排氣系統(tǒng)一端與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，另一端則通過(guò)掛鉤與車體相連。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳遞給排氣系統(tǒng)，然后在通過(guò)掛鉤傳給車體。車體的振動(dòng)通過(guò)座椅、方向盤和地板直接傳給顧客，同時(shí)車體的振動(dòng)也會(huì)幅射出去，在車內(nèi)產(chǎn)生噪聲。所以控制傳到車體的力是排氣系統(tǒng)振動(dòng)控制的*重要的目標(biāo)之一。
排氣系統(tǒng)的振動(dòng)分析涉及到三個(gè)方面：模態(tài)分析，動(dòng)力分析和傳遞渠道的靈敏度分析。排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，幾乎不可能用經(jīng)典的力學(xué)分析來(lái)了解其振動(dòng)特性，在工業(yè)界，有限元方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。
排氣系統(tǒng)的振動(dòng)源
排氣系統(tǒng)的振動(dòng)源主要有四個(gè)：發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流沖擊，聲波激勵(lì)和車體的振動(dòng)，如圖1所示。**，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)。排氣系統(tǒng)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)也就直接傳遞給排氣系統(tǒng)。**，氣流沖擊。高速氣流經(jīng)過(guò)汽缸排出，直接沖擊排氣多支管，從而引起排氣系統(tǒng)振動(dòng)，特別是對(duì)于轉(zhuǎn)彎較急的部分。當(dāng)氣流進(jìn)入到排氣系統(tǒng)后，氣流在管道內(nèi)產(chǎn)生紊流，從而引起排氣管道的振動(dòng)。第三是聲波激勵(lì)的振動(dòng)。聲波在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)管道和消音元件等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，因此而引起振動(dòng)。排氣系統(tǒng)是通過(guò)掛鉤與車體相連，因此這些振動(dòng)會(huì)通過(guò)掛鉤傳遞到車體。
排氣系統(tǒng)的第四個(gè)振動(dòng)源是車體的振動(dòng)。這個(gè)振動(dòng)傳遞方向與前面三種相反，車體振動(dòng)也會(huì)通過(guò)掛鉤傳遞到排氣系統(tǒng)。這種傳遞會(huì)逆向傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)，從而加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。
圖1 排氣系統(tǒng)的振動(dòng)源
二、排氣系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)分析
模態(tài)分析是排氣系統(tǒng)動(dòng)力計(jì)算的關(guān)鍵。我們知道排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)和車體相連，因此排氣系統(tǒng)的模態(tài)必須與發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率和車體的模態(tài)分開，否則
系統(tǒng)耦合在一起會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振。通過(guò)排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析還可以知道系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)，從而可以更有效地布置掛鉤的位置。通常，掛鉤是放在節(jié)
點(diǎn)的位置，這樣傳遞力會(huì)*小。在排氣系統(tǒng)模態(tài)分析時(shí)，通常要對(duì)下面幾個(gè)指標(biāo)設(shè)定目標(biāo)：
**階垂向彎曲模態(tài)
**階橫向彎曲模態(tài)
**階橫向扭轉(zhuǎn)模態(tài)
模態(tài)密度
**階垂向彎曲模態(tài)和**階橫向彎曲模態(tài)是排氣系統(tǒng)中*容易被發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)起的模態(tài)，同時(shí)這兩個(gè)模態(tài)的振動(dòng)也*容易傳遞到車體并與車體發(fā)生共振。因此這兩個(gè)模態(tài)的頻率目標(biāo)是：與發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率避開，與車體的固有頻率避開。在四輪驅(qū)動(dòng)和全輪驅(qū)動(dòng)的汽車中，排氣系統(tǒng)有時(shí)候與傳遞軸系共用支撐架，因此排氣系統(tǒng)的頻率也必須與傳遞軸系的頻率分開。圖2和圖3分別示意一個(gè)排氣系統(tǒng)的**階垂向彎曲模態(tài)和**階橫向彎曲模態(tài)。
圖2 **階垂向彎曲模態(tài)（側(cè)視圖）
圖3 **階橫向彎曲模態(tài)（俯視圖）
發(fā)動(dòng)機(jī)的*低轉(zhuǎn)速一般設(shè)計(jì)成600rpm。對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，600rpm對(duì)應(yīng)的發(fā)火頻率為20赫茲；對(duì)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，600rpm對(duì)應(yīng)的發(fā)火頻率為30赫茲。所以排氣系統(tǒng)中低于20赫茲的模態(tài)很難被激勵(lì)出來(lái)。而高于250赫茲模態(tài)的動(dòng)力響應(yīng)一般比較低。這樣排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析多半是在20到250赫茲之間的范圍內(nèi)。
在設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)，要使得其模態(tài)越少越好。如果模態(tài)太多，那么系統(tǒng)某些頻率很容易被激勵(lì)起來(lái)，振動(dòng)容易被傳遞到車體。通常排氣系統(tǒng)應(yīng)該盡可能地設(shè)計(jì)成一條直線，如圖4(A)所示，而避免彎曲的形狀，如圖4(B)所示。
（A）
(B)
對(duì)于圖4(A)這樣的筆直系統(tǒng)，不僅振動(dòng)模態(tài)少，好控制，而且流體在管道中流動(dòng)通暢，因此背壓小，功率損失小。另外，這樣的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)重量輕，成本低。相反，對(duì)於圖4(B)中的彎曲系統(tǒng)，不僅振動(dòng)模態(tài)多，不好控制，而且背壓很高，系統(tǒng)的功率損失大。另外，這種結(jié)構(gòu)重量大，成本高。
影響排氣系統(tǒng)模態(tài)的因素有：排氣系統(tǒng)中管道的走向(筆直系統(tǒng)或彎曲系統(tǒng))，柔性連接管的剛度，掛鉤的數(shù)量和位置，掛鉤隔振器的剛度等等。排氣系統(tǒng)的模態(tài)與振動(dòng)基本上是用有限元來(lái)分析。圖5(A)表示一個(gè)排氣系統(tǒng)的有限元模型，圖5(B)為消音器及管道的局部圖。
