Internal Combustion Engine &Parts
0引言
①缩短了汽车设计的周期。在汽车开发过程中，借助CAE 工具可以有效缩短设计周期，并且在构建模型和探究过程中使用实体模型和参数化，以便快速修改模型和参数，从而进一步缩短了模型设计和结构参数的应用时间。②节省研发成本。CAE 工具可以有效节约汽车研发成本，将CAE 工具与汽车设计有机结合，对汽车的整体零部件的多种性能进行分析的成本要明显低于道路实车试验的成本。
③优化汽车整体零部件的性能。利用CAE 工具，有效改善了汽车整体零部件的综合性能指标，有利于研发出更为优越性能的汽车零部件。但是，在实际的运用过程中，要想将CAE 工具的利用价值发挥到极致，就要满足以下条件：首先要熟练掌握CAE 技术，其次要有最基础的实验数据和有关实验数据的数据库，所谓的实验数据就是指道路状况、多种材料的力学特征等，实验数据库就——————————————————————
—作者简介：牛兴坤（1986-），男，河北衡水人，硕士研究生，研究方
汽车排气系统的CAE 分析与优化设计方法探讨
牛兴坤
（众泰汽车工程研究院，杭州310018）
摘要：本文主要针对汽车排气系统对车身噪音及振动方面的影响进行分析研究，搭建汽车排气系统的三维空间模型，并借助
CAE 制图软件模仿在汽车排气系统设计中出现的断裂情况，且使用有限元法研究汽车排气系统的内部结构，出发生事故的原因并加以优化改进，此方法对汽车的排气系统设计中CAE 软件的运用奠定了基础。
关键词：汽车排气系统；断裂;CAE 分析；优化
3.2原因分析
①针对以上出现的问题，我们首先从机械出动效率方面入手，此拧紧轴使用电机为西门子400W 伺服，最大堵转扭矩为3.8N ·m ，减速机速比为i=4×6=24，考虑效率损失输出扭矩为T=3.8×24×0.8=72.96N ·m 。客户要求扭矩为49-69N ·m ，满足客户的使用要求。
②拆解后经过零部件清洗，发现轮架的后端支撑轴承内圈损坏，滚珠保持架发生变形，分析是由于轮架整体受到的轴向力过大，导致内圈受力，在高速转动过程中，与外圈发生偏离，进而导致滚珠保持架变形，图4所示结构。
减速机的输出轮架长度尺寸较大，在加工工艺热处理后需要对安装轴承的台阶进行磨削加工，来保证前后轴承的同轴度。拆解后检测零部件的尺寸公差，发现长度尺寸113mm ，没有达到图纸要求的公差范围，另外减速机内齿圈的尺寸也存在公差范围过大的问题，导致后续的尺寸装配链出现问题。
③机械方面的故障确定之后，可以推导出由此引发的电机故障，查西门子的说明书，发现报警F31100代码的主要原因是编码器的问题（详情见西门子V90伺服说明书），由于拧紧轴在工作过程中，机械部件的公差以及轴承的损坏导致电机受到的阻力增大，并且堵转时的电机发热量相应增加，电机温升超过120℃后，编码器就会出现故障，引发伺服器自动报警。
④客户要求在设备运行过程中，运行出现设备报警，但是不能停止生产线，经过与电气技术人员沟通，在软件界面增加相应的解除报警按钮，可以通过此报警按钮清楚伺服报警。
4结束语
①拧紧轴中的行星减速机是比较精密的传动，不论是在工艺或者装配中都要保证合理的公差范围和装配尺寸链。
②在生产线试线过程中，设备可以出现故障报警，但是不能停线，所以针对这个问题，我们考虑借鉴国外其他厂家拧紧轴的经验，将拧紧轴的扭矩传感器定制为双向传感器，在螺栓拆解过程中也能实时监测扭矩的大小，对于减速机阻力过大，传感器的数值可以马上判断出来，然后通过电信号结束拆解过程，这样就可以最大限度的减
小电机编码器的损坏。
图3
图4拧紧轴内部结构
图1排气
系统模型
图2排气系统断裂位置众泰汽车
是指企业在生产过程中通过实验不断积累的、可以提供
有效参考依据以及主要性能参数的数据库。现如今，在具体的汽车排气系统工作中，边界条件和模型构建的过程仍然存在很多问题，对于汽车排气系统分析的准确性会直接影响仿真结果，导致结果缺失一定的验证。由此在对汽车排气系统进行仿真探究时，要从多方面进行分析，要综合考虑耦合因素的
作用，比如除音器与发动机的耦合、气流对排气系统的冲撞和振动等因素，这些因素都有可能造成排气系统发生故障，有关人员可以对排气系统开展流固和声固的耦合进行分析，进而做好排气系统的模拟工作。
1排气系统结构分析
所谓的排气系统就是汽车收集释放出废气的系统[1]。其组成部分有排气管、温度传感器、催化转换器、排气歧管、消音器以及排气尾管等。排气系统主要的功能就是将发动机在正常运行中所产生的废气排出，且排出废气时能够减少其排放量，减小噪音。排气系统的外形虽然比较简单，但是在具体的开发过程中要充分考虑管径大小、管道的长度以及汽车盘底的设置，并且还要考虑排气系统中气流的不稳定性，避免发生相邻气缸在排气过程中两者气流相互影响的情况。在排气总管道中，安装发动机的氧传感器由于会受到汽车排气时所产生的氧分子的影响，要将其及时有效的反馈到电控单元，从而进入到发动机内部构成呼和气体比例。某一项目柴油汽车的排气系统的设计模型如图1所示。
汽车在耐久试验过程中出现催化器断裂的情况，断裂位置如图2所示。
分析得出，造成断裂的主要原因是由于系统振动过大而造成断裂，而系统振动则是因为发动机怠速、路面不平整以及气流波动激励而形成振动[2]。根据这一项目证实导致该事故发生的主要原因是发动机怠速，由此可见，发动机怠速振动是因为在此条件下发动机进行反复运转刺激产生，排气系统的频率
主要取决于发动机承载的气缸数和怠速转速。
2汽车排气系统的CAE 分析与优化设计2.1系统疲劳耐久性分析
耐久性疲劳是指汽车排气系统所能承受破坏的承受力，分为结构疲劳和热疲劳。其中结构疲劳对汽车排气系统的影响最大，它和排气系统中的系统材料、安装方法、固定方法以及自身结构等因素紧密连接。在汽车排气系统中，要将排气歧管放到系统的最前沿，和发动机连接在一起，另一端借助挂钩与车体进行连接，设计时要注意挂钩的摆放位置，一旦固定不能随意拆卸。在对其进行优化时，要想更好的提升汽车的耐久性，就要重视与排气系统相关的材料和内部结构的设计。以某一车型的排气系统设计为例，先要搭建排气系统的应用模型，对其进行进一步分析后利用平均应力修正法将数据传送到分析软件中，进而分析汽车排气系统的使用寿命和疲劳数值，然后根据数云图直观看出排气系统中每一节点的使用寿命与疲劳数值。因此到应力较大的位置与寿命较短位置相对应，这种位置一般是处于管焊接处、挂钩处以及后消声器处等。经过仔细研究可以发现实际寿命和理论寿命之间的差距，再对其进行优化设计，从而保证排气系统更具有坚硬性[3]。
2.2有限元模型和汽车排气系统模型的搭建在搭建有限元模型的过程中，要注意定位参数、特性参数的实际情况。其中特性参数包括排气系统中相关金属材料的厚度、发动机质量以及波纹管的硬度和密度；定位参数是指发动机的排气系统方位、悬置方位、质心方位等。在搭建流场分析网格模型时，流
场分析的计算区域就相当于汽车排气系统的空腔。在模型网格划分的过程中，要将排气系统的内部结构进行合理科学的简易处理，确保模型内部结构具有真实性。其次，对于混合网格模型要根据具体的情况作出具体的措施，混合网格模型包括棱柱形四面体，五面体以及六面体。目前，一些简单的排气管零部件和催化器都采用的是六面体结构网格，稍有复杂的前后消声器主要采用四面体网格，四面体网格是属于非结构化的一种。利用此方式不仅可以有效提高机选效率，还可以保证计算结果的精准度，另外，在划分网格模型过程中，要严格把控网格的质量，网格质量要符合相应的规定。
3结语
汽车发生振动时，最先感受到的就是汽车排气系统，排气系统作为汽车振动最敏感的部位，对其进行优化设计是很有必要的。针对使用柴油机发动机的汽车，要在设计中重视内部结构的设计，要合理选择吊挂形式和排气系统吊挂点，不能进行随意更改。同时，要积极学习CAE 工具的使用方法，将其很好的引入汽车排气系统的优化设计中，从而有效降低汽车的开发成本，避免排气系统发生故障，进而提高汽车的使用寿命。
参考文献院
[1]玄东哲，朴燕姬，尹凤哲.汽车排气系统的CAE 分析与优化设计方法研究[J].黑龙江科学，2018，9（20）：76-77.
[2]谢义杰，黄昶春，范健文.汽车排气系统振动特性分析研究[J].广西科技大学学报，2018，29（02）：43-47，55.
[3]张正华，程利辉，杨书建，刘炳寅.汽车排气系统的CAE 分析与优化设计[J].汽车零部件，2016（07）：47-50.
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