车用催化转化器结构设计的验证过程

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。
"$ 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
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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能得到较高的干燥速度， 因此， 若同时提高风温和振动强度， 能 耗较高， 却不能明显提高干燥速度。 速度都能够提高干燥速度， 但是相对于提高干燥时间， 提高气流 速度更能够提高干燥速度。
!" !" ’ 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。
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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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机械设计与制造
围。本试验中设定的振动频谱需根据实车路试测量的数据以经验 公式、能量积累和数理统计的规则转化计算。可将传感器贴在发 动机和催化转化器表面测得振动频谱。本试验的主要失效模式和 检查方式基本和试验二相同，但由于本试验的温度和振动加速度 比试验二高，故一般本试验会在试验二一半的时间外壳和衬垫首 先就出现失效而结束试验， 反而载体破碎的几率不高。
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【 摘要】 这里介绍了催化转化器从开发到产品最终定型历经时所有试验验证过程， 侧重论述催化 转化器的结构耐》 久性， 同时对每一个试验的试验目的、 失效模式、 试验数据的搜集、 验证的设计要点 都有明确的说明。 关键词：催化转化器， 设计验证；结构耐久性 【 】 !"#$%&’$ #$%&’()*+( *,%,-.%/* *’$0+&%+& (+0+-’12+$% ,$( 0,-/(,%/’$ %+3% 1-,$4 +215,3/6+( 1,&%/*),&-. ’$ 3%&)*%)&+ ()&,7/-/%. %+3%8 9,*5 %+3%: 3 1)&1’3+4 ;,/-)&+ 2’(+-4 (,%, *’--+*%/’$ 2+%5’( ,-3’ /$()(+( /$ %5/3 ,&%/*-+8 ()* +,%-#. /&$&0*$1’ ’,23)%$)%4 5&01-&$1,2 60&2；7$%8’$8%) -8%&"101$*
"$ . 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。
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， !%%#" &"
!" !" ) 振动强度和干燥时间对干燥性能的影响
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!" !" # 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。
"$ ? 水淬外部热冲击试验
试验五， 水淬试验是衡量汽车在行驶时不断涉水， 装载在底 盘下催化转化器承受周而复始的水急冷的能力。试验中， =##> 高温气体持续通过催化转化器并向其表面定期定量喷水。潜在 的失效模式为由于应力分布不均而产生的外壳裂缝和载体轴向 断裂。在本试验中， 载体横截面 @ 轴向 A 的断裂会经常产生， 但不 会对催化转化器的使用寿命造成致命的影响。根据经验，失效 一般在端锥截面的剧烈过渡处产生， 如端锥圆角处的裂缝， 在衬
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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。
!" !" + 气流速度和干燥时间对干燥性能的影响
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"$ : 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。
由式 （ 计算结果可知， 在一定的条件下， 从风温和干燥时 &）
# 结论
通过实验的数学模型可以看出，干燥是一个复杂的工艺过 程， 不仅热风温度， 气流速度， 振动强度， 干燥时间各个单因素对 干燥性能有显著影响， 而且， 因素之间也有相互作用。其结果对 干燥系统设计和干燥操作都具有一定的指导意义。
参考文献
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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。