汽车排气系统吊耳及设计原则.doc

汽车排气系统吊耳及设计原则 收稿日期：作者简介：黄志（1982-），男，在读硕士研究生。研究方向：汽车振动与噪声控制。黄志1 ，段小成2，上官文斌1,2（1 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641；2 宁波拓普声学振动技术有限公司，宁波 315800）摘 要：介绍了汽车排气系统吊耳的典型结构，分析了其结构特点和应用车型；结合吊耳承重和隔振性能的要求，论述了吊耳设计原则；对不同的设计方案进行对比分析，阐述了这些方案对吊耳性能的影响。关键词：排气系统; 吊耳; 动态特性; 结构特点; 设计原则中图分类号：TK411 文献标识码：AThe Structure Characteristics and Design Principles for Automobile Exhaust Systems IsolatorsHUANG Zhi1, DUAN Xiao-cheng2, SHANGGUAN Wen-bin1(1 College of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, China2 Ningbo Tuopu Vibro-Acoustics Co., Ltd, Ningbo, 315800, China)Abstract:The structural characteristics and application cases of different type of isolators for automobile exhaust system are introduced and disscussed. Based on the performance requirements, some design principles for of hanger isolator described. Details to the influence of isolators characteristics are also presented.Keywords: exhaust system, hanger isolator, dynamic characteristic, structure characteristic, design principle排气系统是现代汽车上的重要总成之一，对净化废气排放、吸收发动机排气激励噪声具有十分重要的作用。吊耳作为排气系统的承重与隔振部件，起悬挂排气系统和把来自于排气系统的激励与车身隔离的作用。随车身轻量化设计、发动机前置前轮驱动以及平衡性较差的四缸发动机的普遍采用，由排气系统激励引起的车内振动与噪声问题在新开发车型中较为常见，并直接影响到用户对汽车产品的满意度。因此如何开发出高性能的吊耳对隔离排气系统激励、优化整车NVH性能具有重要的作用1。吊耳的基本使用性能要求是：具有合理的动、静刚度，能够支撑排气系统的同时隔离其振动激励；应具有足够的强度和一定的使用寿命，以保证其使用可靠性2,3,5。在可查阅到的文献中，阐述有关排气系统吊耳结构特征和设计原则的文献不多，故产品工程师在开发吊耳的过程中多基于经验积累和主观判断。本文从各类吊耳结构特点出发系统的阐述了吊耳的典型结构和常规设计原则，旨在为相关设计人员提供必要的参考和启发。1. 吊耳的结构形式1.1 吊耳的典型结构汽车排气系统吊耳的典型结构如图1所示，其主要材料为橡胶。该吊耳由上轴销孔（或称车身侧轴销孔）、下轴销孔（或称排气管侧轴销孔）、上下限位块、弹性支撑橡胶和金属骨架5个部分构成。其中上轴销孔与车身侧支架相连，下轴销孔与排气管侧吊钩相连，整个排气系统可由多个吊耳悬挂在车身底板下方。当车轮受到较大的垂向冲击载荷时，排气系统与车身之间相对位移缩小，此时上下限位块可有效防止吊耳被过度压缩而影响疲劳特性。而当吊耳受到排气系统施加的小位移激励时，可利用吊耳的弹性支撑橡胶实现隔振，从而可有效降低排气系统振动对汽车乘坐舒适性的影响。金属骨架可有效提高吊耳的强度，限制橡胶被过度拉伸，使吊耳可承受更大的载荷而不易发生破坏。1 上轴销孔 2 上下限位块 3 下轴销孔 4 弹性支撑橡胶 5 金属骨架图 1 典型吊耳的结构形式1.2常见的结构形式与性能吊耳的种类较多，形状各异，但多数吊耳的结构形式都与图1中所示的典型结构类似，其实现的功能也基本一致。图2图5所示为目前常见的几种吊耳结构形式，其应用车型包括乘用车、SUV以及商用汽车。除商用汽车的吊耳结构差异较大外，其余吊耳的结构形式基本类似。但由于应用车型不同，故在结构上又存在一定的差别。图2（a）和图2（b）为常见的乘用车吊耳，由于发动机排量较小，排气系统质量一般不大，不需要大刚度的吊耳支撑排气系统重量，因此吊耳一般体积较小，吊耳的垂向与剪切方向的动、静刚度相对其它车型要低（约2050N/mm）。图2（a）吊耳的刚度主要由下轴销孔处的橡胶提供，而图2（b）吊耳的垂向拉伸刚度主要由吊耳两臂处的橡胶提供。此外，图2（a）吊耳车身侧体积要小于排气管侧体积，使得吊耳呈金字塔形，易于在狭小的空间内与车身侧支架装配。由于这两种吊耳的垂向动刚度较低，具有较好的隔振特性，但不宜承受过大的载荷，故多布置在承重不大的排气系统前端。为避免图2（a）、图2（b）中吊耳被过度拉伸破坏，在此基础上进行了改进，如图2（c）、图2（d）所示。这两种吊耳的垂向刚度主要由两臂处的橡胶提供，沿吊耳外围插入了刚度很低却极具韧性的帘线。当吊耳受到较大的冲击载荷发生大变形时，帘线可有效抑制吊耳被过度拉伸破坏。帘线的使用虽可防止吊耳过载破坏，但不能提高吊耳两臂的弯曲刚度。实测表明，若吊耳两臂处弯曲刚度不足，易导致两臂的第一阶弯曲模态频率前移，可能与排气系统或车身局部模态耦合而引起车内舒适性变差。图2（e）和图2（f）两种吊耳结合了图2（a）图2（d）中吊耳的优点。为尽量减少吊耳在极限工况下被拉直，同时提高吊耳两臂的一阶弯曲固有频率，图2（e）吊耳在两臂之间插入了一个橡胶条。图3（b）即为有无中间橡胶条时的性能对比。从曲线可知，在200Hz以下的中低频域内，中间增加的橡胶条对吊耳的动刚度影响不大，但在200Hz以上时，橡胶条可有效降低动刚度峰值，且能提高吊耳的一阶弯曲固有频率。图2（f）所示的吊耳外边缘上粘结了一层薄金属片，具有与图2（e）吊耳类似的动态性能。根据文献4的分析，外边缘薄金属片的使用不会显著提高吊耳的动刚度，可保证其隔振性能，同时还可以将吊耳的一阶固有频率提高，有效避免了吊耳与排气系统发生共振。(a)(b)(c)(d)(e)(f)图 2 乘用车常用吊耳(a) 无中间橡胶条(b) 性能曲线（激励振幅=0.1mm）图3 中间橡胶条对吊耳性能的影响与图2中吊耳相比，图4（a）、（b）所示的吊耳尺寸较大，弹性支撑橡胶厚度更大，静刚度提高，该型吊耳多用于具有越野能力的SUV车型。此外，该型吊耳沿四周内嵌有金属骨架，吊耳具有较大的抗弯刚度和抗扭刚度，装配后吊耳不易因弯曲或扭转载荷而发生疲劳破坏。同时金属插件可起到限位作用，可防止过载时下轴销孔在垂向出现大位移破坏。图4（a）、图4（b）两种吊耳均可抑制吊耳绕车身侧支架的偏摆，其中（a）通过螺栓连接取代上轴销孔，（b）利用双轴销孔与支架相连，两者均没有绕轴销孔轴线的旋转自由度。(a)(b)图 4 SUV车型常用的吊耳结构图5（a）、图5（b）所示为商用汽车上常用的吊耳结构，从该图可知，吊耳无上轴销孔，通过坚固的铝质支架与车架相连。与乘用车吊耳相比，商用车吊耳的静刚度更高，结构更坚固。考虑到商用汽车的排气系统结构复杂及受安装空间约束，某些吊耳需要倾斜安装，要求吊耳能够提供水平和垂直两个方向的刚度，因此图5（a）吊耳四角均分布弹性支撑橡胶。此外吊耳通过铝支架与车身连接，限制了排气系统绕轴销孔的偏摆，提高了排气系统的稳定性。(a)(b)图 5 商用车常用的吊耳结构2. 吊耳的设计原则吊耳的主要性能参数有：吊耳的强度、耐高温性、耐久性、动刚度和滞后角。其中强度、耐高温性、耐久性主要受橡胶材料本身影响，而吊耳的动刚度和滞后角不但与结构有关，而且与激振频率和激振振幅相关。在关心的频率范围内，希望动刚度低，以保证吊耳具有较好的隔振性能，但吊耳的耐久性变差。提高吊耳的动刚度，可提高耐久性，但不能有效隔离排气系统传递给车身底板的动态激励力，可能导致汽车舒适性的恶化6,7。总之，吊耳的性能与采用的橡胶材料、橡胶硬度、金属骨架以及几何尺寸等设计因素有关，在实际的设计中，往往需要综合考虑上述设计因素，不断改进设计方案。2.1 吊耳材料的选取吊耳的制造材料多选择硅橡胶（简称VQM）或三元乙丙橡胶（简称EPDM）。VQM具有硅-氧链状结构，其键能是443.5KJ/MOL，比一般碳-碳键能（355KJ/MOL)高得多，因此VQM具有极好的耐高、低温特性，其工作温度区间可在-60300之间，使得VQM吊耳可以适应排气系统的高温恶劣工况。VQM还具有较好的耐臭氧特性和生物惰性，使吊耳不易因氧化失效，且使用过程中不释放对人体有害的物质。EPDM是另一种优良的橡胶减振材料，广泛应用于各种减振产品中。它具有较好的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力。EPDM对各种恶劣气候的适应能力较强，其物理性能稳定，且成本较低。EPDM的另一个优势是易于硫化，因此与金属黏合时附着性好。VQM的缺点是价格较EPDM贵，成本要高。鉴于VQM的优缺点，多将VQM材料的吊耳布置在工作温度较高，而质量相对较轻的排气系统热端或柔性节附近。EPDM的缺点是耐高温性能不如VQM，可承受的最高工作温度为150，多将EPDM材料的吊耳布置在工作温度相对较低的排气系统冷端。在选择吊耳的材料时，需要依据吊耳的实际工况和安装位置来决定。2.2 橡胶材料的硬度橡胶硬度对吊耳的动态特性具有较大的影响，一般而言，吊耳的动刚度随橡胶硬度提高而提高，动刚度的峰值频率随硬度提高而后移。图6给出了一吊耳在不同橡胶硬度下的实测动刚度特性曲线。该吊耳结构与图1所示的吊耳一致，仅无金属骨架，材料为EPDM。从曲线可知，吊耳的动刚度在300Hz之内略有增加，而其峰值固有频率随橡胶硬度的提高而明显增大，使吊耳不易与排气系统激励发生共振。（激励振幅=0.1mm）图 6 不同硬度吊耳的动刚度特性表1 金属骨架对吊耳性能的影响对比吊耳结构橡胶材料失效循环次数疲劳性能评价无骨架EPDM60,000不合格有骨架EPDM150,000合格2.3 吊耳的结构强化吊耳的结构强化主要指金属骨架对其动态特性和耐疲劳性能的影响。表1为有无金属骨架时的吊耳性能对比。吊耳结构如图1所示，金属骨架加在吊耳的外圈。吊耳的材料均为EPDM，硬度均为50。吊耳的疲劳试验条件为：预载65N，激励载荷+280/-200N，激励频率4Hz，温度80，要求目标循环次数为100,000。从该表可知，未加入金属骨架时，吊耳经过60,000次循环后即失效，未达到目标循环次数的要求。而加入金属骨架后，吊耳直到150,000次循环后才失效，可见金属骨架可大大提高吊耳的耐疲劳性能。2.4 吊耳的几何尺寸吊耳的几何尺寸设计主要基于耐久性、动刚度和空间布置等方面的考虑。受布置空间约束，吊耳的外轮廓尺寸必须在给定的设计空间内，其长度和宽度尺寸可根据吊耳的性能参数要求进行适当优化调整。吊耳的厚度尺寸对其耐久性和动刚度具有重要影响。若要保证吊耳不发生疲劳破坏，则需要将厚度加大；但过大的厚度不利于节约材料、降低成本，而且也不利于装配。图7所示为结构相同，但厚度不同的某吊耳动刚度特性曲线（厚度分别为15mm和25mm）。从曲线可知，厚度的增加使吊耳在400Hz频段内动刚度显著增加，不利于排气系统隔振。试验表明：调整吊耳厚度尺寸的分布，保持轴销孔附近的厚度，降低中间部分橡胶厚度，不但可节省材料，而且吊耳不易出现高频动态硬化现象，图8（a）所示即为该型吊耳结构。图8（b）为不同厚度分布时的动刚度特性比较。可见，通过降低吊耳中间部分厚度，200Hz以内吊耳的动刚度仅略微增加，但大大提高了吊耳的一阶固有频率，改善了吊耳的隔振性能。图 7 厚度对动刚度特性的影响(a) 吊耳结构(b) 厚度分布对动刚度性能的影响图 8 厚度对吊耳性能的影响（激励振幅=0.1mm）3. 结语本文在分析各类排气系统吊耳结构的基础上，阐述了吊耳的常规设计原则，分析了各设计原则对吊耳的强度、耐高温性、可靠性和耐久性、动刚度特性的影响，主要结论如下：(1) 吊耳虽然结构各异，但其基本结构特征类似，均实现悬挂排气系统和隔离其振动激励的作用。(2) 橡胶材料对吊耳的耐高温性、耐久性具有重要的影响，材料的选择视吊耳的布置位置来确定。(3) 橡胶硬度对吊耳的固有频率影响较为明显，随硬度值的增大固有频率提高，动刚度在中低频范围内有所增加。(4) 金属骨架对提高吊耳的使用寿命具有重要作用。实测表明，通过合理设计金属骨架，不但可显著提高吊耳的使用寿命，而且可提高吊耳的固有频率，使吊耳不易与排气系统激励产生耦合。(5) 几何尺寸对吊耳动刚度特性具有明显影响。在保证静刚度的前提下，应该适当降低吊耳厚度尺寸。试验与计算表明，通过调整吊耳的厚度分布也可以提高吊耳的固有频率。参考文献：1 M D Rao, K J Wirkner, S Gruenberg. Dynamic Characterization of Automotive Exhaust Isolators. Journal of Automobile Engineering, 2004, Vol.218, No.8: 891-900.2 M M Galindo. Science & Technology Designing Exhaust Systems. SAE Paper, 2003-01-1656.3 J Pang, P Kurrle, M Qatu, Robert Rebandt, Roberta Malkowski. Attribute Analysis and Cri