然转弯,在排气管口避免障碍物体,使用吸声材料等。 3 汽车排气系统悬挂点优化方法 汽车排气系统一般通过法兰和吊耳分别与发动机排气歧管以及车身地板相连.由于受到发动机本身振动和排气激励的影响,排气管振动相对较大.排气系统的振动会通过挂钩和吊耳引起车身地板的振动,从而产生车内噪声.因此,选择排气管振动相对较小的位置作为挂钩吊耳的悬挂点,减少排气管向地板的振动能量的传递,对于提高乘客舱的NVH性能,增加排气管挂钩和吊耳的寿命,防止吊耳跳动脱落等均有重要的意义。 在整车开发的前期,只需排气系统三维CAD模型和质量分布信息(见图2),完成悬挂点的优化布置,从而有利于达到整车NVH的性能要求。 3.1 平均驱动自由度位移方法(ADDOFD) 假设单点激励,根据多自由度系统模态分析理论,响应点l和激励点p之间的频率响函数为: (1) 其中,φlr是第l个测点,第r个模态振型系数;Mr和ζr分别是模态质量和模态阻尼比.如果激励力的频率为ωr,则近似地有 (2) 对于线性系统,位移响应的幅值和频率响应函数的幅值成正比,进一步假设振型以质量矩阵归一化,各阶的模态阻尼近似相等,则 (3) 定义第j个自由度的平均驱动自由度位移(Average Driving DOF Displacement)为 (4) ADDOFD(j)可以用来预测j自由度在一般激励情况下(在某个频率范围内的所有模态均被激发)的位移响应的相应大小.本方法也常应用于模态试验中对实验模型要求较高的情况.如果仅仅测试一阶模态,则平均驱动自由度位移最小点位于这一阶模型的节点处。 4 结语 随着市场对车辆NVH性能要求越来越高,在整车前期开发过程中引入CAE分析,可以有效预测整车NVH性能,对于保证开发质量,缩短开发周期都有重要的意义.本文利用MSC Nastran计算ADDOFD,能快速而有效地优化汽车排气管挂钩的位置,避免开发后期排气管挂钩受底盘和车身布置限制,无法进行位置优化的情况发生。