塑料进气歧管开发介绍

#/63汽车工程研究院研发设计分析能力介绍（塑料进气歧管篇）Sunshine_ye#/63汽车工程研究院page1#/63汽车工程研究院page1•项目的意义和必要性：进气歧管是汽油机进气系统的主体部件，进气系统决定着发动机的进气效率和各缸充气均匀性，对发动机性能有非常大的影响意义；进气歧管是固定在发动机的气缸盖上，是形状复杂的中空制品，承受气缸盖燃烧室燃料燃烧传递的热和振动；自从燃料电喷技术在发动机上应用以来，进气歧管的作用显得更加重要了；进气歧管内的进气流动性能对发动机的动力性、环保性和经济性有很大的作用；同时有超过半数的电喷系统传感器都安装在进气歧管上。如：支架、真空助力、pcv阀、传感器、碳罐、节气门、油轨节温体、刹车助力、线束支架、曲轴箱通风管等。塑料进气歧管具有以下优势：一、轻量化：目前国内、外轿车汽油机90%都采用塑料进气歧管，塑料进气歧管的重量只是铝制进气歧管的40%，减轻了发动机整体重量；重量的减轻就意味着能节省燃油和整车机动性能的提高。#/63汽车工程研究院page1二、性能提高：传统的进气歧管是铸件，铝合金材料制成，由于进气歧管结构复杂，一般都采用金属模砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大、质量大，由于铝制进气歧管是由翻沙制成，管道内壁有大量小的凸凹面，而这些凸凹面会使流进发动机的空气产生紊流现象，引起进气不畅；塑料进气歧管由于是注塑成型，内壁十分光滑，对提高进气充量很有帮助，由于塑料进气歧管的导热性低于铝进气歧管，使气体受热膨胀率降低，提高了气体的密度，使气体进入燃烧室的温度降低，这不仅改善了热起动性，还可以提高发动机的效率和扭矩。三、成本降低：塑料材质的产品其成本低于铝质产品，生产方式采用注塑成型、振动摩擦焊接的工艺，具有成型工序少、提高生产效率、节省加工时间、降低装配时间的特点；塑料进气歧管生产效率和产品合格率会比铝制进气歧管提高，塑料进气歧管与铝制进气歧管相比，在大批量生产的前提下成本上也具有优势。•项目的意义和必要性：#/63汽车工程研究院page1四、降低噪声：这是因为尼龙（PA）本身具有减振消声和耐磨性;尼龙*玻璃纤维（PA6+GF）材料有较好的综合性能，使强度、制品精度、尺寸稳定性等有很大地提高.五、设计自由度大：产品复杂，采用分片设计制造的塑料进气歧管。六、环保：塑料进气歧管的内壁光滑、进气流畅，可以使得燃料得以充分燃烧，废气的产生可以下降，减少有害废气排放；同时由于生产工艺不同，在产品生产过程中减少对环境的污染;另外:塑料废旧部件能回收再利用。•项目的意义和必要性：#/63汽车工程研究院page1研发、制造技术难题：塑料进气歧管开发是一个涉及内燃机、流体力学、固体力学、高分子材料、模具、塑料焊接及仿真分析等多学科相关的交叉项目，技术要求高，开发难度较大。气道管型设计、CAE分析、歧管结构设计、生产工艺匹配等技术上很大的课题。为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国相继开发塑料进气歧管；塑料进气歧管在设计和制造上要求非常高，性能要求非常苛刻，目前只有少数几个国家掌握该项技术。进气歧管作为发动机当中最关键部件，加上国外的技术封锁，其设计、制造技术难度很大。#/63汽车工程研究院CFD计算很重要歧管的设计流程图，关键是CFD计算，合理的稳压腔、管长、管径来满足主机厂要求的功率、扭矩、油耗目标值；•进气歧管设计基本流程#/63汽车工程研究院通过CFD计算，以及经验值得到以上相关的数据，结合实际机舱进行合理布置。进气歧管设计参数•进气歧管设计参数#/63汽车工程研究院主机厂提供相应的边界，技术参数，设计工程师进行歧管布置设计；1.歧管的内壁、壁厚、安装法兰、油轨孔、支架孔、管接头等设计；2.相关配合的部件如：密封圈、支架、真空助力管、pcv阀、传感器、碳罐阀、节气门阀体、油轨，线束支架等；•进气歧管内壁和结构设计#/63汽车工程研究院考虑到塑料进气歧管分片注塑成型，一般分成2、3、4片注塑，焊接组成；1.分片注塑，充分考虑模具出模，注塑工艺等；2.焊接筋设计，确定合适压力角、焊接深度、筋的配合等，从而保证产品的强度。3.歧管的相应部件设计：密封圈、衬套、铜螺母、支架、螺栓等。•进气歧管分片设计#/63汽车工程研究院进气歧管开发流程#/63汽车工程研究院塑料进气歧管原型设计根据发动机的动力性要求计算进气歧管的稳压腔容积、各歧管截面、长度、曲率等塑料进气歧管三维结构设计•根据发动机进气歧管结构空间和传感器、执行器、节气门及各配合面边界条件设计塑料进气歧管三维结构#/63汽车工程研究院#/63汽车工程研究院一维流动计算利用AVL-BOOST一维发动机整体性能模拟软件对所设计的发动机进气歧管进行模拟，并在此基础上对3D模型进行优化，修改#/63汽车工程研究院图5.AVL-BOOST模拟结果（n=3000rpm,节气门全开）#/63汽车工程研究院三维流动计算利用AVL-FIRE或STAR-CD三维流体动力学软件对进气歧管的内部流场分布进行模拟，以分析其压力场、速度场及阻力损失等，从而发现结构设计缺陷并指导三维结构的设计、优化、修改工作#/63汽车工程研究院边界条件：（1）气道进口边界条件为压力边界条件类型，指定进口的压力为1个大气压。（2）4个排气口的边界条件按给定的流出速度给出，速度方向垂直排气口表面向外。Port1Port2Port3Port4Inlet#/63汽车工程研究院#/63汽车工程研究院#/63汽车工程研究院#/63汽车工程研究院三维结构分析对三维模型施加各种载荷后，利用ANSYS有限元软件分析进气歧管强度和变形，并指导改进3D模型#/63汽车工程研究院#/63汽车工程研究院制作快速成型（FDM）样件验证根据修改后的3D模型,用FDM制作进气歧管样件，装在样机上确定空间安装布置是否合理，而后安装在发动机缸盖及发动机上进行气道试验及性能试验，在震动试验台上进行应力应变试验。由FDM样件测试结果确定设计方案的正确性及工艺合理性#/63汽车工程研究院快速成型技术（RapidPrototypingTechnology）是集成机械、电子、计算机、光学、新材料的一种新型先进制造技术，与传统的去除材料加工技术相比，它是通过逐层增加材料来制造零件的。根据成型工艺的不同，可分为光固化快速成型（SLA），熔融沉积成型（FDM），三维立体印刷（3DP），选择性激光烧结（SLS），分层实体制造（LOM）等。其制造原理都是采用分层累积成型的制造方式，其中每一层的加工都是根据三维CAD模型切片后得到的截面轮廓数据形成加工轨迹，而快速成型系统加工时一般把STL文件作为输入接口，STL文件是用许多空间的小三角面片对CAD模型的逼近，其切片之后截面轮廓为一系列顺序连接的线段所组成的封闭的多边形，数据量很大，同时又要求快速、准确、自动进行。#/63汽车工程研究院●选区烧结法(SLS):材质有石蜡、塑料、尼龙、陶瓷、包覆金属和裸金属等，均为粉末状态。用50～100W的CO2激光器作烧结工具，激光束作二维选区扫描，使粉末“烧结”成型。机床须具备送粉、铺粉、刮平及预热等功能。这种方法价格便宜，精度较高(±0.1mm)，可直接代替木模制砂型。#/63汽车工程研究院FDM样件试验合格后，根据3D数模开塑料模，试制塑料进气歧管各分片，用粘接方法制作塑料进气歧管样品；进行气道流动试验、发动机性能试验、强化试验及检验试验等摩擦焊夹具制造调试设计制造摩擦焊夹具，并安装调试#/63汽车工程研究院注塑机HT2500注塑成型机#/63汽车工程研究院注塑成型过程仿真采用CAE技术，可以完全代替试模，可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。#/63汽车工程研究院图1.轨道式摩擦焊机图2.热板式焊机图3.线性振动摩擦焊机#/63汽车工程研究院超声波焊接原理：#/63汽车工程研究院振动焊接原理：#/63汽车工程研究院图1.超声波焊机图2.轨道式振动摩擦焊机图3.线性振动摩擦焊机#/63汽车工程研究院#/63汽车工程研究院生产出来的塑料进气歧管从外观上看无缺陷即无杂质、裂纹、弯曲、收缩、焊瘤等，外表平滑，厚度均匀，肉眼看不见明显的浮面层#/63汽车工程研究院产品强度试验、振动试验、冲击试验、冷热冲击试验、发动机台架性能试验、发动机台架耐久试验#/63汽车工程研究院热震试验即温度交变试验，即使试件在高低温下交替循环5次后，自然冷却至室温。#/63汽车工程研究院低温冲击试验：将塑料进气歧管置于-40℃低温箱5h后，使一个质量500g的钢球从1.2m的高处落到进气歧管稳压箱顶部中央。检查进气歧管是否有裂纹及变形。气密性检查：在一定的压力下，检查水道及气道是否有泄漏。#/63汽车工程研究院震动实验：将试件放在震动激励器上，按一定的规律进行震动试验。#/63汽车工程研究院噪声测试：#/63汽车工程研究院整车试验整车排放试验、整车噪声试验、整车高温试验，整车高原试验，整车低温试验#/63汽车工程研究院page1•进气歧管设计分析过程在新产品开发过程中，我们注重分析、设计、实验相互结合的研发手段，在开发初期我们通过CAE分析软件，预测产品的性能、结构强度和工艺性；主要进行以下几项分析：序号(NO）名称(analysis)图片(graph)用途(purpose)1一维性能仿真分析计算进气歧管的轴线长度、稳压腔体积，得到歧管瞬态入口压力和流量，为三维瞬态CFD分析提高参数。2CFD分析优化进气歧管的轴线走向、管截面、稳压腔形状，判断并优化各管流量均匀性，降低局部位置的压力损失；同时可分析罩盖油气分离效率。#/63汽车工程研究院page1序号名称(Analysis)图片(Graph)用途(Purpose)3模态分析分析与发动机其它部件装配后不同温度下的各阶模态自然频率,结构强度，分析产品的各阶模态，通过优化产品结构避开发动机常速共振响应点；以期发现模态行为,按照要求修改第一次模态频率,发现结构振动临界状态,确定在临界区域的应力,提出优化方案；4歧管爆破性能分析使用焊接强度经验参数，分析歧管在一定内压下能够承受的最大爆破压力值，外壳面及焊缝处峰值应力分布及大小，耐压水平判断，通过改善结构刚度，提高耐压水准；5焊接断面分析分析歧管或罩盖焊接筋设计的合理性，分析焊接溢料空间是否足够，是否满足稳定的工艺性。•进气歧管设计分析过程#/63汽车工程研究院page1序号名称(Analysis)图片(Graph)用途(Purpose)6噪音分析分析歧管自身气流波动，不同频率下的表面速度和噪声辐射类型,噪音功率,声场分布,可能产生的噪音以及对外部噪音辐射的响应，为优化产品结构提高参考；7密封结构分析分析罩盖密封结构设计的合理性，分析密封圈的压缩强度是否在设定范围，以及密封圈反作用力对罩盖的影响,法兰蠕变、热应力分析；8模流分析分析产品模具结构设计的合理性，模流分析/冷却分析/纤维取向和翘曲分析/浇口设计/流道平衡、提出优化方案，改善设计；通过分析结果,提出优化方案，改善设计、降低注塑产品的变形量，判断注塑工艺带是否狭窄；•进气歧管设计分析过程#/63汽车工程研究院page1•进气歧管快速成型件目的：在设计基本结束，未正式开模之前，需要通过快速成型件来验证设计，包括外观、装配、性能等等；快速成型件制作：1.CNC分片加工方式，高温胶水黏贴，螺栓固定或包裹等等；2.翻硅胶模方式；3.激光烧结方式；4.激光堆积方式材料：ABS、PA6+GF5%。当快速成型件验证后，达不到目标值，此时需要返回进行优化设计；达到目标值后，正式加工模具；试模后的产品