高性能排气系统吊耳开发

摘要

用于支撑汽车排气管的橡胶吊耳在隔离汽车座舱与排气管振动之间也起着重要作用。通过对橡胶吊耳振动传递特性和机理的评价，证实了橡胶吊耳的动刚度在特定频率范围内增大，从而增加了振动在该频率范围内的传递。通过对橡胶吊耳结构的模态分析和有限元分析，确定了这种动态刚度增加的现象是由橡胶的共振模态引起的，这种共振模态固有地伴随着传统橡胶吊耳设计的结构。对管路中橡胶排气吊耳安装点处的车体进行了灵敏度分析，确定了高灵敏区的频率重合或接近橡胶吊耳的共振频率。这被认为是一个很大的因素，恶化的噪音和振动的机舱排气管。通过对橡胶谐振现象的模态分析，提出了一种新的橡胶排气吊耳结构设计方法。特性试验和车辆评价表明，新设计的橡胶吊耳能够成功地抑制橡胶吊耳在问题频率下的固有共振模态，从而降低车辆安装时的振动和噪声。

前言

汽车排气管系由三元催化器、消声器和排气管组成，这些部件连接在一起，橡胶吊耳用于支撑和安装排气管到车身上，并将车身与排气管振动隔离。近年来，内燃机正朝着更大的功率（通过使用增压器）、更多的气缸和更多的安装形式（如发动机中部安装）得到了越来越大的发展。随着这些发展，排气管路的振动和噪声的降低也得到了密切的研究。减少排气系统振动的设计主要是首先获得排气系统的固有频率和固有振型，然后将橡胶吊耳的安装点定位在自然的节点上模态。这个这项技术只对减少振动传递有效频率范围有限，且不能被设计为对排气系统的所有模态有效，原因是一个模态的节点不会是另一个模态的节点。因此，降低排气装置本身的传递率是装配商的一个重要主题。当车身刚度不足时，通过排气吊耳传递到车身的排气管路振动引起的噪声往往成为一个关键问题，或当此类振动频率与车体声敏特性较高的频率重叠时。因此，橡胶排气吊耳的动态刚度特性对降低汽车座舱内的振动和噪声具有重要作用。在本报告中，我们将报告影响动态刚度特性的因素分析和对策，以及吊耳在车辆上的新发展的影响。

1.橡胶吊耳特性分析

1-1.橡胶吊耳的支撑结构

典型排气管路和传统橡胶排气吊耳的结构示意图如图1所示。排气管吊耳在排气管路中，以支撑管路并抑制来自排气管的振动传递。图1中的橡胶吊耳为通用型结构，其上部孔插入一根固定在车体上的挂钩，下部的孔插入一根固定在排气管上的钩挂，使橡胶吊耳能够连接车体和排气管。吊耳侧面的橡胶臂支撑管道的重量，同时隔离排气管道的振动。

图1排气管和橡胶吊耳

1-2.橡胶吊耳动态特性评估

测量橡胶吊耳动态刚度特性的方法如图2所示。如图2所示，橡胶安装试件的一端由液压伺服执行机构激励，另一端通过称重传感器测量传递的力。执行器的激励是正弦信号。得到动态刚度或弹簧率（K*=Po/XoLδ），其中Po是由图2所示的致动器激励橡胶吊耳时的荷载放大，Xo是挠度振幅，6是荷载和挠度之间的相位角。橡胶吊耳的动态刚度和相位角如图1所示，通过使用上述测量设备，在100Hz至1000Hz范围内通过正弦扫描激励获得。硫化橡胶动态刚度特性的典型频率依赖性在500Hz以下的中低频范围内通常表现为近似恒定值或随频率略有增加的依赖关系。然而，在这项测试中测量的橡胶排气装置在频率接近400Hz和800Hz时，刚度急剧增加。上述测量的刚度和相位特性表明，刚度峰值是由橡胶排气吊耳本身的共振振动引起的。从这些测量结果中发现，传统橡胶排气吊耳的高频动刚度特性并不具有其设计的低特性，因此假设橡胶吊耳不会显示出预期的减振效果。

图2动刚度测试系统

图3吊耳动刚度

1-3.模态分析和仿真结果

为了研究和识别特性测量中橡胶谐振现象和动刚度增大的原因，对橡胶吊耳结构进行了模态分析试验。将橡胶吊耳安装在试验台上，如图3所示，并悬挂一个砝码，以在实际车辆条件下对吊耳进行加载。冲击激励技术通过冲击锤施加在橡胶吊耳下部垂直方向上的重量。为了测量传递函数，用非接触式光学位移计测量橡胶侧面黑色点在水平和径向的位移。

在上部A点测量的传递函数数据如图2所示。该结果与动刚度测量结果相比，在400Hz和800Hz附近的峰值频率具有良好的对应性（170Hz处的峰值可以解释为重量和排气装置的质量弹簧共振）。400Hz和800Hz的振动模态动画如图4和图5所示。此外，图6中有限元模型的模拟分析如图7和图8所示。图4和图7以及图5和图8中的振动模态也显示出良好的对应关系，清楚地表明了有限元分析的有效性结果。来自这个分析，可以这么说在那里400HZ安装位置的橡胶侧臂有第一弯曲模态，上下部分为节点，臂沿侧面方向弯曲，打开/关闭运动，800Hz时，第二种弯曲模态为上臂、下臂和中间臂为节点，使橡胶臂的上半部和下半部沿相反的方向弯曲。在上述频率范围内，这两种主要橡胶共振模态的影响可被认为是导致动态刚度大幅度增加的原因。

图4橡胶吊耳的传递函数

图5橡胶吊耳的模态测试分析

图6400HZ时的模态振型

图7800HZ的模特振型

因此，具有图3所示配置的橡胶吊耳的增加动态弹簧常数的衰减因子出现，这是由于橡胶吊耳臂部的开启/关闭模态在垂直拉动的支撑垫的上部和下部发生的特征位移。

图6有限元模型

图7有限元分析出来的400HZ模态振型

图8有限元分析出来的800HZ模态振型

1-4,动态特性提升

在我们研究改善橡胶排气吊耳动态刚度特性的设计修改之前，我们决定将传统吊耳设计的两个基本特征保留到新吊耳中。那个第一个特点是，为了确保排气管的适当位置，安装到车身和排气管的安装尺寸和孔距应保持不变。这种橡胶吊耳因其结构简单、价格低廉而被广泛应用于多种车型。从传统到新型的简单交换能力是广泛使用的必要条件。第二个特点是，为了保证排气管的支撑刚度和耐久性，垂直静态特性，即载荷偏差和静态刚度应保持不变。

在改善动态刚度特性的方法中，最有效的设计方法是不发生上述振动模态，但这需要对橡胶吊耳的基本结构进行重大改变。另一种改进方法是通过改变挂钩的刚度来改变固有振型的频率，但不能同时获得上述两个基本特征。因此，这种方法不可能产生广泛的变化。为此，通过有限元模型仿真，对问题模态的振型进行了广泛的研究，提出了只改变挂钩在水平开闭方向的刚度的思想，将振动模态的频率移到较高的频率，并抑制开闭方向的振型，以减小支承部在垂直方向上的位移，从而抑制动刚度的增加。图9所示为橡胶吊耳的结构，其配置变化最为简单，通过仿真成功地抑制了动态刚度的增加。新开发的橡胶吊耳的结构特点，如图所示，仅由连接两个橡胶臂的中间杆组成，类似希腊字母“8”，同时仍确保橡胶排气吊耳所需的基本功能特性。图3显示了传统型橡胶排气吊耳和新开发的8型吊耳的相对动刚度特性。400Hz和800Hz的峰值分别被移到500Hz和900Hz。此外，共振频率处的动刚度增加量大幅度降低，如图3所示。由于中间杆的刚度，臂的开启和关闭模态下的位移被抑制，因此共振振动模态下的两个动态刚度特性峰值都降低了。需要注意的是，虽然中间杆在臂架中的三个节点在800Hz附近的模态下位于节点位置，但调整中间杆的厚度有助于降低该模态下的动态刚度。图10所示为8型吊耳的特征模态的有限元模型模拟。该振型对应于图11中260Hz时的振型，是以中间杆为质量，中间杆两端支承件为主弹簧的自振型。需要根据中间杆的厚度或长度确定合适的值，以调整该模态的动态刚度特性。

图9 8字型吊耳

图10θ型吊耳的动态刚度与传统型的相比

图11θ型吊耳用CAE分析出来的在260HZ时的模态振型

2.车辆评估

2-1.车身灵敏度测量和常规安装评估

评估是在一辆4缸2000cc发动机的FWD个人轿车上进行的。这辆车有七个传统的橡胶吊耳来支撑排气管。首先，为了测量车身对噪声和振动的敏感性，用冲击锤进行了冲击试验，以获得传递函数。在橡胶吊耳安装点的身点处进行锤击，在拆除吊耳时垂直锤击。为了进行此项测量，在撞击点旁边的地板上安装了一个加速度传感器来测量惯性矩，在驾驶室前排座椅的中心耳点安装了一个噪声计，以测量声音/力的传递函数。测量点和结果如和图12所示。从图4中地板的传递函数特征数据可以明显看出，在450Hz和750Hz的范围内出现了一个高灵敏度区。从图7所示的数据也可以明显看出，对声学特性敏感的频率对应于振动的高敏感区。此外，该频率区近似对应于图3或图10所示的传统型橡胶排气吊耳的动态刚度特性增加区。

接着，在安装了底盘发电机~仪表~开关式常规型橡胶排气吊耳的车型上，测试了试验车辆从1000r/min加速到6000r/min，并在2档加速至6000r/min时，测量了车厢内的地板振动和噪声。结果显示在图12的三维瀑布图中。图13中的数据明显表明，从低转速到高转速，在350Hz到450Hz，500Hz到550Hz，650Hz到750Hz的范围内有一个振动恶化区。由于这些频率范围大致对应于地板的高灵敏度区域，而且还可以观察到排气发动机旋转时增加的动态刚度频率区域。如前所述，假设这些范围是由高灵敏度和瀑布图13中的座舱噪声数据并没有显示出比地板振动更严重的区域，而是随着奇数阶和半阶部件到发动机的噪声级峰值增加旋转是可以观察到的。

图12 传递函数及车内噪声测量结果

图13瀑布图

2-2.8字形吊耳的应用

8型吊耳安装在试验车辆上。在底盘测功机上，车辆从1000转/分行驶到6000转/分，并测量了地板振动和前排座椅噪音。结果显示在图14的三维瀑布图中。从图14Graph8中可以明显看出，使用传统类型吊耳时地板振动水平恶化的区域在使用新的8型吊耳时有了很大的改善，特别是在3000r/min以下的低转速范围内，图14Graph9中的噪声数据也显示出奇数阶或半阶部件的噪声级得到了改善，与传统吊耳的试验结果一致。这些结果证实了新型8型排气吊耳降低动刚度的效果。

图14瀑布图对比

3、结论

共振现象（振动模态）是本文所报道的橡胶吊耳特有的现象，它不仅限于橡胶吊耳，而且是悬架橡胶衬套和发动机悬置等橡胶件在结构上所出现的现象。在过去有很多情况下，这种共振被使用或改进。在本次开发中，通过试验分析和仿真模型，使橡胶排气吊耳在其自然共振现象下的可视化成为可能，通过对橡胶排气吊耳进行轻微的结构修改，可以显著降低橡胶排气吊耳的动刚度，并成功应用于汽车上，降低了车辆的振动和噪声。

作者及单位：

Masaaki Hamada

Tokai Rubber Industries,Ltd.

参考文献

1)M.Tokushige,Y.Funahashi,andM.Katayama 'NewTechnologies of Anti-vibration Rubber Productsfor Automobiles' Journal of the Society of Automotive Engineers ofJapan Vo1.44,NoI 2,1990

2)'~heSociety of Automotive Engineers of Japan 'Automotive EngineersHandbook