迁移率在排气系统开发中的应用
Mobility at the Development of Exhaust System迁移率在排气系统开发中的应用Mauricio Monteagudo GalindoFaurecia Emissions Control Technologies本文描述了在排气系统开发过程中使用迁移传递函数模拟的优点。汽车工业对可接受的车内噪音要求越来越严格。排气系统是车辆总噪声和振动的重要组成部分，因此也是降噪的目标。使用良好的隔振系统可以降低车辆内部车厢内的噪音。换句话说，汽车结构中的振动运动会产生触觉和声学响应。当来自发动机（源）的能量通过排气系统（路径）传输，然后通过排气系统的悬挂装置转换为驾驶员（接收器）接收到的结构噪声时，就会发生这种情况。本文首先描述了将迁移率传递函数应用于排气系统设计的过程，然后给出了一个实验结果与有限元模拟结果的关联实例。然后在优化阶段使用这些模拟来定义满足目标的适当设计。将迁移率传递函数应用于排气系统设计的优点是可以在开发过程的早期在计算机辅助工程（CAE）工具的支持下更改吊挂和/或隔离器的设计。使用这些工具时，避免了等到结构和性能验证门步骤/过程进行更改，从而节省了开发过程中的大量时间。排气系统配置的增加要求开发可靠的方法来确定吊挂的数量和位置以及隔振器的正确静态刚度。客车排气系统由热端和冷端组成，包括解耦和悬挂元件[1]。利用先进的数学工具，可以预测在早期开发阶段从系统转移到乘员舱的动能。根据源-路径-接收器原理，低频振动区域的响应高达约100HZ（其中“感觉到”了结构运动），而更高频率的响应则高达约500HZ（其中“听到了结构运动”）。利用迁移率传递函数（Mobility），可以预测吊挂设计是否符合噪声规范。 此外，汽车工业正根据排放控制法规强制缩小发动机规模；因此，要求更频繁地安装涡轮增压器系统。这为进一步研究利用机动性提高高频排气支架隔振效率提供了更高的要求。本文以一台四缸内燃机为例，二次谐波是其常见的振动源。此外，每个开发都必须遵循图1所示的“V”开发过程。验证阶段通常包括对典型原型进行噪声、振动和平稳性（NVH）测试，并确定整个排气管的隔离系数。通常，完成排气系统耐久性测试。然而，现实常常表明，在验证阶段改变设计已经太晚了。通过正确使用本文描述的方法，可以预先检测潜在的设计变更或建议。动态系统通常用传递函数测量来表征。传递函数通常被定义为输出/输入，用幅值和相位表示，如图2所示。FRF（频率响应函数）一词通常用于指传递函数。机械传递函数（与力和运动有关的）是通过实验或基于数学的分析计算得到的。运动“输出”可以用不同的方式表示：位移、速度或加速度。机械传递函数的最常见形式及其用途如表1所示。 利用迁移函数可以研究结构间的能量传递。为了隔离机械振动，必须降低从振源到响应结构的路径的效率。当这种情况发生时，能量将反射回源，有时在排气隔离器中消散。一个系统有效传输或衰减能量的能力可以用迁移率测量来量化。迁移率传递函数定义为刚度的倒数。如果刚度是结构对力的反应的不情愿，那么迁移率就是结构对力作出反应的容易程度。高迁移率意味着容易移动，高刚度意味着难以移动。实际上，迁移率更容易衡量。 输入排气系统的能量来源是发动机排气歧管。这包括结构振动和废气脉动。排气脉动和结构振动会激励排气系统部件的壁面和表面，从而产生外壳辐射噪声。这种能量也可以通过排气悬挂系统传输，并在车辆中成为结构传播的噪声；通过结构传递的力会在驾驶员耳朵处产生噪音。图4显示了不同的排气系统部件。完整的排气系统是复杂的结构，当受到力时，它们不会表现为简单的质量。排气系统总是有共振，结构的不同部分朝不同的方向运动。这些共振发生在许多频率。共振频率是迁移率相对较高的地方，这意味着系统只需一点点力就可以轻松移动。下图5显示了完整排气管的典型特征曲线。这些曲线显示了整个系统的最差共振频率（产生最大噪声的共振频率）作为振动图。然后，该图可用于定义迁移率分析的重点，以优化系统。图6 整车排气系统布局和详细的排气吊挂系统分解为车身侧吊挂、隔离器和排气侧吊挂及消声器的4自由度集总参数模型总成。在排气系统仿真中，为降低结构噪声而采用的迁移率方法，从定义静态隔离器的刚度开始。刚度定义了排气系统吊挂支架和车身侧支架所需的响应目标。图6显示了一个完整的排气管以及分解为4个自由度（DOF）结构的详细排气安装系统-吊挂主体侧、隔离器、吊挂排气侧和消音器。集中质量系统是能量如何从源传输到接收器的基础。根据定义，迁移率是频率域中速度（m/s）与单位力（1N）的比值，通常以dB为单位。在排气应用中，术语刚度指的是隔离器的静态刚度值<80>>结构迁移率）。正确使用隔离器时，传递到车身/底盘系统的振动能量不应超过10%。这定义了使用目标静态刚度值实现的目标机动性。换言之，所有大于此目标值的值都会导致结构噪声，所有低于该目标值的值都表明排气管和连接到车身的吊挂之间的能量充分隔离。系统和车身/底盘安装位置都应具有高刚度，而隔离器应具有低刚度，以便进行适当的隔离。当结构的迁移率等于隔离器的迁移率时，不会发生隔离。因此，排气吊挂开发中的一个常见要求是具有250 Hz到400 Hz范围内的第一共振频率或第一模态。第一模态的该值可随动力传动系和平台定义而变化。在模拟中，根据全局坐标系，在垂直方向上对每个吊挂的端部自由侧施加1N的激励。由此得到的速度谱是迁移率随频率的函数。目标曲线来自方程（2），隔离器静态刚度在分析带宽的每个频率保持恒定。模拟与实验测定的不同之处在于，在实验中，用冲击锤激励悬挂器的端部自由侧，并在同一位置加入加速度计（质量）来提取上述速度曲线。图7显示了当系统没有隔离（绿色）、具有不同厚度的吊挂（蓝色、粉色）以及使用迁移率方法优化吊挂（蓝色）时，在广泛频率范围内迁移率的典型行为示例。图7 在很宽的频率范围内的迁移行为。在找到最佳解决方案之前，可以改变悬挂器的厚度和吊挂的设计。蓝色曲线显示了使用迁移率函数进行优化的结果。选择一条乘用车排气系统管路作为案例研究，如图8所示。它包括标记为417、419、424和423的四个吊挂以及所用隔离器的静态刚度值。为了验证这种方法，使用相关排气管进行了模拟和实验测试循环[2]。在自由-自由边界条件下，激励力仅在排气系统的Z方向上施加，没有解耦单元。根据上述识别号，图9、10、11、12所示为每个吊挂的频率响应曲线。可以清楚地观察到，没有一个排气吊挂满足迁移率要求，但是实验和分析曲线在25Hz到250Hz的带宽范围内看起来非常相似。CAE模型的这种精确度将使吊杆417和419中的优化循环的性能得以实现，并使用迁移率方法确认改进。图13显示了悬挂器417不同厚度的噪声特性，作为第一个优化循环。图14显示了前吊挂中使用的钢筋，将在第二个优化循环中使用，以提高隔离度。图15和图16仅显示了每个吊挂侧的分析结果，由于它们是同一个单元吊挂，因此非常相似。在添加了实心钢筋后，两个系统的隔离度都从60Hz开始提高，并在整个频率范围内持续。我们已经证明，在排气系统模拟中使用迁移率传递函数在定义和选择合适的吊挂和/或隔离器设计以衰减结构噪声方面具有重要的优势。先进的CAE仿真工具的应用可以减少开发时间，并具有在结构耐久性和NVH验证门之前重新设计吊挂的能力。本程序已整合到Faurecia排放控制技术公司（FECT）使用的耐久性工作流程中，作为添加其他隔离组件（如质量阻尼器、长挠性联轴器或其他解耦元件）之前的重要步骤，增加了系统的开发成本和复杂度。仅增加吊挂的厚度不足以达到隔离目标。为了达到这一目标，有必要使用实心或杆式钢筋增加质量，增加吊挂的刚度。下一步是使用先进的数学工具（如CAD中的CAE集成）开发和集成优化循环，以简化吊挂设计的更改。这个主题目前正在FECT开发中。这种方法的一个有趣的扩展是研究将其应用于排气挠性联轴器的优点，以便研究小排量发动机（从20-250HZ）的刚度要求。适当的挠性联轴器的选择和定义也可以通过将噪声响应视为长度或其他几何参数的函数来研究[4]。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-13
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