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车辆排气系统振动建模与动力学特性研究

李松波  
【摘要】: 排气系统是车辆的重要组成部分,负责发动机尾气排放。它的降噪、尾气净化和压力损失等问题已被广泛的关注,但其动力学特性却没有引起足够的重视。传统的排气系统一般为15kg左右,同发动机和车体相连,随着排气系统重量较大幅度的增加,一个主消声器的质量已接近15kg,这不仅影响车辆的舒适性,也会干扰悬置系统的合理设计,因此需要对车辆排气系统的动力学特性给予全面的研究。 由于车辆排气系统结构的复杂性,无法直接采用传统的振动理论模型给予描述。本文建立了基于梁单元的排气系统一维数值模型,给出了排气组件的建模方法,特别对法兰接头的简化进行了实验验证,对具有复杂拓扑结构的消声器的一维简化提供了简单实用的建模方法。在此基础上,对排气系统进行了数值和实验模态分析,其中,约束模态分析模型中包含了发动机悬置系统。实验和数值分析表明,二者最大频率偏差不超过10Hz,数值模型能够真实的描述排气系统振动特性。 在排气系统一维数值建模的基础上,对发动机悬置系统在排气系统建模中的重要性进行理论描述和评价。分析结果显示,发动机悬置系统对排气系统建模准确性具有重要影响,是排气系统建模不可或缺的部分。由于排气系统组件设计参数较多,给排气系统动力设计和优化增加了难度,本文进行了排气系统固有频率对组件参数的敏感度分析,给出了敏感的组件参数,简化了排气系统振动设计的难度。 排气系统和发动机相连,由于传统的排气系统重量较轻,发动机悬置设计一般忽略排气系统的影响,随着排气系统重量和吊挂刚度等参数的增加,必须给予重视。本文在排气系统模态分析的基础上,建立了包含排气系统在内的18自由度发动机悬置系统动力学模型,其中排气系统被简化为由集中质量、刚度和阻尼所描述的12自由度的振动系统。研究表明,排气系统对发动机悬置X方向和θx方向的模态影响最大,Z和θz次之,Y和θy最小,最大的频率波动超过1.6Hz,发生在θx方向,同时,除Y和θy方向外,对各个方向的解耦率的影响都在10%左右。 路面激励和发动机激励都是排气系统最主要的振源。因此,需要被研究排气系统在路面和发动机激励下的振动传递特性。对路面激励的研究是以排气系统理论建模和经典的半车模型为基础,建立包含排气系统的8自由度Z向车辆振动模型;对发动机激励的研究是以包含发动机系统的排气系统数值模型为基础,运用ANSYS平台,建立了包含车身、车体、发动机和排气系统的数值模型,考虑了悬架、衬套和排气吊挂等耗能组件,分析了发动机X、Y和Z三个方向的激励。为了验证两种模型的合理性,分别对两种情况下的激励进行了实车实验。研究表明,无论理论模型还是数值模型都能够较好的描述的排气系统的动力特性,同时,由于模型的简化和激励的复杂性,仿真结果和实验结果仍然存在一定的偏差。 最后,对排气系统的振动控制方法进行了总结。


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1 李松波;车辆排气系统振动建模与动力学特性研究[D];上海交通大学;2008年
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