PP-LGF進(jìn)氣歧管的性能研究

李志通， 高夢鸞， 尹晶晶， 李賀， 崔文兵， 魏元生

(1. 長城汽車股份有限公司技術(shù)中心， 河北 保定 071000；2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000)

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PP-LGF進(jìn)氣歧管的性能研究

李志通1,2， 高夢鸞1,2， 尹晶晶1,2， 李賀1,2， 崔文兵1,2， 魏元生1,2

(1. 長城汽車股份有限公司技術(shù)中心， 河北 保定 071000；2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000)

為了研究PP-LGF(PP長玻纖)進(jìn)氣歧管的性能及機(jī)理，首先利用Moldflow仿真手段對比分析了PA-GF(PA短玻纖)與PP-LGF進(jìn)氣歧管中纖維及殘余應(yīng)力分布情況，再按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法利用相應(yīng)的工裝夾具開展氣密爆破、老化耐久、可靠性臺架等性能檢測分析。結(jié)果表明：PP-LGF相比PA-GF殘余應(yīng)力分布較為均勻； PP-LGF進(jìn)氣歧管泄漏量在7.5 mL/min左右，水爆壓力最高達(dá)到了0.740 MPa。上述測試均能夠滿足1.5 L及以下排量自然吸氣發(fā)動機(jī)的使用要求。

PP長玻纖； 進(jìn)氣歧管； 仿真； 氣密性； 老化； 可靠性

進(jìn)氣歧管是發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件之一，決定著發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣效率和各缸進(jìn)氣均勻性，在使用過程中承受著發(fā)動機(jī)傳遞的熱和振動。傳統(tǒng)進(jìn)氣歧管多選用鋁合金、熱塑性復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料以PA-GF為主，相比鋁合金具有質(zhì)量輕、成本低、氣流阻力小、設(shè)計自由度高等特點，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-5]。但是隨著汽車廠面臨的油耗、排放方面的壓力日益增大，輕量化要求更加凸顯。PP-LGF具有強(qiáng)度高、剛性高、沖擊韌性高、耐蠕變性能好等優(yōu)點[6-7]，如果替代PA-GF在1.5 L及以下排量自然吸氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管上使用，能夠減重10%以上。因此，自主創(chuàng)新、全面研究PP長纖進(jìn)氣歧管開發(fā)應(yīng)用成套技術(shù),具有重要的社會意義和廣闊的應(yīng)用前景，有利于增強(qiáng)我國汽車塑料關(guān)鍵零部件自主研發(fā)能力和國際競爭力。

本研究基于國內(nèi)自主開發(fā)的PP-LGF專用料，研制了某款發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管。模擬分析了PP-LGF進(jìn)氣歧管殘余應(yīng)力分布，并通過氣密爆破、老化耐久及可靠性臺架等性能分析，討論PP-LGF代替PA-GF在1.5 L及以下排量自然吸氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管方面應(yīng)用的可行性。

1 試樣的制備與試驗

試驗采用的儀器有進(jìn)氣歧管試漏機(jī)、進(jìn)氣歧管爆破試驗機(jī)、GENESIS APEX2能譜儀、CW260發(fā)動機(jī)可靠性試驗臺、BS-30KA電子稱。

圖1示出了PP-LGF進(jìn)氣歧管從材料到零部件的開發(fā)驗證流程，通過對連續(xù)纖維多次梳理及充分浸漬耦合劑，優(yōu)化了材料的成形性、耐高溫性、長纖維混合均勻性和焊接性能等，改善和提升了零部件的性能。最終使進(jìn)氣歧管單個質(zhì)量從原PA-GF的2 186 g/個減少為現(xiàn)PP-LGF的1 931 g/個，減重達(dá)255 g，約為11.67%。

2 殘余應(yīng)力模擬分析

本研究采用單片結(jié)構(gòu)進(jìn)行Moldflow模擬分析，采用fusion網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用4點均勻進(jìn)澆(見圖2)，澆口為矩形。在數(shù)據(jù)庫中選用PP-LGF性能參數(shù)相近材料進(jìn)行分析：在注塑成型的充模、保壓過程中，塑料熔體在模腔中作非等溫流動形成剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力，由于冷卻過程中溫度的迅速下降熔體不能完全松弛，當(dāng)溫度降到玻璃化溫度以下時，熔體來不及松弛應(yīng)力被“凍結(jié)”在固體中，這部分應(yīng)力稱為流動殘余應(yīng)力。

圖3示出了兩種材料進(jìn)氣歧管的型腔內(nèi)殘余應(yīng)力，可以看出應(yīng)力主要集中在接管柱處，PA-GF和PP-LGF材料最大殘余應(yīng)力第一主方向上分別為67.04 MPa和91.50 MPa，第二主方向上分別為164.4 MPa和229.4 MPa，這是因為在這些位置受到高剪切應(yīng)力作用且快速冷卻無法完全松弛造成的，長玻纖恢復(fù)原形態(tài)產(chǎn)生的應(yīng)力較大。

整體來看PA-GF殘余應(yīng)力主要集中在第一主方向20～50 MPa范圍，第二主方向40～80 MPa范圍，整體殘余應(yīng)力分布不均，單一方向應(yīng)力值范圍跨度較大。而PP-LGF殘余應(yīng)力主要集中在第一主方向25～47 MPa范圍，第二主方向20～40 MPa范圍，整體殘余應(yīng)力分布較為平均，單一方向應(yīng)力值范圍跨度較小。這是因為PA-GF纖維整體取向程度較高，短纖維相互間的作用力小，易受樹脂流動的影響，呈現(xiàn)較高的取向[8]，而PP-LGF整體取向程度較低，纖維分布更為無序，這就導(dǎo)致分子鏈在恢復(fù)過程中受到的阻力不同，長纖維阻力大而均勻，短纖維小而不均。

3 試驗驗證分析

3.1 氣密爆破性能及分析

按照內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)要求，將進(jìn)氣歧管各接頭處封閉，以確保沒有空氣泄漏。在進(jìn)氣歧管內(nèi)部施以0.08 MPa氣壓，充氣保壓30 s，檢查泄漏量是否不大于12.4 mL/min。PP-LGF進(jìn)氣歧管氣密性試驗結(jié)果見圖4。將PP-LGF進(jìn)氣歧管裝配到工裝，放入到進(jìn)氣歧管爆破試驗機(jī)。向進(jìn)氣歧管內(nèi)注入清水，將進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣排凈，再將各管口封閉，向進(jìn)氣歧管內(nèi)壓入0.6～0.8 MPa(非增壓機(jī)型要求)的清水，要求歧管不存在爆破缺陷點(即爆破點不應(yīng)每次均相同)，且爆破壓力大于0.630 MPa。試驗結(jié)果見表1。

樣件編號水爆壓力/MPa爆破位置10.740焊縫處20.688焊縫處30.724穩(wěn)壓箱處

通過試驗結(jié)果可以看出，PP-LGF進(jìn)氣歧管氣密、水爆壓力結(jié)果均能滿足使用要求，且泄漏量在7.5 mL/min左右，最低值為5.07 mL/min；而水爆壓力均超過了0.630 MPa，最高達(dá)到了0.740 MPa，且爆破位置并不是每次均相同，但是也看到爆破位置還是較多地出現(xiàn)在焊縫處。對PP-LGF進(jìn)氣歧管粒料及不同部位取樣，然后分別放入預(yù)熱的馬弗爐(600 ℃，4 h)直到聚合物完全被燃燒，測量最終灰分(玻纖)殘留，結(jié)果見表2。

表2 進(jìn)氣歧管材料及不同部位玻纖殘留量

通過不同位置的玻纖含量可以看出，氣道處與穩(wěn)壓箱部分玻纖含量基本與粒料一致，而焊縫處玻纖含量明顯較高。振動摩擦焊兩片零件結(jié)合部分的材料由于摩擦受熱而熔化，樹脂熔融流動，玻纖不易流動而大量聚集，隨著玻纖含量的增大樹脂間接觸面積減小，結(jié)合面之間的作用力減小，導(dǎo)致焊縫處強(qiáng)度相對較弱。

在PA-GF進(jìn)氣歧管焊縫處、PP-LGF進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓箱及焊縫爆破位置取樣進(jìn)行掃描電鏡(SEM)拍照(見圖5)。觀察圖5b和圖5c發(fā)現(xiàn)，PP-LGF進(jìn)氣歧管試樣玻纖分布較為無序，形成了三維空間交叉結(jié)構(gòu)，長纖維主要呈層狀分布，玻纖與樹脂間粘連較少。這是因為PP分子鏈上不存在極性基團(tuán)和反應(yīng)基團(tuán)，無法與玻纖形成良好的界面結(jié)合，而圖5a中PA-GF進(jìn)氣歧管玻纖上有大量PA樹脂，粘連結(jié)合較好。穩(wěn)壓箱處有明顯纖維撥出及斷裂的痕跡，說明長玻纖在產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)處起到了增強(qiáng)作用；PP-LGF進(jìn)氣歧管實際邊緣纖維整體取向及應(yīng)力分布情況與仿真模擬分析結(jié)果一致。

3.2 老化耐久性能及分析

按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，自然吸氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管長期耐熱溫度為135 ℃，據(jù)此設(shè)計了3種條件下的熱老化試驗，考察老化前后氣密性變化，結(jié)果見表3。

表3 老化前后氣密性試驗結(jié)果

3組老化試驗后樣件均未出現(xiàn)裂紋、變形等異?，F(xiàn)象，但是樣件很明顯出現(xiàn)了發(fā)黃、表面變粗糙的現(xiàn)象，粉化情況較為嚴(yán)重。同時可以看到135 ℃條件下的樣件老化前后的氣密性能均能滿足要求，150 ℃條件下老化后氣密性未能滿足要求，而PA-GF進(jìn)氣歧管在150 ℃條件下老化前后氣密性能基本不變。這是因為PP-LGF中添加了大量的各種助劑來提高性能，當(dāng)進(jìn)氣歧管產(chǎn)品處于高溫條件下，尤其是在150 ℃及以上時，PP樹脂鏈段氧化分解，助劑大量揮發(fā)，造成樣件氣密性變差。

3.3 可靠性臺架試驗及分析

發(fā)動機(jī)的可靠性是指發(fā)動機(jī)在規(guī)定的使用條件下,在規(guī)定的時間間隔內(nèi),完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽囼炇前l(fā)動機(jī)可靠性研究的基礎(chǔ)，適用于新設(shè)計或經(jīng)重大改進(jìn)的發(fā)動機(jī)定型試驗、轉(zhuǎn)廠生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)驗證試驗。其目的是在臺架上使發(fā)動機(jī)受到較大的實際交變機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷，并提高單位時間內(nèi)的交變次數(shù)，以期在較短的時間內(nèi)驗證發(fā)動機(jī)的可靠性。按照GB/T 19055—2003《汽車發(fā)動機(jī)可靠性試驗方法》進(jìn)行交變負(fù)荷試驗，通過驗證整機(jī)性能及零件性能來研究PP-LGF進(jìn)氣歧管的可靠性。

圖6示出了交變負(fù)荷試驗臺架，圖7示出了交變負(fù)荷試驗結(jié)果。由圖7可知，校正最大凈功率均出現(xiàn)在6 000 r/min時，初試時為75.4 kW，復(fù)試時是76.5 kW；校正最大凈扭矩均出現(xiàn)在4 200 r/min時，初試時是140.3 N·m，復(fù)試時是141.0 N·m。劣化率=(初試數(shù)值-復(fù)試數(shù)值)/初試數(shù)值×100%，由于復(fù)試校正最大凈扭矩、校正最大凈功率均高于初試，且均無下降趨勢，計算得出限值小于5%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，該發(fā)動機(jī)校正最大凈扭矩、校正最大凈功率劣化率均合格。同時通過對發(fā)動機(jī)其他數(shù)據(jù)計算分析，各項性能也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，考核件PP-LGF進(jìn)氣歧管判定合格，能夠滿足發(fā)動機(jī)對動力性及其他重要性能指標(biāo)的要求。

可靠性試驗一方面驗證塑料進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計和支撐支架設(shè)計的合理性以及是否會在使用過程中發(fā)生變形、斷裂等現(xiàn)象，另一方面是檢查注塑工藝、振動摩擦焊接工藝和裝配工藝的可靠性[9-10]。對PP-LGF進(jìn)氣歧管試驗前后進(jìn)行氣密性能測試，試驗結(jié)果表明經(jīng)過可靠性試驗后氣密性能大幅提升，泄漏量由7.34 mL/min降低到0.09 mL/min，幾乎接近于零。原因有兩方面：一是在試驗過程中部分油液溢散到進(jìn)氣歧管表面及縫隙結(jié)合處，起到一定密封作用；二是振動摩擦焊接頻率范圍在100～500 Hz 之間( 最常用的是100～300 Hz) ，而對于可靠性臺架試驗，6 000 r/min的4缸發(fā)動機(jī)振動頻率在試驗過程中一般處于100～200 Hz之間，兩種頻率很接近，且進(jìn)氣歧管處于發(fā)動機(jī)附近的高熱環(huán)境，以上原因使進(jìn)氣歧管焊縫處樹脂產(chǎn)生了輕微的軟化移動，一定程度上改善了進(jìn)氣歧管的氣密性能。

4 結(jié)論

a) PP-LGF相比PA-GF殘余應(yīng)力分布較為均勻，單一方向應(yīng)力值范圍跨度較?。?/p>

b) 雖然PP-LGF相比PA-GF進(jìn)氣歧管在老化耐久及焊接強(qiáng)度方面還存在一些差距，但PP-LGF進(jìn)氣歧管泄漏量在7.5 mL/min左右，水爆壓力最高達(dá)到了0.740 MPa，在氣密爆破、老化耐久、可靠性臺架方面均能夠滿足1.5 L及以下排量自然吸氣發(fā)動機(jī)的使用要求。

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[編輯： 姜曉博]

Performance of PP-LGF Intake Manifold

LI Zhitong1,2, GAO Mengluan1,2, YIN Jingjing1,2, LI He1,2,CUI Wenbing1,2, WEI Yuansheng1,2

(1. R&D Center of Great Wall Motor Company, Baoding 071000， China;2. Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding 071000， China)

To study the property and mechanism of PP-LGF (PP long glass fiber) intake manifold, the glass fiber and residual stress distribution of PA-GF (PA short glass fiber) and PP-LGF fiber intake manifold were compared by the simulation method of Moldflow and the air tightness, burst strength, aging property and reliability performance were tested and analyzed according to the standard test method by using the relevant fixing tools. The results showed that the residual stress distribution of PP-LGF intake manifold was more uniform. The leakage rate of PP-LGF intake manifold was about 7.5 mL/min and the maximum bearing pressure for water was 0.74 MPa. All the tests mentioned before could meet the requirements of all naturally aspirated engines with displacement of 1.5 L and below.

PP long glass fiber (PP-LGF); intake manifold; simulation; air tightness; aging; reliability

2015-09-09；

2016-03-21

國汽(北京)汽車輕量化技術(shù)研究院有限公司支持(QYY-KT-2013-001)

李志通(1988—)，男，助理工程師，主要研究方向為汽車新材料的應(yīng)用開發(fā)；zhitong_li@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.016

TK413.4

B

1001-2222(2016)03-0083-05