李志香 ，劉暢

（1.國家開放大學(xué) 理工教學(xué)部，北京 100039；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

0 引言

近幾年，隨著汽車保有量的快速增長，排放污染問題越來越受到人們的重視，國家出臺的汽車排放法規(guī)也越來越嚴格。為了減少汽車尾氣中有害氣體的排放，需要提高缸內(nèi)燃燒效率。優(yōu)化發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)，將提高進氣效率，從而改善燃燒。在進氣系統(tǒng)中，進氣歧管是重要部件，對發(fā)動機的性能有著直接的影響[1-3]。輕量化設(shè)計是汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。塑料因其可塑性強，容易制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，為進排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。本文根據(jù)生產(chǎn)實際需要，為達到節(jié)能減排的目的，設(shè)計了新型的發(fā)動機進氣歧管結(jié)構(gòu)。由于CFD模擬不能完全代替實際的試驗測量[4-5]，我們對進氣歧管進行了結(jié)構(gòu)和焊接的優(yōu)化設(shè)計，按照流體動力學(xué)試驗、發(fā)動機裝配試驗和發(fā)動機臺架試驗要求，從而確定最終的模型結(jié)構(gòu)。

1 發(fā)動機塑料進氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 發(fā)動機進氣歧管的材料選擇

與傳統(tǒng)的鋁合金進氣歧管比較，復(fù)合塑料進氣歧管有很多優(yōu)點：1）塑料表面光滑，摩擦阻力小。采用塑料制造的進氣歧管，可以提高充氣效率[6]。2）塑料的密度低于金屬，可以降低質(zhì)量。而且與鋁合金相比，塑料制造的進氣歧管厚度還可以減少1.0～1.5 mm。3）塑料可以制造出外型復(fù)雜的進氣歧管，以滿足流體力學(xué)的要求。但是，由于發(fā)動機工作時處于高溫、振動和各種腐蝕的環(huán)境，因此需要所選用的塑料材料具有良好的力學(xué)性能，且滿足耐高溫、抗振和抗腐蝕性要求。例如：需要能夠承受120℃的持續(xù)高溫，最高溫度能夠承受到180℃，依然能保證其尺寸精度。

為了滿足上述要求，本文首選尼龍玻璃纖維增強材料（PA+GF）。這是由于尼龍熔點高、耐高溫性能好，在高溫情況下抗變形能力強，而且耐腐蝕、成本低廉。但尼龍極易吸水，吸水后強度下降很多，為此，需要采用添加化學(xué)劑等的方法來改善其性能。如在PA6基礎(chǔ)上增加30%玻纖材料（即PA6+GF30），可以提高尼龍的抗變能力及抗振強度等。因此采用PA6+GF30制造發(fā)動機進氣歧管，若不包含插件和密封圈，其質(zhì)量可以減至2.6 kg，流量系數(shù)平均值可以達到0.0835。

1.2 進氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計

塑料進氣歧管的三維型腔設(shè)計方案，如文獻[7]所描述，在壓腔上增加了兩條導(dǎo)流筋，如圖1所示。導(dǎo)流筋可以改進各支管的流通性，使各支管流量均勻，不會形成大的漩渦，因此可以減少氣流噪聲。氣流在通過有效截面時，各管進氣的均勻性增強，符合發(fā)動機的性能要求。此外，利用計算流體力學(xué)分析進排氣過程的流場和壓力場，可以得到清晰的圖片信息和數(shù)據(jù)，為下一步的設(shè)計提供參考[8-9]。設(shè)計方案確定后，我們對進氣歧管的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，圖2和圖3是設(shè)計的進氣歧管的全景視圖和爆炸視圖。

圖1 進氣歧管三維型腔設(shè)計圖

圖2 進氣歧管全景視圖

圖3 進氣歧管爆炸視圖

塑料進氣歧管（縮寫為PIM）結(jié)構(gòu)設(shè)計中所需要的明細如表1所示。

表1 設(shè)計的進氣歧管明細

2 焊接設(shè)計

在塑料進氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在不改變氣道結(jié)構(gòu)的前提條件下，歧管的外部結(jié)構(gòu)可以結(jié)合生產(chǎn)和裝配的要求進行設(shè)計。通常的設(shè)計思路是將進氣歧管分片以滿足模具的脫出要求。在分片時需要考慮批量生產(chǎn)的需要，首先需要考慮出模方向，確保產(chǎn)品后期能夠方便地脫模；其次需要確定振動焊接面，在確定焊接方向時，盡量保證焊接方向和出模方向一致。

2.1 分片方案

將進氣歧管分成A、B、C、D四片，分片方案如圖4所示。

圖4 進氣歧管分片方案

2.2 出模方向

進氣歧管出模方向如圖5～圖8所示。

圖5 A片出模方向

圖8 D片出模方向

A片油軌支架處需抽芯機構(gòu)出模；B片與缸蓋接觸法蘭處模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用滑塊和抽芯機構(gòu)實現(xiàn)，側(cè)面需靠滑塊出模；C片上下分模加滑塊結(jié)構(gòu)；D片節(jié)氣門法蘭處滑塊結(jié)構(gòu)出模。

2.3 焊接工藝分析

焊接工藝將影響焊接面的結(jié)構(gòu)。常見的塑料產(chǎn)品焊接工藝有振動摩擦、超聲、高頻和熱板等。發(fā)動機進氣歧管工作過程中壓力較大，有時還會發(fā)生回火，可能會發(fā)生局部爆裂。為了保證焊接端面具有足夠的焊接強度，需要分析焊接端面的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由歧管的結(jié)構(gòu)形式和所選用材料的特性，以及對幾種焊接形式的比較，該歧管采用振動摩擦焊接。振動摩擦焊接的斷面形狀通常有圖9所示的幾種形式。

圖6 B片出模方向

圖7 C片出模方向

圖9 振動摩擦焊接的斷面形狀

按照該進氣歧管的設(shè)計要求，為滿足內(nèi)壁光滑無溢料，采用D型焊接形式，該焊接形式在焊接過程中上片橫斷面比下片橫斷面每側(cè)寬1 mm，此結(jié)構(gòu)焊接要求所有焊接溢料的方向向下，有足夠的溢料空間。因此能夠保證焊接外側(cè)和歧管內(nèi)壁的美觀性和光滑性，并且能夠保證足夠的焊接強度。振動摩擦焊接工藝的順序如圖10所示。先將A片和B片焊接，后將C片放入D片，最終將AB片與CD片焊接。

圖10 振動摩擦焊接工藝

2.4 密封設(shè)計

在進氣歧管的裝配過程中，需要與節(jié)氣門及缸蓋裝配，為保證進氣的流暢性和減少氣體的流竄，需要保證這兩處的密封性能。因此在設(shè)計過程中需要考慮到密封圈的結(jié)構(gòu)及進氣歧管法蘭的處密封槽結(jié)構(gòu)，我們采用T形密封圈結(jié)構(gòu)，密封槽則采用U形結(jié)構(gòu)。

3 CAE分析

進氣歧管的CAE分析主要包括爆破壓力分析、NVH分析、Moldflow分析三方面。CAE分析在生產(chǎn)過程中運用越早，產(chǎn)品修改的自由度也會增大，CAE可以預(yù)測各種產(chǎn)品缺陷，大大減少重復(fù)設(shè)計次數(shù)，減少試驗次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短周期，從而在各個階段減少企業(yè)的生產(chǎn)成本。CAE分析的流程如圖11所示。

由于我們研發(fā)的進氣歧管材料采用目前市場上較為成熟的材料PA6+GF30，在分析時需要考慮材料的性能對產(chǎn)品的影響。對于塑料進氣歧管，材料的耐溫性、密度、熱膨脹系數(shù)及玻纖所能承受的壓力范圍都直接影響進氣歧管的抗爆破壓力。根據(jù)上述特點運用ANSYS分析結(jié)果如表2所示。

表2 進氣歧管材料特性ANSYS分析結(jié)果

進氣歧管設(shè)計時一般需要在部分位置增加一定數(shù)量的加強筋以鞏固相對薄弱的位置，我們的設(shè)計方案中在穩(wěn)壓腔外側(cè)增加2條加強筋，從而增加該處的爆破壓力值。從表2中可以看出，該結(jié)果滿足所需的爆破壓力要求。

現(xiàn)在轎車對噪聲控制要求也比較高。發(fā)動機進、排氣噪聲是由于氣門周期性開閉而產(chǎn)生的壓力波所形成的。由于空氣流經(jīng)氣門時的速度很高，在氣門截面會形成渦流，從而產(chǎn)生高頻噪聲。此外還存在氣門落座噪聲、缸內(nèi)氣流擾動噪聲、進排氣管振動產(chǎn)生的噪聲。為了降低這些噪聲，我們設(shè)計進排氣歧管的一階頻率不低于200 Hz。該進氣歧管的NVH分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 模態(tài)分析結(jié)果

從圖12可以看出，當振動頻率達到各階頻率點時，會產(chǎn)生較大的振動，也會發(fā)生噪聲功率的突變。但由于極值點在不同位置，進排氣歧管的振動不會集中于某處，也就是不會集中促使某處產(chǎn)生變形，從而避免了與發(fā)動機共振的現(xiàn)象，該進排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足實際需要。由于Moldflow分析涉及到生產(chǎn)階段，因此本文未引入Moldflow分析。在后續(xù)的生產(chǎn)中將由工廠內(nèi)的模具設(shè)計工程師進行分析，從而確定模具的結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題。

4 發(fā)動機塑料進氣歧管試驗驗證

采用硅膠模具制作的樣件，其強度、精度及耐溫性能可以基本達到和正式產(chǎn)品相同的功效。而且硅膠模制作模型時間快、花費少，加工失敗概率小。硅膠模樣件的試驗結(jié)果如圖13所示。

從圖13中可以看出，最大功率為183.4 kW(目標值為180 kW)，最大轉(zhuǎn)矩為102.8 N·m(目標值為102 N·m)。從臺架試驗的數(shù)據(jù)中得出該設(shè)計符合最初的研發(fā)目標。

圖13 硅膠模樣件的試驗結(jié)果

5 結(jié)語

本文介紹了塑料進氣歧管的材料、總體結(jié)構(gòu)布置方案、制造工藝選擇和CAE分析?？紤]到成本和性能等綜合因素，進氣歧管采用了PA6+GF30材料，比傳統(tǒng)的鋁制進氣歧管的質(zhì)量減輕很多，從而滿足了整車的輕量化要求。塑料制造的進排氣歧管，由于內(nèi)壁光滑，降低摩擦阻力，因此可以減少進排氣阻力，提高充氣效率，改善燃燒。在加工工藝方面，采用了振動摩擦焊接技術(shù)，該技術(shù)也是目前絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家的主流技術(shù)。進氣歧管分成4片焊接型式，具有易于加工、可降低成本的優(yōu)勢。另外，通過對進氣歧管的爆破壓力、NVH及Moldflow的CAE分析表明，進氣歧管滿足設(shè)計目標要求，提高了發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，使整車的動力性和經(jīng)濟性也有很大的提高。