塑料進氣歧管設(shè)計與工藝考慮

1、塑料進氣歧管設(shè)計與工藝考慮 摘要：塑料進氣歧管以其較輕的重量、較低的材料和制造成本等材料優(yōu)勢，及其內(nèi)壁光滑、空氣阻力小、聲學優(yōu)勢明顯的特性被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機上替代鋁制氣管，而且在發(fā)動機性能提升和改善發(fā)動機排放方面也有很好的幫助。本文將提供一些設(shè)計的原則供在設(shè)計時參考，所講述的經(jīng)驗是通過以往的設(shè)計經(jīng)驗和實際的生產(chǎn)總結(jié)得到。如果設(shè)計時能參考這些關(guān)鍵的設(shè)計原則，將幫助我們在設(shè)計上少走一些不必要的彎路。 關(guān)鍵詞：進氣歧管；設(shè)計；工藝 隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，塑料進氣歧管也在逐步的向高性能、低成本、輕量化、高可靠性和高集成性發(fā)展。我們在設(shè)計進氣歧管過程中，不但要把握設(shè)計的要點，而且在前期應(yīng)該充分的考慮制造工

2、藝。制造工藝設(shè)計的合理性不僅影響進氣歧管的性能、發(fā)動機的排放，而且對進氣歧管的制造成本和后續(xù)質(zhì)量控制也尤為重要。本文將從歧管結(jié)構(gòu)及要點引入探討歧管在設(shè)計中如何考慮工藝來優(yōu)化設(shè)計。 1進氣歧管的功能和主要組件 1.1進氣歧管的功能。進氣歧管作為發(fā)動機的主要部件，其功能在于將從節(jié)氣門閥體引入的干凈空氣，以最小的流量損失盡可能均勻的分配到發(fā)動機的各個引擎進氣門，在此過程中，所有工況下的空氣可以被監(jiān)測（包括質(zhì)量，溫度和壓力）。之所以稱為歧管，是因為空氣進入節(jié)氣門后，經(jīng)過歧管緩沖暫存后，空氣通過氣道在此分流。進氣歧管除了此主要功能外還有輔助集成的功能：進氣歧管由于節(jié)氣門閥體的開度變化而產(chǎn)生不同的真空度，

3、壓力傳感器根據(jù)不同的真空度將信號傳送給ECU判定發(fā)動機的負荷，而給予適量的噴油；支持多樣的安裝部件的支持；為活性碳過濾器、廢氣再循環(huán)（EGR）、曲軸箱通風等系統(tǒng)提供氣體和蒸汽的接入點；歧管真空不僅可用來供給判定發(fā)動機負荷的壓力訊號，還可以輔助提供剎車系統(tǒng)需要的真空，所以當引擎發(fā)動后剎車踏板會輕盈許多。1.2進氣歧管的主要組成。進氣歧管組件主要由進氣段、穩(wěn)壓腔、氣道和安裝法蘭組成，通過合理的布局和連接，將以上組件融合形成一個塑料殼體，該殼體可以通過分片并設(shè)計需要焊接筋的法蘭來焊接組合制造出來，也可以通過熔芯法而不需要設(shè)計其它輔助結(jié)構(gòu)來形成。由于現(xiàn)階段的塑料進氣歧管大多采用分片振動摩擦焊接的方式來

4、制造，所以接下來將對分片后通過振動焊接生產(chǎn)歧管的工藝設(shè)計和注意要點進行討論。一個完整的進氣歧管組件，除了通過塑料殼體來分配干凈空氣外還需要其它設(shè)計來輔助完成其它功能性，其中的包括安裝輔助零件（冷插襯套、熱插螺母和螺釘?shù)龋?、密封輔助零件（對應(yīng)位置需要的密封圈）、輔助其它系統(tǒng)的接通通道（真空助力管接頭、活性炭過濾器接頭、曲軸箱通風接頭、油軌噴射口和EGR接入口等）和其它輔助安裝臺階（支架安裝凸臺、油軌安裝凸臺、傳感器安裝凸臺和線束卡夾安裝凸臺等）。 2設(shè)計原則 2.1壁厚。在塑料進氣歧管的設(shè)計過程中，常常反復的工作是出現(xiàn)在產(chǎn)品簡潔優(yōu)化方面，而影響這一設(shè)計的重點在于壁厚設(shè)計。以下為壁厚對歧管的影響：

5、歧管的重量；在模具中的流動長度；總成件生產(chǎn)周期；安裝位置的公差；氣道的表面質(zhì)量；穩(wěn)壓腔、氣道的成型和變形；歧管的剛性。最理想的壁厚分布無疑是切面各部厚度一致，但為滿足功能上的需求壁厚有所改變是無可避免的。增加壁厚可以很大程度上提升產(chǎn)品薄弱點的機械性能，但這樣會使得產(chǎn)品的設(shè)計壁厚不均勻。變化的壁厚會導致不同程度的收縮，可能導致巨大的變形并影響產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性，厚膠位所需冷卻周期也相對較長，在注塑過程中需要增加產(chǎn)品模內(nèi)的冷卻時間來保證產(chǎn)品的形狀、尺寸和避免產(chǎn)品爛膠。所以需要在厚壁不均勻的地方挖成空心，并在挖去料位的區(qū)域填補等效的加強筋達到相同壁厚的效果，以實現(xiàn)均勻的壁厚。在設(shè)計歧管壁厚時，一般先將

6、進氣歧管的壁厚設(shè)計成客戶允許的最薄厚度，然后通過逐步設(shè)計來優(yōu)化歧管的剛度，并運用CAE來仿真更改后的效果，根據(jù)仿真結(jié)果進行逐步的完善。2.2脫模斜度。產(chǎn)品脫模斜度的大小，與材料的收縮率、塑件壁厚、表面皮紋、幾何形狀等因素有關(guān)。具體的脫模斜度設(shè)計要點如下：產(chǎn)品局部尺寸精度要求越高，脫模斜度設(shè)計應(yīng)該越?。划a(chǎn)品上形狀復雜不宜脫模的位置，應(yīng)該在對應(yīng)的位置設(shè)計較大的脫模斜度；產(chǎn)品選用的材料收縮率較大時，產(chǎn)品的整體脫模的斜度也應(yīng)該適當加大；產(chǎn)品存在局部壁厚較大時，應(yīng)該在膠位較厚的地方放大其脫模斜度，避免產(chǎn)品脫模時將未完全冷卻的厚膠位拉爛；如果產(chǎn)品的設(shè)計導致脫模距離較大時，應(yīng)對相應(yīng)的脫模位置采用較小的脫模斜

7、度設(shè)計；如果產(chǎn)品外觀有皮紋要求時，脫模斜度應(yīng)該根據(jù)皮紋樣式的深度和復雜程度進行對應(yīng)的放大來幫助產(chǎn)品脫模，防止產(chǎn)品皮紋的拉傷。2.3加強筋。為在增加產(chǎn)品剛性需要時，可以參照以下順序和方法對產(chǎn)品進行優(yōu)化：優(yōu)先將產(chǎn)品的受力面設(shè)計成有一定的弧度來增強受力；在產(chǎn)品外部設(shè)計加強筋進行加強，設(shè)計時需要檢查添加的加強筋是否滿足客戶的邊界要求，避免超出邊界；對產(chǎn)品薄弱點進行局部增加厚度，并在內(nèi)部取芯后布置等效的加強筋來改善產(chǎn)品設(shè)計的工藝性；增加材料強度（選用剛性較好的材料）。在一個設(shè)計中，如果產(chǎn)品的剛性不夠，首先應(yīng)該考慮將受力表面設(shè)計成曲面來進行改善；優(yōu)化后的歧管如果還不能滿足剛性要求時，應(yīng)該引入加強筋來幫助增

8、加剛度；通過增加局部壁厚來進一步增加產(chǎn)品的局部剛性；最后還可以通過更改材料來增加產(chǎn)品的剛度。產(chǎn)品剛性的增加和加強筋的數(shù)量呈正比。最佳的加強筋設(shè)計不但可以提高產(chǎn)品的剛性，而且對生產(chǎn)穩(wěn)定性、產(chǎn)品的變形、產(chǎn)品外觀等都有很好的幫助。局部增加產(chǎn)品需要對加厚的壁厚做妥善的過渡處理，并盡量取芯，所以局部增加產(chǎn)品的壁厚在歧管設(shè)計上多用于非氣體流動接觸面。更改產(chǎn)品材料對產(chǎn)品的成本影響比較大，必須謹慎。2.4成本效益設(shè)計。進氣歧管的成本與設(shè)計者有很大的關(guān)系，這是因為設(shè)計者做出的所有決定都將影響進氣歧管模具的成本、組裝的成本、產(chǎn)品的重量、質(zhì)量控制的難以程度等。2.4.1材料特性對成本的影響。許多成本節(jié)約可以通過合理

9、利用材料的某些特性來實現(xiàn)：運用塑膠的易成型特性，可以在歧管本體上進行多功能集成設(shè)計，這樣可以有利于減少部件的多樣性，如為線束、油管等部件設(shè)計安裝和固定結(jié)構(gòu)；運用塑膠的易焊接性，通過廉價的組裝技術(shù)替代復雜的模具結(jié)構(gòu)，降低模具的制造難度和制造成本，如卡扣鏈接、焊接接頭、鉚接等；利用某些特殊塑膠材料的自潤性來替代需要額外的或后續(xù)的潤滑的機構(gòu)，如設(shè)計特殊材料的軸承來支撐轉(zhuǎn)動軸；通過適當?shù)谋砻嫣幚韥砀纳撇牧系哪突瘜W腐蝕性、絕緣性和隔熱性，如采用普通金屬件成型并電鍍耐腐蝕層來替代昂貴材料。2.4.2產(chǎn)品設(shè)計對過程成本的影響。運用合理的方法優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，可以更大可能的實現(xiàn)過程成本上的降低和更廉價的質(zhì)量控制成

10、本。壁厚：優(yōu)化壁厚的分布不僅可以降低材料成本，而且可以縮短生產(chǎn)周期；模具：合理設(shè)計模具的模穴數(shù)，可以有效的減少模具的數(shù)量和模具加工工作量；公差：過高的公差要求會增加產(chǎn)品的報廢率和質(zhì)量控制的成本，公差定義時可參照GBT14486進行標注；材料：通過選擇快速凝固的材料來減少產(chǎn)品的冷卻周期。 3基本體的設(shè)計 在塑料進氣歧管的設(shè)計工作開始前，要做好充分的準備才可以開始真正的進行設(shè)計工作，這樣可以盡量減少后期設(shè)計的更改量。在設(shè)計工作開始前，需要客戶提供并確認以下要求：允許進氣歧管設(shè)計的空間區(qū)域需要明確；客戶需要提供周邊部件的邊界數(shù)據(jù)并提供允許的最小安全距離；明確進氣歧管穩(wěn)壓腔的設(shè)計體積及允許的公差；明確

11、進氣歧管氣道的理論設(shè)計長度；明確氣道的橫截面積要求。3.1氣道設(shè)計。進氣歧管的氣道橫截面通常會被指定直徑，由于圓形管通常不能適用于實際的設(shè)計空間，而且對于模具的脫模設(shè)計也有很大的局限性，所以客戶提供的直徑需要轉(zhuǎn)換成等價的直徑。通常用水力直徑公式來進行轉(zhuǎn)換：D水力=4橫截面面積截面周長在設(shè)計過程中首先設(shè)計出氣道的中心線來檢查氣道的長度是否符合客戶提出的理論要求。然后依據(jù)中心線設(shè)計氣道的截面（最好采用側(cè)視圖和頂視圖截面相交的方式設(shè)計，這樣便于出模設(shè)計）。設(shè)計過程中要檢查氣道是否符合客戶的空間要求、氣道和氣道之間的空間是否足夠布置焊接筋、是否影響氣管的安裝空間等。調(diào)整的過程是非常耗時的，因為需要不停

12、的檢查邊界和調(diào)整氣道參數(shù)，還要考慮模具的脫模等對氣管的影響。3.2壓力損失。首先，由于空氣流動方向的改變就會產(chǎn)生壓力損失。在進氣歧管中，由于進氣歧管對空氣的定向和導流的變化，使得空氣的壓力損失不可避免的在流經(jīng)整個進氣歧管的過程中產(chǎn)生，所以設(shè)計時需要在確保設(shè)計可行性的基礎(chǔ)上盡可能增大氣道的轉(zhuǎn)彎半徑。其次，在空氣流經(jīng)截面中的過度是影響進氣歧管壓力損失的另外一個重要因素，所以從節(jié)氣門閥體入口到穩(wěn)壓腔的過渡區(qū)和由穩(wěn)壓腔流入到其它氣道的過渡區(qū)的這些區(qū)域必須盡可能的設(shè)計為平滑過渡。合理的運用這一壓力損失變化特性，可以調(diào)節(jié)各個氣道的進氣均勻性。第三，空氣流經(jīng)的區(qū)域如果存在尖銳邊緣，在空氣高速流經(jīng)尖銳邊時便會

13、產(chǎn)生嘯叫。所以設(shè)計時必須保證在氣體流動的區(qū)域內(nèi)沒有尖銳的邊緣，這在進氣歧管的進氣口和出氣口特別重要。該設(shè)計必須保證不會由于在任何方向上的安裝公差使進氣歧管和安裝部件產(chǎn)生尖銳的邊。3.3進氣口位置進氣口的位置對于所有的進氣歧管來說，沒有一個絕對的用于所有設(shè)計都合理的位置建議。普遍認為橫向的中間位置是有利于氣流均衡性和壓力損失的一種設(shè)計位置，然而進氣的位置往往總是由于安裝位置空間和熱力學的考慮，無法布置到最為理想的中間位置。所以這時就需要通過調(diào)整出一個合理布局的位置，再將各個氣道的氣流均衡性通過CAE的計算來調(diào)整到最佳。 4結(jié)論 進氣歧管根據(jù)發(fā)動機和整車布置的不同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也會有很大的差異，但其功能性不會變化。如何根據(jù)變化的布局來完成其要求的功能性，并在工藝可行性和質(zhì)量控制方面設(shè)計到最優(yōu)，這往往需要一定的設(shè)計經(jīng)驗和一些生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制方面的知識。文中所總結(jié)的設(shè)計原則可以用于一般的設(shè)計參考，而設(shè)計時需要根據(jù)具體的情況來靈活運用，才可能達到更好的效果。 參考文獻： 1GB-T14486-1993，工程塑料件尺寸公差S. 2郝兵.塑料進氣歧管設(shè)計開發(fā)