车用催化转化器结构设计的验证过程

!" !" # 热风温度和干燥时间对干燥性能的影响
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间比较的结果来看， 相对而言， 提高干燥时间对干燥速度的提高 影响较小， 而风温对干燥速度有较显著的影响， 所以， 与干燥时 间相比， 提高风温对干燥速度的影响较大。
!" !" ) 振动强度和干燥时间对干燥性能的影响
! $ !" %&’ , !" )! "# ( %" %!+ "’ （ &） / *! 0 , -" #+ "#! ( -" #% "’! , *" -. "# "’ 计算结果可知， 在特定的情况下， 振动强度对干燥 由式 （ *! ） 速度的影响较干燥时间大，但干燥时间的影响是随着干燥时间 的增加干燥速度也增加， 而随着振动强度的增加， 干燥速度却有 所降低， 所以， 在一定的范围内， 降低振强比增加干燥时间更有 利于增加干燥速度。
"$ . 加速结构耐久性发动机台架试验
试验二， 目的是将催化转化器置于一定的温度、 振动频率、 振动加速度历经若干给定工况的循环来考核其耐久性。发动机 应按试验设定的温度和振动频谱运行，配有水力闸式测功器的 发动机台架是主要试验设备。催化转化器的失效模式除衬垫的 热侵蚀和载体的移动外， 还有外壳、 支架、 吊钩及其焊缝的裂缝 和载体破碎。通过在试验中定期地测量载体的位置、 表面温度、 气体流动阻力、 泄漏率、 / 射线探伤以及目视检查可以发现和辨 别这些失效。试验中给定工况的循环次数应基于实际车辆的状 况而定，根据目前使用在催化转化器的各种金属材料和非金属 材料的特性， 只有工作温度在 01#2 以上， 温度因素才对催化转 化器的耐久性能有显著影响，我们可以根据实车测得的温度曲 线来计算催化转化器在大于 01#2 以上的总工作时间作为计算 试验中循环次数的重要参数。由于是台架试验，催化转化器温 度控制在 1##2 左右，振动加速度和频率由特定的发动机随机 产化， 在 "#3 ! .#345-、 6# ! ."##78 之间不等。
"$ 6 加速结构耐久性振动台试验
试验三， 对比试验二， 在本试验中， 连接在发动机排气管上的
图 " 三元催化器典型结构
样品被置放在一个可以控 制振动频率和加速度的电 控试验台上，振动加速度精 确可控如 .63 45-， 并且将 进入催化转化器的排温升 高 "##2 加速其失效，这不 同于试验二中根据发动机 台架的实际运行状况获得 振动频率和振动加速度范"$ Nhomakorabea 热振动试验
试验四， 目的是将催化转化器置于较高的温度、 振动频率、 振动加速度下来考核其耐久性。振动由试验三中的电控试验台 产生， 高温气体由燃气炉产生9 如图 . 所示。对于催化转化器的 结构来讲， 共振是对其最大的潜在损伤， 可以对设计的模型运用 有限元振动或模态分析来确定共振频率并将之设计在试验循环 中， 试验中确定振动参数的计算方法基本和试验三相同， 高温气 体的温度由实际车辆上测量的催化转化器表面各点温度后按一 定的规则转化得来。与上述的两种试验不同的是，本试验将催 化转化器置于其极限工况来考核结构耐久性，如试验的参数取 气体温度 =0#> 恒定， 振动 :?3 45-， 某特定的频宽范围。一般 这种情况下， 不到 "## 个小时样品就产生失效使试验结束。 本试 验在温度和振动频谱已知的情况下对催化转化器的结构分析非 常有用，也可以用于针对某种车辆的设计筛选和方案比较。本 试验的失效模式同试验三。
图 . 催化转化器热振动试验
" 试验概述
"$ " 冷态弯矩试验
试验一，模拟催化转化器由于发动机振动和车辆颠簸产生 的最大弯矩来验证产品的结构强度。将带有进出气法兰的催化 转化器两端固定在试验台上，使催化转化器上承受循环交变的 弯曲力矩，试验反复循环预先设定的曲线来考核样品的抗交变 弯矩的能力。相对于后述的一些试验项目，本试验并不以催化 转化器的真实工作情况来设定试验进程，而是对催化转化器进 行静强度和疲劳强度试验。本试验的失效模式为壳体、进出气 管及法兰的裂缝，通常裂纹会在端锥横截面变化剧烈的圆角处 和法兰连接焊缝处产生。针对不同的催化转化器应用，试验目 标曲线可根据有限元分析结果来分别设计。考虑到实际催化转 化器的结构在冲压、 拉伸、 焊接中各处材料的减薄增厚造成三维 模型与实际产品的差异，本试验通常用米验证有限元分析的结 果，或将试验结果结合今后实车测量数据利失效模式来改进设 计。由于有限元分析可以在各种温度下进行，冷态弯矩试验的 结果对比相应的有限元分析结果，可以为不同温度下的有限元 分析的真实性提供充分的依据。一般来说，目前的计算机分析 手段可以替代本试验，如新加坡 %&’() 公司自主开发的材料拉 伸模拟软件结合 %*%+,- 进行分析的结果就能真实地反映冷 态下催化转化器结构强度的实际情况。
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张 逸等： 车用催化转化器结构设计的验证过程
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催化转化器试验样品的选择有一定的要求，对选择后的样 品进行试验其结果具有普遍的代表性。如试验仅为了验证是否 产生衬垫腐蚀和载体移动的失效模式，可以用接近设计公差的 样品；如试验主要是为了验证是否产生结构损坏和焊缝裂缝等 失效模式的话， 应采用偏离设计公差较远的边界样品9 并且上下 公差的零件都应在样品制造中有意识地组合。样品在试验台架 —上的安装也有一定的要求， 比如连接管的直径、 长度、 法兰厚 度、 大小、 法兰离本体的距离、 焊缝位置、 法兰的连接形式等都会 对试验结果有影响。本试验时间一般在 :##; ! "<##; 之间。
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机械设计与制造 DA:9E@ F 2<@;G<>H;BA
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车用催化转化器结构设计的验证过程
张 逸 凌振国 / 上海 !%%%&# 0
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规也随之不断地更新和完善。近些年来， 催化转化器在汽车尾气 排放控制领域被大量地推广使用， 国家相关部门制定了催化转化 器产品标准， 如国家环境保护总局颁布的 JVWX%%. 一 *&&& 汽油 车排气催化转化器、国家质量技术监督局颁布的 L7 Y 5*-#..— !%%* 汽油车用催化转化器的性能要求和试验方法，都对催化转 化器产品的质量标准作出了强制要求， 但上述标准仅是对国内生 产销售的车型执行统一的形式认证准则， 这里将从产品设计的角 度对催化转化器开发历经的实验验证过程作出论述。
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中图分类号：5J*) 文献标识码：4
随着我国对环境保护的要求不断提高，汽车尾气的排放法 目前氧化铝小球式催化转化器和金属载体催化转化器的 应用领域越来越窄，以膨胀陶瓷衬垫包裹以堇青石为载体的催 化剂或颗粒捕集器封装在铁素体不锈钢壳内的结构形式得到 其典型结构可分为半壳式 / < 0 、 塞入式 了广泛应用， 如图 * 所示， /Z0、 捆绑式 / > 0 等， 并焊接进出气法兰、 进出气管、 支架、 吊钩、 氧 传感器座和进气歧管等其它零件。这些结构形式的催化转化器 必须确保能在产品生命周期内承受一定的高温、 振动、 热冲击、 机械冲击和腐蚀性气体对结构的破坏。基于以上考虑，从设计 和验证的角度出发，制定了如下试验项目做为开发和检验汽油 车和柴油车用催化转化器的准则。
!" !" ’ 气流速度和振动强度对干燥性能的影响
! $ !" %&’ ( *" #. "! , !" )! "# , ’" !! "!! , -" #+ "#! ( ’" ’’ "! "# / *% 0 由式 （ 计算结果可知， 在一定的条件下， 提高气流速度， *% ） 降低振动强度可以提高干燥速度。但是在相同的比率下，如果 同时提高气流速度和振动强度， 却使得干燥速度降低了。所以， 有时降低振动强度比提高气流速度更有利于提高干燥速度。
!" !" + 气流速度和干燥时间对干燥性能的影响
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回归分析及其试验设计 1 2 3 " * 上海师范大学数学系概率统计教研组， 上海： 上海教育出版社， *&.-" !" 重庆大学出版社， ! 何仁斌 " 245647 ) 工程计算及应用 1 2 3 " 重庆： !%%*" *!" 1 2 3 " 北京： 第二版 ） 清华大学出 # 刘丙文 " 89:;<= 7<:9> 程序设计教程 （ 版社， !%%#" &"