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试论汽车发动机排气系统动力减振器的研究与应用

作者: 发布时间:2019-12-24 11:37:19 阅读: 66 次

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试论汽车发动机排气系统动力减振器的研究与应用

 

摘要:汽车发动机排气系统中安装的动力减振器,具有降低排气系统振动效果的作用。基于此,本文从动力减振器的类别入手,对有阻尼动力减振器在汽车发动机排气系统中的应用效果进行试验研究,试验结果表明,有阻尼动力减振器能够有效降低振动效果,并将有阻尼动力减振器应用于某轻型汽车中,应用效果显示有阻尼动力减振器可以有效避免排气系统出现断裂问题,有助于汽车发动机排气系统使用寿命的延长。

关键词:汽车发动机;排气系统;动力减振器

 

前言:汽车排气系统在运行过程中,会产生较大的振动,并传递给车身,不仅会产生车内噪声,影响驾驶舒适性,还会对车辆性能产生负面影响。汽车发动机中的排气系统不可以通过改变自身质量或者刚度的方式改变模态,降低振动,需要在排气系统中应用动力减振器,以此降低振动噪声和振动效果,保障车辆的稳定运行。因此,对于汽车发动机排气系统动力减振器的研究具有一定的现实意义。

一、动力减振器分析

(一)无阻尼动力减振器

从本质角度而言,无阻尼动力减振器能够看做是单质量弹簧系统,属于2自由度系统。如果激振频率和两个固有系统中的某一个频率相同时,该系统会出现共振;如果激振频率具有较大的变化空间,动力减振器可以将原本的一个共振频率系统转变为两个共振频率系统,并不能发挥出自身的减振作用。因此,无阻尼动力减振器主要应用于激振频率固定不变或者变化相对较小的设备。在实际应用过程中,动力减振器的弹簧力会与主质量中的作用力平衡,从而将主系统中的振动传递到动力减振器中,避免主系统出现较大的振动,保障主系统的稳定性。在无阻尼动力减振器应用过程中,技术人员需要确保两个自由度系统间的固有频率差值更大。

(二)有阻尼动力减振器

如果激振频率具有较大的变化空间,技术人员需要通过有阻尼动力减振器的应用,消除主系统中的振动。有阻尼动力减振器可以将主系统中较大频率范围的振动降低,具体的有阻尼动力减振器如图1所示:

 

1 有阻尼动力减振器的质量系统示意图

在上图中,主系统包括物体E和弹簧H这两部分;有阻尼动力减振器包括物体F、弹簧I以及粘性阻尼器G组成。其中,物体E的质量为ME;物体F的质量为MF;主系统和动力减振器的质量比μ=MF/ME;频率比α=主系统的固有频率/有阻尼动力减振器的固有频率;阻尼比为C/(2×MF×),是指有阻尼动力减振器的固有频率。在阻尼比是0时,动力减振器系统为无阻尼动力减振器;在阻尼比为时,系统属于单自由度系统。因此,技术人员需要将阻尼比控制在0-之间,确保系统为有阻尼动力减振器,保障其减振效果的发挥[1]

二、汽车发动机排气系统动力减振器的研究

(一)明确动力减振器的相关参数

在进行汽车发送机排气系统动力减振器的设计时,关键在于结构件的模态特性的确定,技术人员可以利用模态试验及数据计算得出动力减振器中减振件的阻尼比以及主要阶次频率值。在计算过程中,技术人员需要将结构件等效成单自由度系统,从而进行相关数据参数的计算,具体的计算公式为:meq=

其中,mk主要是指模态质量;Vik主要是指模态的位移;Vi主要是指归一化的模态位移系数;主要是指存在阻尼情况下的模态频率。通过对上述公式的分析可知,结构件的等效质量会受到动力减振器安装位置的影响,技术人员选择不同的安装位置,会使VikVi的数值有所不同,从而对结构件的等效质量产生影响。一般来说,技术人员会将动力减振器安装于结构件的反节点区域,和反节点区域的距离越来越远,就表明系统的等效质量较高。

(二)排气系统的试验分析

在明确动力减振器的等效质量计算公式后,本文对安装有动力减振器的排气系统进行试验,分析动力减振器的适用范围和应用效果。本次试验的分析频率在0-200hZ之间,采用LMS-Test_Lab中的PolyMAX方法对模态参数进行识别及计算。

1. 试验用排气系统

本文试验采用的排气系统是轿车应用的V型6缸发动机排气系统,具有两个入口和一个出口。和排气系统连接的发动机在轿车中按照纵向的方向布置,在这种布置方式喜爱,发动机转动方向平行于排气系统,使得排气系统很容易出现扭转振动现象,基本不会出现弯曲振动现象[2]。该排气系统中应用的动力减振器为2自由度系统,共包括两个金属和一个橡胶。其中,金属1的质量是m1;金属1和橡胶的质量是m2;橡胶的刚度是k1、阻尼是C1;金属2的刚度是k2

与此同时,该排气系统中安装有两个消声器,动力减振器位于两个消声器中间。在动力减振器前方设置的消声器含有一个吊挂钩,并在距离该吊挂钩12cm的位置设置了第二个吊挂点;在动力减振器后方设置的消声器含有两个吊挂点,分别设置于消声器的前后端面上。

2. 动力减振器的固有频率计算

从本质角度而言,动力减振器属于弹簧-质量系统。所以在进行动力减振器的测量时,需要对其固有频率进行测量。常用的测量方法是将安装有动力减振器的排气管夹住,然后将加速度传感器安装于动力减振器上,通过锤击的方式获取动力减振器的数值。在测量过程中,本文应用的动力减振器固有频率分别是26.2Hz和 77.9Hz;频段为0.93和1.16;排气系统和动力减振器之间的质量比μ为0.043。

3. 模态测量

和实车测量有所不同,本次试验中虽然按照实车状况进行排气系统的安装,但是模拟的发送机并没有应用悬置系统,使得测量结果和实车存在一定偏差,但是数据仍旧具备一定的权威性。在模态测量过程中,技术人员在该排气系统中选取了36个数据采集点作为拾振点,通过力锤击力的方式,完成振动数据的采集。力锤击力的控制点选在排气尾管的末端,按照xoy、xoz以及yoz45°的角度进行击力。试验分为试验组和对照组,试验组主要是指对安装有动力减振器的排气系统进行模态测量;对照组主要是对没有安装动力减振器的排气系统进行模态测量。

4. 试验结果分析

观察试验结果可知,动力减振器的作用适用范围在20-100Hz之间,在20-30Hz和50-80Hz之间的减振效果最为显著。在62-70Hz的频率范围内,试验组的排气系统频率是65.1Hz,这时排气系统的振型是垂直2阶弯曲,有消声器中的两个吊挂点位于振型节点的周围;对照组的排气系统频率是67.1Hz,这时发动机的转速是1342r/min,车内空腔低频共鸣频率在40-80Hz范围内。由此可以看出,动力减振器的应用,可以有效避免排气系统的低频振动噪声传递到车内,防止空腔低频共鸣的出现,有助于车内驾驶舒适性的提升。

一般来说,汽车在20-30Hz频率范围内,车身会呈现出1阶弯曲,并存在1阶扭转固有频率,要求排气系统的模态频率和汽车车身产生模态分离。在20-30Hz范围内,对照组的排气系统存在两个共振频率,分别是26.4Hz及28.1Hz,26.4Hz时的排气系统为垂直2阶弯曲振型;28.1Hz时的排气系统为水平2阶弯曲振型。试验组中的峰值频率降到了24.0Hz和26.1Hz,大大降低了排气系统的振幅。由此可以看出,动力减振器的应用可以有效降低排气系统的振幅,避免排气系统向车身传递振动,从而避免车身出现1阶弯曲,不会出现1阶扭转模态。

三、汽车发动机排气系统动力减振器的应用

为了进一步明确动力减振器的应用效果,本文将某汽车制造企业新研发的轻型汽车作为试验用车,轻型汽车在平直路面行驶过程中,汽车的排气系统保持正常运行;轻型汽车在山路行驶过程中,汽车的排气系统出现中部断裂故障。该轻型汽车排气系统的模态分析结果显示,该排气系统的破坏频率约为38Hz,消声器输入端的更高温度超过300℃,属于垂直1阶弯曲振型。因为该排气系将汽车发动机排气系统动力减振器安装于该车辆中。根据固有频率计算的结果,将排气系统和动力减振器间的质量比μ设定为0.043,频率比设定为1.2,并将动力减振器设计为空腔,为后续填充提供便利。

技术人员分别在排气系统中应用了添加沙子的动力减振器以及没有添加沙子的动力减振器。测量没有安装动力减振器、添加沙子动力减振器及动力减振器的减振效果。观察计算结果可知,添加沙子的动力减振器具备更为显著的减振效果,能够有效避免轻型汽车出现排气系统断裂故障[3]

结论:综上所述,有阻尼动力减振器可以有效降低汽车发动机中排气系统的振动效果,保障汽车的安全运行。通过本文的分析可知,技术人员可以将沙子作为阻尼材料,应用于动力减振器中,并将其安装于汽车发动机的排气系统中,从而提升动力减振器的减少振动噪音的作用,避免排气系统出现断裂。希望本文的分析可以为相关研究提供理论参考。

参考文献:

[1]黄思良. 某车型排气系统非线性振动与声学性能优化[D].华南理工大学,2018.

[2]袁守利,喻盼,刘志恩,尹凡.基于遗传模拟退火算法的排气系统振动分析及优化[J].数字制造科学,2017,15(03):71-77.

[3]郭年程,王新龙,卜绍先,丁惟云,史文库.排气系统振动对牵引车舒适性的影响分析[J].汽车技术,2016(08):35-38+61.