塑料進氣歧管開發(fā)介紹

1、/63汽車工程研究院 .研發(fā)設計分析能力介紹（塑料進氣歧管篇）Sunshine_ye/63汽車工程研究院 .page1/63汽車工程研究院 .page1進氣歧管是汽油機進氣系統(tǒng)的主體部件，進氣系統(tǒng)決定著發(fā)動機的進氣效率和各缸充氣均勻性，對發(fā)動機性能有非常大的影響意義；進氣歧管是固定在發(fā)動機的氣缸蓋上，是形狀復雜的中空制品，承受氣缸蓋燃燒室燃料燃燒傳遞的熱和振動；自從燃料電噴技術(shù)在發(fā)動機上應用以來，進氣歧管的作用顯得更加重要了；進氣歧管內(nèi)的進氣流動性能對發(fā)動機的動力性、環(huán)保性和經(jīng)濟性有很大的作用；同時有超過半數(shù)的電噴系統(tǒng)傳感器都安裝在進氣歧管上。 如：支架、真空助力、pcv閥、傳感器、碳罐、節(jié)氣

2、門、油軌節(jié)溫體、剎車助力、線束支架、曲軸箱通風管等。 塑料進氣歧管具有以下優(yōu)勢： 一、輕量化： 目前國內(nèi)、外轎車汽油機90%都采用塑料進氣歧管，塑料進氣歧管的重量只是鋁制進氣歧管的40%，減輕了發(fā)動機整體重量；重量的減輕就意味著能節(jié)省燃油和整車機動性能的提高。/63汽車工程研究院 .page1 二、性能提高： 傳統(tǒng)的進氣歧管是鑄件，鋁合金材料制成，由于進氣歧管結(jié)構(gòu) 復雜，一般都采用金屬模砂型鑄造，其表面粗糙、充氣阻力大 、質(zhì) 量大，由于鋁制進氣歧管是由翻沙制成，管道內(nèi)壁有大量小的凸凹 面，而這些凸凹面會使流進發(fā)動機的空氣產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，引起進氣 不暢；塑料進氣歧管由于是注塑成型，內(nèi)壁十分光滑，對

3、提高進氣 充量很有幫助，由于塑料進氣歧管的導熱性低于鋁進氣歧管，使氣 體受熱膨脹率降低，提高了氣體的密度，使氣體進入燃燒室的溫度 降低，這不僅改善了熱起動性，還可以提高發(fā)動機的效率和扭矩。 三、成本降低： 塑料材質(zhì)的產(chǎn)品其成本低于鋁質(zhì)產(chǎn)品，生產(chǎn)方式采用注塑成 型、振動摩 擦焊接的工藝，具有成型工序少、提高生產(chǎn)效率、 節(jié)省加工時間、降低裝配時間的特點；塑料進氣歧管生產(chǎn)效率和 產(chǎn)品合格率會比鋁制進氣歧管提高，塑料進氣歧管與鋁制進氣 歧管相比，在大批量生產(chǎn)的前提下成本上也具有優(yōu)勢。 /63汽車工程研究院 .page1 四、降低噪聲： 這是因為尼龍（PA）本身具有減振消聲和耐磨性;尼 龍*玻璃纖維（P

4、A6+GF）材料有較好的綜合性能，使強度、 制品精度、尺寸穩(wěn)定性等有很大地提高. 五、設計自由度大： 產(chǎn)品復雜，采用分片設計制造的塑料進氣歧管。 六、環(huán)保： 塑料進氣歧管的內(nèi)壁光滑、進氣流暢，可以使得燃料得以充分燃燒，廢氣的產(chǎn)生可以下降，減少有害廢氣排放；同時由于生產(chǎn)工藝不同，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中減少對環(huán)境的污染;另外:塑料廢舊部件能回收再利用。/63汽車工程研究院 .page1 研發(fā)、制造技術(shù)難題： 塑料進氣歧管開發(fā)是一個涉及內(nèi)燃機、流體力學、固體力學、高分子材料、模具、塑料焊接及仿真分析等多學科相關(guān)的交叉項目，技術(shù)要求高，開發(fā)難度較大。氣道管型設計、CAE分析、歧管結(jié)構(gòu)設計、生產(chǎn)工藝匹配等技術(shù)

5、上很大的課題。為了達到減輕質(zhì)量降低油耗、提高發(fā)動機性能和降低排放等要求，歐洲的汽車商率先采用尼龍制造進氣歧管，隨后美國、日本、韓國相繼開發(fā)塑料進氣歧管；塑料進氣歧管在設計和制造上要求非常高，性能要求非?？量?，目前只有少數(shù)幾個國家掌握該項技術(shù)。進氣歧管作為發(fā)動機當中最關(guān)鍵部件，加上國外的技術(shù)封鎖，其設計、制造技術(shù)難度很大。/63汽車工程研究院 .CFD計算很重要歧管的設計流程圖，關(guān)鍵是CFD計算，合理的穩(wěn)壓腔、管長、管徑來滿足主機廠要求的功率、扭矩、油耗目標值；/63汽車工程研究院 .通過CFD計算，以及經(jīng)驗值得到以上相關(guān)的數(shù)據(jù)，結(jié)合實際機艙進行合理布置。進氣歧管設計參數(shù)/63汽車工程研究院 .

6、主機廠提供相應的邊界，技術(shù)參數(shù)，設計工程師進行歧管布置設計；主機廠提供相應的邊界，技術(shù)參數(shù)，設計工程師進行歧管布置設計；1.歧管的內(nèi)壁、壁厚、安裝法蘭、油軌孔、支架孔、管接頭等設計；歧管的內(nèi)壁、壁厚、安裝法蘭、油軌孔、支架孔、管接頭等設計；2.相關(guān)配合的部件如：密封圈、支架、真空助力管、相關(guān)配合的部件如：密封圈、支架、真空助力管、pcv閥、傳感器、碳閥、傳感器、碳罐閥、節(jié)氣門閥體、油軌，線束支架等；罐閥、節(jié)氣門閥體、油軌，線束支架等；/63汽車工程研究院 .考慮到塑料進氣歧管分片注塑成型，一般分成考慮到塑料進氣歧管分片注塑成型，一般分成2、3、4片注塑，焊接組成片注塑，焊接組成；1.分片注塑，

7、充分考慮模具出模，注塑工藝等；分片注塑，充分考慮模具出模，注塑工藝等；2.焊接筋設計，確定合適壓力角、焊接深度、筋的配合等，從而保證產(chǎn)品焊接筋設計，確定合適壓力角、焊接深度、筋的配合等，從而保證產(chǎn)品的強度。的強度。3.歧管的相應部件設計：密封圈、襯套、銅螺母、支架、螺栓等。歧管的相應部件設計：密封圈、襯套、銅螺母、支架、螺栓等。/63汽車工程研究院 .進氣歧管開發(fā)流程進氣歧管開發(fā)流程 /63汽車工程研究院 .塑料進氣歧管原型設計塑料進氣歧管原型設計v根據(jù)發(fā)動機的動力性要求計算進氣歧管的穩(wěn)壓根據(jù)發(fā)動機的動力性要求計算進氣歧管的穩(wěn)壓腔容積、各歧管截面、長度、曲率等腔容積、各歧管截面、長度、曲率等塑

8、料進氣歧管三維結(jié)構(gòu)設計塑料進氣歧管三維結(jié)構(gòu)設計根據(jù)發(fā)動機進氣歧管結(jié)構(gòu)空間和傳感器、執(zhí)行器、根據(jù)發(fā)動機進氣歧管結(jié)構(gòu)空間和傳感器、執(zhí)行器、節(jié)氣門及各配合面邊界條件設計塑料進氣歧管三維節(jié)氣門及各配合面邊界條件設計塑料進氣歧管三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)/63汽車工程研究院 ./63汽車工程研究院 .一維流動計算一維流動計算 v 利用利用AVL-BOOSTAVL-BOOST一維發(fā)動機整一維發(fā)動機整體性能模擬軟體性能模擬軟件對所設計的件對所設計的發(fā)動機進氣歧發(fā)動機進氣歧管進行模擬，管進行模擬，并在此基礎上并在此基礎上對對3D3D模型進行模型進行優(yōu)化，修改優(yōu)化，修改/63汽車工程研究院 .圖圖5.AVL-BOOST模擬結(jié)

9、果（模擬結(jié)果（n=3000rpm,節(jié)氣門全開）節(jié)氣門全開） /63汽車工程研究院 .三維流動計算三維流動計算 v 利用利用AVL-FIREAVL-FIRE或或STAR-CDSTAR-CD三維流三維流體動力學軟件對體動力學軟件對進氣歧管的內(nèi)部進氣歧管的內(nèi)部流場分布進行模流場分布進行模擬，以分析其壓擬，以分析其壓力場、速度場及力場、速度場及阻力損失等，從阻力損失等，從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計缺陷并指導三維缺陷并指導三維結(jié)構(gòu)的設計、優(yōu)結(jié)構(gòu)的設計、優(yōu)化、修改工作化、修改工作 /63汽車工程研究院 .邊界條件：邊界條件：（1 1）氣道進口邊界條件為壓力邊界條件類型，指）氣道進口邊界條件為壓力邊界條件

10、類型，指 定進口的壓力為定進口的壓力為1 1個大氣壓。個大氣壓。（2 2）4 4個排氣口的邊界條件按給定的流出速度給出，個排氣口的邊界條件按給定的流出速度給出， 速度方向垂直排氣口表面向外。速度方向垂直排氣口表面向外。 Port1Port2Port3Port4Inlet/63汽車工程研究院 ./63汽車工程研究院 ./63汽車工程研究院 ./63汽車工程研究院 .三維結(jié)構(gòu)分析三維結(jié)構(gòu)分析 v 對三維模型施對三維模型施加各種載荷后加各種載荷后，利用，利用ANSYSANSYS有有限元軟件分析限元軟件分析進氣歧管強度進氣歧管強度和變形，并指和變形，并指導改進導改進3D3D模型模型 /63汽車工程研究

11、院 ./63汽車工程研究院 .制作快速成型（制作快速成型（FDMFDM）樣件驗證）樣件驗證 v 根據(jù)修改后的根據(jù)修改后的3D 3D 模型模型, ,用用FDMFDM制作進氣歧管樣制作進氣歧管樣件，裝在樣機上確定空件，裝在樣機上確定空間安裝布置是否合理，間安裝布置是否合理，而后安裝在發(fā)動機缸蓋而后安裝在發(fā)動機缸蓋及發(fā)動機上進行氣道試及發(fā)動機上進行氣道試驗及性能試驗，在震動驗及性能試驗，在震動試驗臺上進行應力應變試驗臺上進行應力應變試驗。由試驗。由FDMFDM樣件測試樣件測試結(jié)果確定設計方案的正結(jié)果確定設計方案的正確性及工藝合理性確性及工藝合理性/63汽車工程研究院 .v 快速成型技術(shù)（快速成型技術(shù)

12、（RapidRapid PrototypingPrototyping TechnologyTechnology）是集成機械、電子、計算機、光學、新材料的）是集成機械、電子、計算機、光學、新材料的一種新型先進制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工一種新型先進制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)相比，它是通過逐層增加材料來制造零件的技術(shù)相比，它是通過逐層增加材料來制造零件的。根據(jù)成型工藝的不同，可分為光固化快速成型。根據(jù)成型工藝的不同，可分為光固化快速成型（SLASLA），熔融沉積成型（），熔融沉積成型（FDMFDM），三維立體印刷），三維立體印刷（3DP3DP），選擇性激光燒結(jié)（），選擇性激光燒結(jié)（SLS

13、SLS），分層實體制），分層實體制造（造（LOMLOM）等。其制造原理都是采用分層累積成型）等。其制造原理都是采用分層累積成型的制造方式，其中每一層的加工都是根據(jù)三維的制造方式，其中每一層的加工都是根據(jù)三維CADCAD模型切片后得到的截面輪廓數(shù)據(jù)形成加工軌跡，模型切片后得到的截面輪廓數(shù)據(jù)形成加工軌跡，而快速成型系統(tǒng)加工時一般把而快速成型系統(tǒng)加工時一般把STLSTL文件作為輸入接文件作為輸入接口，口，STLSTL文件是用許多空間的小三角面片對文件是用許多空間的小三角面片對CADCAD模模型的逼近，其切片之后截面輪廓為一系列順序連型的逼近，其切片之后截面輪廓為一系列順序連接的線段所組成的封閉的多邊

14、形，數(shù)據(jù)量很大，接的線段所組成的封閉的多邊形，數(shù)據(jù)量很大，同時又要求快速、準確、自動進行。同時又要求快速、準確、自動進行。 /63汽車工程研究院 .選區(qū)燒結(jié)法選區(qū)燒結(jié)法(SLS):(SLS):材質(zhì)有石蠟、塑材質(zhì)有石蠟、塑料、尼龍、陶瓷、包覆金屬和裸金屬料、尼龍、陶瓷、包覆金屬和裸金屬等，均為粉末狀態(tài)。用等，均為粉末狀態(tài)。用5050100W100W的的CO2CO2激光器作燒結(jié)工具，激光束作二維激光器作燒結(jié)工具，激光束作二維選區(qū)掃描，使粉末選區(qū)掃描，使粉末“燒結(jié)燒結(jié)”成型。機成型。機床須具備送粉、鋪粉、刮平及預熱等床須具備送粉、鋪粉、刮平及預熱等功能。這種方法價格便宜，精度較高功能。這種方法價格便

15、宜，精度較高( (0.1mm)0.1mm)，可直接代替木模制砂型。，可直接代替木模制砂型。 /63汽車工程研究院 .注注塑塑模模具具設設計計制制作作 vFDMFDM樣件試驗合格后，根據(jù)樣件試驗合格后，根據(jù)3D3D數(shù)模開塑料模數(shù)模開塑料模，試制塑料進氣歧管各分片，用粘接方法制，試制塑料進氣歧管各分片，用粘接方法制作塑料進氣歧管樣品；進行氣道流動試驗、作塑料進氣歧管樣品；進行氣道流動試驗、發(fā)動機性能試驗、強化試驗及檢驗試驗等發(fā)動機性能試驗、強化試驗及檢驗試驗等摩擦焊夾具制造調(diào)試摩擦焊夾具制造調(diào)試v設計制造摩擦焊夾具，并安裝調(diào)試設計制造摩擦焊夾具，并安裝調(diào)試 /63汽車工程研究院 .注注塑塑機機 H

16、T2500注塑成型機注塑成型機/63汽車工程研究院 .注塑成型過程仿真注塑成型過程仿真 采用采用CAECAE技術(shù)，可以完技術(shù)，可以完全代替試模，可以在模具全代替試模，可以在模具加工前，在計算機上對整加工前，在計算機上對整個注塑成型過程進行模擬個注塑成型過程進行模擬分析，準確預測熔體的填分析，準確預測熔體的填充、保壓、冷卻情況，以充、保壓、冷卻情況，以及制品中的應力分布、分及制品中的應力分布、分子和纖維取向分布、制品子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況的收縮和翹曲變形等情況，有效地防止問題發(fā)生，有效地防止問題發(fā)生，大大縮短了開發(fā)周期，降大大縮短了開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。低生產(chǎn)成本。 /6

17、3汽車工程研究院 .圖圖1.軌道式摩擦焊機軌道式摩擦焊機 圖圖2.熱板式焊機熱板式焊機 圖圖3.線性振線性振動摩擦焊機動摩擦焊機/63汽車工程研究院 .超聲波焊接原理：超聲波焊接原理：/63汽車工程研究院 .振動焊接原理：振動焊接原理：/63汽車工程研究院 .圖圖1.1.超聲波焊機超聲波焊機圖圖2.2.軌道式振動摩擦焊機軌道式振動摩擦焊機圖圖3.3.線性振動摩擦焊機線性振動摩擦焊機/63汽車工程研究院 ./63汽車工程研究院 .塑塑料料進進氣氣歧歧管管工工裝裝樣樣品品試試生生產(chǎn)產(chǎn) v生產(chǎn)出來的塑料生產(chǎn)出來的塑料進氣歧管從外觀進氣歧管從外觀上看無缺陷即無上看無缺陷即無雜質(zhì)、裂紋、彎雜質(zhì)、裂紋、彎

18、曲、收縮、焊瘤曲、收縮、焊瘤等，外表平滑，等，外表平滑，厚度均勻，肉眼厚度均勻，肉眼看不見明顯的浮看不見明顯的浮面層面層/63汽車工程研究院 .產(chǎn)產(chǎn)品品測測試試認認證證 v產(chǎn)品強度試驗、產(chǎn)品強度試驗、振動試驗、沖擊振動試驗、沖擊試驗、冷熱沖擊試驗、冷熱沖擊試驗、發(fā)動機臺試驗、發(fā)動機臺架性能試驗、發(fā)架性能試驗、發(fā)動機臺架耐久試動機臺架耐久試驗驗 /63汽車工程研究院 .熱熱震震試試驗驗： 熱震試驗即溫度交變試驗，即使試件在高低溫熱震試驗即溫度交變試驗，即使試件在高低溫下交替循環(huán)下交替循環(huán)5 5次后，自然冷卻至室溫。次后，自然冷卻至室溫。/63汽車工程研究院 .低溫沖擊試驗：低溫沖擊試驗： 將塑料

19、進氣歧管置于將塑料進氣歧管置于-40-40低溫箱低溫箱5h5h后，使一后，使一個質(zhì)量個質(zhì)量500g500g的鋼球從的鋼球從1.2m1.2m的高處落到進氣歧管穩(wěn)壓的高處落到進氣歧管穩(wěn)壓箱頂部中央。檢查進氣歧管是否有裂紋及變形。箱頂部中央。檢查進氣歧管是否有裂紋及變形。 在一定的壓力下，檢查水道及氣道是否有泄漏。在一定的壓力下，檢查水道及氣道是否有泄漏。/63汽車工程研究院 .震動實驗：震動實驗： 將試件放在震動激勵器上，按一定的規(guī)律進行震動試驗。將試件放在震動激勵器上，按一定的規(guī)律進行震動試驗。/63汽車工程研究院 .噪聲測試噪聲測試：/63汽車工程研究院 .整車試驗整車試驗 v整車排放試驗、整

20、整車排放試驗、整車噪聲試驗、整車車噪聲試驗、整車高溫試驗，整車高高溫試驗，整車高原試驗，整車低溫原試驗，整車低溫試驗試驗/63汽車工程研究院 .page1 在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，我們注重分析、設計、實驗相互結(jié)合的研發(fā)手段，在開發(fā)初期我們通過CAE分析軟件，預測產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)強度和工藝性；主要進行以下幾項分析：序號(NO）名稱 ( analysis)圖片(graph)用途(purpose)1一維性能仿真分析 計算進氣歧管的軸線長度、穩(wěn)壓腔體積，得到歧管瞬態(tài)入口壓力和流量，為三維瞬態(tài)CFD分析提高參數(shù)。2CFD分析 優(yōu)化進氣歧管的軸線走向、管截面、穩(wěn)壓腔形狀，判斷并優(yōu)化各管流量均勻性，降低局部位置

21、的壓力損失；同時可分析罩蓋油氣分離效率。/63汽車工程研究院 .page1序號名稱(Analysis)圖片(Graph)用途(Purpose)3模態(tài)分析 分析與發(fā)動機其它部件裝配后不同溫度下的各階模態(tài)自然頻率,結(jié)構(gòu)強度，分析產(chǎn)品的各階模態(tài)，通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)避開發(fā)動機常速共振響應點；以期發(fā)現(xiàn)模態(tài)行為,按照要求修改第一次模態(tài)頻率,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動臨界狀態(tài),確定在臨界區(qū)域的應力,提出優(yōu)化方案；4歧管爆破性能分析 使用焊接強度經(jīng)驗參數(shù)，分析歧管在一定內(nèi)壓下能夠承受的最大爆破壓力值，外殼面及焊縫處峰值應力分布及大小，耐壓水平判斷，通過改善結(jié)構(gòu)剛度，提高耐壓水準；5 焊接斷面分析 分析歧管或罩蓋焊接筋設計的合

22、理性，分析焊接溢料空間是否足夠，是否滿足穩(wěn)定的工藝性。/63汽車工程研究院 .page1序號名稱(Analysis)圖片(Graph)用途(Purpose)6噪音分析 分析歧管自身氣流波動，不同頻率下的表面速度和噪聲輻射類型,噪音功率,聲場分布, 可能產(chǎn)生的噪音以及對外部噪音輻射的響應，為優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提高參考；7密封結(jié)構(gòu)分析 分析罩蓋密封結(jié)構(gòu)設計的合理性，分析密封圈的壓縮強度是否在設定范圍，以及密封圈反作用力對罩蓋的影響,法蘭蠕變、熱應力分析；8模流分析 分析產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)設計的合理性，模流分析/冷卻分析/纖維取向和翹曲分析/澆口設計/流道平衡、提出優(yōu)化方案，改善設計； 通過分析結(jié)果,提出優(yōu)化方

23、案，改善設計、降低注塑產(chǎn)品的變形量，判斷注塑工藝帶是否狹窄；/63汽車工程研究院 .page1 目的：在設計基本結(jié)束，未正式開模之前，需要通過快速成型件來目的：在設計基本結(jié)束，未正式開模之前，需要通過快速成型件來驗證設計，包括外觀、裝配、性能等等；驗證設計，包括外觀、裝配、性能等等； 快速成型件制作：快速成型件制作：1.CNC1.CNC分片加工方式，高溫膠水黏貼，螺栓固定或包裹等等；分片加工方式，高溫膠水黏貼，螺栓固定或包裹等等；2.2.翻硅膠模方式翻硅膠模方式；3.3.激光燒結(jié)方式激光燒結(jié)方式；4.4.激光堆積方式激光堆積方式材料：材料：ABSABS、PA6+GF5%PA6+GF5%。 當快

24、速成型件驗證后，達不到目當快速成型件驗證后，達不到目標值，此時需要返回進行優(yōu)化設計；標值，此時需要返回進行優(yōu)化設計；達到目標值后，正式加工模具；試模達到目標值后，正式加工模具；試模后的產(chǎn)品進行樣件的驗證，以及發(fā)動后的產(chǎn)品進行樣件的驗證，以及發(fā)動機的相關(guān)試驗，以及歧管本身的試驗機的相關(guān)試驗，以及歧管本身的試驗進行開展，通過后進行交樣；進行開展，通過后進行交樣；/63汽車工程研究院 .v產(chǎn)品開發(fā)中期，通過合理的實驗手段，進一步驗證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度、性能參數(shù)，主要進行以下實驗：序號（ NO ） 試驗名稱（Test）1 熱老化試驗 （Thermal aging test ） 2 交變試驗（ High and low temperature alternate test ）