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1、华中科技大学 硕士学位论文 某车排气消声系统悬置优化设计 姓名：马慰慈 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：黄其柏 20090520 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 排气系统振动控制的研究是为了降低由排气系统传到车身的振动， 从而提高汽车的 乘坐舒适性，降低车厢内的噪声，提高排气系统的使用寿命，因此本研究具有重要的工 程实际意义。 模态分析技术是目前汽车等众多领域进行动力学分析的基础， 其目标是识别构件的 模态参数， 为结构的振动特性分析和结构动力特性的优化设计和悬挂弹簧刚度阻尼优化 设计提供依据。本文针对排气系统复杂振动
2、的特点，结合排气系统的结构设计，以该系 统工作过程的振动为研究对象， 采用有限元软件 MSC.NASTRAN 中的 Block Lanczos 方 法对车辆排气系统在自由状态下的振动情况进行模态分析， 得到了系统在各阶模态的频 率和振型。为下一步进行悬挂弹簧的位置和刚度阻尼优化设计奠定了基础。 排气系统在受到发动机振动激励后将振动响应传递给底板， 因此悬挂位置的选择是 降低车身振动提高乘坐舒适性的关键，希望悬挂点最好振型的节点。首先对汽车排气系 统在自由状态下进行模态分析，获得其固有频率和各阶模态振型，根据发动机转速范围 和车厢内人体对频率的敏感范围，确定前六阶频率为分析频率。提出了使用层次分
3、析法 求各阶振型相互叠加的权系数， 然后对某车排气系统前6阶自由模态振型求得加权系数， 运用平均驱动自由度位移最小方法获得排气系统振型加权位移最小点， 以此作为排气系 统悬置优化后的位置点。在悬挂弹簧刚度阻尼优化方面，采用牛顿法优化选取合适的刚 度阻尼，降低弹簧的力传递率，从而实现对整个排气系统的优化。 关键词关键词：排气系统 悬挂系统 模态分析 优化设计 刚度阻尼优化 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract The primary goal of studying the vibration of the exhaust system
4、is to restrict the vibrating transmission from exhaust system to soleplate of automobile, which will improve riding comfortableness of automobile, reduce noise in automobile and enhance service life of exhaust system. Therefore, this research is significant to automotive engineering. Modal analysis
5、technology is a foundation for dynamic analysis in the field of automobiles and so on. Its purpose is to identify modal parameter and supply gist for vibration characteristic analysis of structure and optimization design of stiffness and dampness of hanging springs. According to the vibration charac
6、teristic and structure of exhaust system, the vibration of automobile exhaust system in working process were chosen as the study object by the thesis. Modal analysis on unrestrained automobile exhaust system was done using the Block Lanczos method of finite element software MSC.NASTRAN and the natur
7、al frequencies and mode shapes of exhaust system were found. That validated the validity of the finite element model and laid a solid foundation for the optimization design of hanger location, stiffness and dampness of hanging springs. Vibration is transmitted from the exhaust system to the soleplat
8、e when the exhaust system is inspired by motor vibration. The key to reducing the vibration of automobile body is the choice of hanging points of the exhaust system. Firstly, modal analysis on the exhaust system was done, from which natural frequencies and mode shapes was acquired. The first to sixt
9、h frequencies were chosen to analyze according to the rotate speed range of engine and frequency range of human tenderness. The thesis advanced weighting coefficients of the first to sixth modes of exhaust system which were calculated by using layer analysis method. Secondly, weighting coefficients
10、of the first to sixth modes of exhaust system were calculated by layer analysis method. The points whose average driving DOF displacements are smaller than others will be the hanging points of exhaust system. The stiffness and dampness of hanging springs were optimized by Newton method, which will m
11、inimize the force transformed from exhaust system to the hanging springs. Then the optimization design for exhaust system was done. Key Words: Exhaust system， Modal Analysis, , Optimization Design, Stiffness and dampness Optimization 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论
12、文不包含任何其他人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月
13、日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源与背景课题来源与背景 现如今，汽车已经成为人们生产和生活中必不可少的交通工具。汽车工业的发展水 平已成为一个国家现代化程度的重要标志之一，因此对降低振动的要求也越来越高。车 辆行驶时，车内越平稳越舒适，车内的噪音就越小，汽车的竞争力就越强，因而降低汽 车的振动已为各个汽车公司充分重视。为此，各大汽车制造公司对汽车振动噪声控制研 究都投入了较多的人才和资金。车辆的排气系统是动力装置必不可少的组成部分，它在 保证车辆发动机能
14、够顺利排出废气的同时又必须保证所排出废气的污染物指标达到各 地的环保要求， 更为重要的是排气系统必须能够有效的降低发动机排出废气时发出的噪 音。所以在环保要求日益严格的今天，排气系统正在整车系统中扮演着越来越重要的角 色。 汽车排气系统主要由排气管、三元催化装置、波纹管、副消声器、主消声器以及排 气系统悬挂装置等组成。其中三元催化装置可以有效的净化发动机排出的废气，去除其 中的污染环境对人体有毒有害的成分（如 CO，CyHx 以及 NyOx 等）；主、副消声器可 以有效的降低车辆运行时发动机排气所发出的噪音； 波纹管以及排气系统悬挂装置则是 用来减少排气系统的振动，从而提高系统的可靠性及寿命。
15、所以说，对汽车排气系统的 研究是非常有意义而且十分有必要的，特别是对降噪和隔振的研究，对车辆的运行可靠 性及舒适性都有着重大的意义。 汽车排气系统是一个复杂的声学系统，汽车运行时，发动机排放废气时所产生的噪 音一般会覆盖从 200Hz 到 2000Hz 的频率范围，因而对汽车排气系统的降噪功能提出了 很高的要求。所以，车辆一般都使用主、副两个带有多个扩张腔和共振腔的消声器的形 式来降低噪音。在某些极端情况或者对噪音要求十分严格的车辆环境下，也可能使用较 多的消声器来完成此项功能。其次，汽车排气系统还是一个十分复杂而且具有多个自由 度的振动系统， 其振动的来源包括了车辆在行驶过程中发动机产生的振
16、动和路面通过悬 架输入的激励以及传动系统冲击及扭振激励等的车架向排气系统输入的振动。 当车辆处 于各种特殊工况下，比如在车辆起步、制动或者路面行驶遇到冲击时，发动机和车架会 向车辆排气系统传递更多的冲击，因而形成很大的动载荷。而车辆在长期处于这些工况 交替的情况下，排气系统结构很容易产生破坏。所以，汽车排气系统采用一套悬挂系统 来降低系统所受到的振动。另外，一般来说汽车排气系统还会在三元催化器附近加装一 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 段波纹管，用此来隔离发动机的周期性激励。 1.2 研究意义研究意义 汽车振动的控制越来越受到国内外汽车公司的重视， 国外的一些汽车公司将振动噪 声的控制作为提高汽车核心竞争力的手段。 国内的汽车公司也投入到很大的技术力量来 研究减振降噪， 但是， 相对于国外， 国内公司在排气系统振动控制上技术仍然比较薄弱， 由排气管振动所带来严重的危害时有发生， 如： 使得管道结构、 管路附件产生疲劳破坏， 特别是管道的连接部位产生松动和破裂甚至泄露； 排气系统不
