某型汽车排气歧管开裂失效及设计优化.docx

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某型汽车排气歧管开裂失效及设计优化

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王宇同

摘要：本文针对发生开裂失效的排气歧管，探讨了排气歧管开裂失效发生的机理和结构设计原因，借助现代计算机辅助工程（CAE）技术，找到了排气歧管发生开裂的原因;并在此基础上重点对排气歧管优化设计理论和方法进行了研究，特别指出了“支架”在排气歧管设计中的重要意义;最后通过发动机台架实验对优化后的排气歧管进行了验证测试，证实未再有开裂失效现象发生，排气歧管开裂问题得到解决，本文排气歧管优化措施和方法有效。

关键词：排气歧管;开裂失效;热应力;振动;结构设计;支架

中图分类号：U464?文献标识码：A?文章编号：1672-9129（2018）15-0170-02

Abstract：Inthispaper，aimingattheexhaustmanifoldwithcrackingfailure，themechanismandstructuraldesignreasonsoftheexhaustmanifoldcrackingfailurearediscussed.Withthehelpofmoderncomputeraidedengineering（CAE）technology，thecausesoftheexhaustmanifoldcrackingarefound.Onthisbasis，theoptimizationdesigntheoryandmethodoftheexhaustmanifoldaremainlystudied，especiallytheexhaustdivergenceofthebracketispointedout.Finally，theenginebenchtestwascarriedouttoverifytheoptimizedexhaustmanifold，whichprovedthatnocrackingfailureoccurredagain，andtheproblemofexhaustmanifoldcrackingwassolved.Theoptimizationmeasuresandmethodsofexhaustmanifoldinthispaperareeffective.

Keywords：exhaustmanifold;crackingfailure;thermalstress;vibration;structuraldesign;bracket

引言：排氣歧管是将发动机各气缸排出的废气汇集到一起排出车外的重要部件，其工作性能对整个发动机排气系统乃至车辆运行效率都有着十分重要的影响。但是由于汽车底盘空间大小的限制，排气歧管所处的空间位置受汽车内部其他零件布局等多方面因素制约，可供其使用的空间往往十分有限，因此排气歧管常常需要设计成不规则且复杂的形状，这一状况加剧了排气歧管结构的应力集中，大大降低了其疲劳耐久能力，造成开裂现象的发生。

笔者在某国内排气歧管生产企业社会实践期间，该企业某车型排气歧管在使用过程中，多次被发现有开裂现象出现，同时伴有漏气发生，且多个车辆排气歧管发生开裂的部位均位于图1.1所示的同一区域，影响了车辆的正常运行。

为了寻找上述开裂发生的原因，排气歧管生产企业技术人员首先对排气歧管开裂部位进行了理化检测，结果显示其化学成分、硬度及显微组织未发生明显变化，均符合技术指标要求，证明材料因素不是引起该排气歧管开裂的主要原因。进一步观察该排气歧管结构，可见其采用半壳型设计形式，结构十分紧凑，上下半壳通过焊缝连接，焊缝较长，开裂区域处于类悬臂结构的根部，易出现应力集中现象，结构设计不甚合理，存在一定的缺陷。以下重点从结构设计角度对上述排气歧管开裂问题进行了研究。

1排气歧管开裂失效的结构设计因素

一般情况下，排气歧管的开裂失效由多种因素如热负荷、机械负荷、材料性能变化等互相影响、耦合导致。结构设计因素一直以来都是造成排气歧管开裂失效的最重要的原因。优异的排气歧管结构设计不仅可以提升排气歧管工作效率，避免开裂失效等的发生，并且反过来会影响材料的性能表现，因为良好的结构可以有效降低材料表面温度和平滑度，从而改善材料性能。

作为一个多自由度的振动系统，排气歧管要承受车辆在行驶过程中路面通过悬架输入的激励以及传动系统冲击、扭振等振动载荷的作用，特别是当车辆处于各种特殊工况下，例如起步、制动或者路面遇到冲击时，发动机及车架会向排气歧管传递更多的冲击，从而产生很大的振动