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汽车排气系统的振动模态分析

排气系统一端与发动机相连，另一端则通过挂钩与车体相连。发动机的振动传递给排气系统，然后在通过挂钩传给车体。车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给顾客，同时车体的振动也会幅射出去，在车内产生噪声。所以控制传到车体的力是排气系统振动控制的*重要的目标之一。

排气系统的振动分析涉及到三个方面：模态分析，动力分析和传递渠道的灵敏度分析。排气系统的结构非常复杂，几乎不可能用经典的力学分析来了解其振动特性，在工业界，有限元方法已经得到了广泛应用。

排气系统的振动源

排气系统的振动源主要有四个：发动机的机械振动，发动机的气流冲击，声波激励和车体的振动，如图1所示。**，发动机机械振动。排气系统直接与发动机相连接，因此发动机的振动也就直接传递给排气系统。**，气流冲击。高速气流经过汽缸排出，直接冲击排气多支管，从而引起排气系统振动，特别是对于转弯较急的部分。当气流进入到排气系统后，气流在管道内产生紊流，从而引起排气管道的振动。第三是声波激励的振动。声波在管道中运动时，会对管道和消音元件等结构产生冲击，因此而引起振动。排气系统是通过挂钩与车体相连，因此这些振动会通过挂钩传递到车体。

排气系统的第四个振动源是车体的振动。这个振动传递方向与前面三种相反，车体振动也会通过挂钩传递到排气系统。这种传递会逆向传递到发动机，从而加大了发动机的振动。

图1 排气系统的振动源

二、排气系统的振动模态分析

模态分析是排气系统动力计算的关键。我们知道排气系统与发动机和车体相连，因此排气系统的模态必须与发动机的激振频率和车体的模态分开，否则

系统耦合在一起会产生强烈的共振。通过排气系统的模态分析还可以知道系统的节点和反节点，从而可以更有效地布置挂钩的位置。通常，挂钩是放在节

点的位置，这样传递力会*小。在排气系统模态分析时，通常要对下面几个指标设定目标：

**阶垂向弯曲模态
**阶横向弯曲模态
**阶横向扭转模态

模态密度
**阶垂向弯曲模态和**阶横向弯曲模态是排气系统中*容易被发动机激励起的模态，同时这两个模态的振动也*容易传递到车体并与车体发生共振。因此这两个模态的频率目标是：与发动机的激励频率避开，与车体的固有频率避开。在四轮驱动和全轮驱动的汽车中，排气系统有时候与传递轴系共用支撑架，因此排气系统的频率也必须与传递轴系的频率分开。图2和图3分别示意一个排气系统的**阶垂向弯曲模态和**阶横向弯曲模态。

图2 **阶垂向弯曲模态（侧视图）

图3 **阶横向弯曲模态（俯视图）

发动机的*低转速一般设计成600rpm。对四缸发动机来说，600rpm对应的发火频率为20赫兹；对六缸发动机来说，600rpm对应的发火频率为30赫兹。所以排气系统中低于20赫兹的模态很难被激励出来。而高于250赫兹模态的动力响应一般比较低。这样排气系统的模态分析多半是在20到250赫兹之间的范围内。

在设计排气系统时，要使得其模态越少越好。如果模态太多，那么系统某些频率很容易被激励起来，振动容易被传递到车体。通常排气系统应该尽可能地设计成一条直线，如图4(A)所示，而避免弯曲的形状，如图4(B)所示。

（A）

(B)