排气系统是汽车的重要组成部分，一般通过法兰和吊耳分别与发动机排气歧管以及车身底板相连，它的主要作用是将发动机工作时产生的废气经过处理排出并且降低排气噪声。

汽车排气系统主要由排气管、波纹管、副消声器、主消声器、尾管以及排气系统悬挂装置等组成。波纹管以及排气系统悬挂装置则是用来减小排气系统的振动，从而提高排气系统的可靠性及寿命。由于受到发动机本身振动和道路载荷激励的影响，排气管振动相对较大，容易产生疲劳裂纹或破坏，本文主要研究道路载荷对排气系统结构耐久性的影响，从而在室内进行排气系统道路模拟试验。

在项目开发前期，没有单独的路试车辆对排气系统试验，无法满足排气系统开发周期的要求。而路试的时间周期较长，受环境影响较大。通过室内道路模拟试验，能够快速验证排气系统的结构耐久性能。

排气系统数据采集和标定

排气系统在车辆运动时，受到了来自发动机的振动和道路谱激励的双重作用，需要模拟发动机和车身挂钩的运动。发动机的运动通过排气歧管，传递到排气管上，为此需要采集发动机悬置的加速度信号，在台架上模拟出来。而车身挂钩的运动，可以采集每个挂钩以及排气管吊耳的加速度信号，实现对排气管运动的模拟。在采集加速度信号的同时，采集排气管吊耳以及消声器、波纹管处的应变信号，这些应变信号可以通过拉伸试验机进行标定，转换成力或扭矩（图1），然后进行后续强度试验，以及试验的相关性分析。

图1 标定试验机

为了采集发动机和排气管对应的加速度和应变信号，需要在敏感位置贴上加速度传感器和应变片，定好位置以后，进行布线和安装，如图2所示。

图2  排气管贴片位置

车辆在试车场采谱时，排气管的温度会很高，应变片难以满足要求，而且温度对应变有较大的影响，需要对排气管进行处理，将热气从排气三元催化的地方排出，从而不影响排气管的数采。试验时，采用冷态迭代，热态试验。最后，将准备好的车辆送到专门的试验场，采集各个路面信号（包括比利时路、方坑路及扭曲路等）。然后，将试车场采集的数据进行处理，除去异常信号和连接路面，检查数据是否符合实际情况，最后得到一个可以用于试验的目标谱。

台架试验的建立和运行

排气试验台主要模拟发动机的运动姿态和排气管吊耳的姿态，发动机主要是三点悬置的加速度信号，排气管吊耳主要是加速度和应变信号。

 1.特定位置的信号处理

发动机的加速度信号是采集Mount发动机侧的信号，而试验台架采用的是假发动机，并没有真实发动机的安装点，所以在台架试验时，需要对路试数据进行坐标转换，将发动机悬置的加速度信号进行坐标转换，转换到台架试验夹具对应的位置，可以利用RPC的DOF transformation工具进行，得到夹具对应位置的加速度信号。

排气管试验台架没有真实的车身，排气管吊耳车身侧的加速度信号也采用同样的方法处理，进行坐标转换，得到夹具对应点的加速度信号；排气管吊耳侧的加速度和应变信号都可以直接使用试车场的信号。

2.台架的建立

铝的“假发动机”采用铝合金制造，减小其质量有利于降低系统的惯性力，避免开裂等故障发生，提高系统输出能力（图3）。按照排气系统在整车上的安装位置，搭建好台架（图4），布置好传感器。

图3  铝发动机

图4  台架

台架搭建完成后，建立整个系统的输入输出模型，在这个系统中有7个驱动信号（3个发动机悬置和4个吊耳），11个响应信号（发动机、排气管的加速度信号和应变信号）。导入数据，将数据导入RPC中，对数据进行处理。

 3.系统的传递函数

试件安装定位，并与数采试件一致，将控制器、伺服阀、作动缸、排气管、传感器定义为一个系统，进行室内道路模拟试验。在迭代过程中，把整个系统简化成为线性不变系统，由于试验系统的多输入和多输出特性，整个系统如图5所示，这样系统的频响函数H(f)可以通过公式得到：

H（f）=Y（f）X^-1（f）  

图5  多输入和多输出系统的简化模型

研究过程中，采用白噪声作为输入，传感器采集到的实际响应信号作为输出，将整个系统看作是线性不变的系统，从而得到系统的频响函数H（f），计算系统的传递函数，设置输入和输出的参数，给系统一个白噪声信号，采集系统的输出，计算的传递函数H（f）如图6所示。

图6  系统的传递函数

利用模型得到的传递函数H（f），通过迭代获得的驱动信号，使响应信号收敛于目标信号，反复迭代，直到响应信号和目标信号的误差小到可以接受为止，将最终迭代的驱动信号作为试验的驱动信号，完成目标信号的迭代模拟，再用这个驱动信号进行耐久试验。

试验结果

本次试验迭代目标信号为加速度和应变信号，比较响应信号与目标信号RMS值及损伤等，直到满足要求位置。

选择比利时路进行迭代，共迭代了6次，控制点的加速度信号迭代精度都达到了10%以下，如图7所示，其中横坐标是迭代次数，纵坐标是RMS差值；再比较时域信号的峰谷值，如图8所示。根据统计值，可以看出峰值误差均满足要求。

图7  加速度RMS差值

图8  加速度峰值误差

最后再比较排气管吊耳上的应变值，选择应变比较敏感的地方，通过比较台架上的应变信号与路谱的信号，如图9所示，可以看出应变也能很好地收敛，应变信号的伪损伤也满足试验要求。以作为系统的驱动信号，对排气管进行耐久试验。

图9  应变时域信号

迭代时，排气管不通热气，使用冷态排气管迭代。迭代完成后，利用燃烧器提供热量，模拟发动机的排气温度，进行排气管耐久试验。

结论 

本项目通过设计排气管试验台，采集排气管在道路中的信号，进行室内道路模拟试验，能够很好地复现汽车排气管在试车场道路中的振动状态，完成排气管耐久性考核验证，能够在前期发现问题，提高开发效率。