發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CAE分析

李志香 ，劉暢

（1.國(guó)家開(kāi)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(chē)保有量的快速增長(zhǎng)，排放污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，國(guó)家出臺(tái)的汽車(chē)排放法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格。為了減少汽車(chē)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(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)，將提高進(jìn)氣效率，從而改善燃燒。在進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)氣歧管是重要部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著直接的影響[1-3]。輕量化設(shè)計(jì)是汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。塑料因其可塑性強(qiáng)，容易制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，為進(jìn)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本文根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，為達(dá)到節(jié)能減排的目的，設(shè)計(jì)了新型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)。由于CFD模擬不能完全代替實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)量[4-5]，我們對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和焊接的優(yōu)化設(shè)計(jì)，按照流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)要求，從而確定最終的模型結(jié)構(gòu)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的材料選擇

與傳統(tǒng)的鋁合金進(jìn)氣歧管比較，復(fù)合塑料進(jìn)氣歧管有很多優(yōu)點(diǎn)：1）塑料表面光滑，摩擦阻力小。采用塑料制造的進(jìn)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(jìn)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(jìn)氣歧管，以滿足流體力學(xué)的要求。但是，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)處于高溫、振動(dòng)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(qiáng)材料（PA+GF）。這是由于尼龍熔點(diǎn)高、耐高溫性能好，在高溫情況下抗變形能力強(qiáng)，而且耐腐蝕、成本低廉。但尼龍極易吸水，吸水后強(qiáng)度下降很多，為此，需要采用添加化學(xué)劑等的方法來(lái)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(qiáng)度等。因此采用PA6+GF30制造發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dá)到0.0835。

1.2 進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塑料進(jìn)氣歧管的三維型腔設(shè)計(jì)方案，如文獻(xiàn)[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(jìn)各支管的流通性，使各支管流量均勻，不會(huì)形成大的漩渦，因此可以減少氣流噪聲。氣流在通過(guò)有效截面時(shí)，各管進(jìn)氣的均勻性增強(qiáng)，符合發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。此外，利用計(jì)算流體力學(xué)分析進(jìn)排氣過(guò)程的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，可以得到清晰的圖片信息和數(shù)據(jù)，為下一步的設(shè)計(jì)提供參考[8-9]。設(shè)計(jì)方案確定后，我們對(duì)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖2和圖3是設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管的全景視圖和爆炸視圖。

圖1 進(jìn)氣歧管三維型腔設(shè)計(jì)圖

圖2 進(jìn)氣歧管全景視圖

圖3 進(jìn)氣歧管爆炸視圖

塑料進(jìn)氣歧管（縮寫(xiě)為PIM）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所需要的明細(xì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管明細(xì)

2 焊接設(shè)計(jì)

在塑料進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。通常的設(shè)計(jì)思路是將進(jìn)氣歧管分片以滿足模具的脫出要求。在分片時(shí)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(dòng)焊接面，在確定焊接方向時(shí)，盡量保證焊接方向和出模方向一致。

2.1 分片方案

將進(jìn)氣歧管分成A、B、C、D四片，分片方案如圖4所示。

圖4 進(jìn)氣歧管分片方案

2.2 出模方向

進(jìn)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(jī)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(jī)構(gòu)實(shí)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(mén)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(jiàn)的塑料產(chǎn)品焊接工藝有振動(dòng)摩擦、超聲、高頻和熱板等。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管工作過(guò)程中壓力較大，有時(shí)還會(huì)發(fā)生回火，可能會(huì)發(fā)生局部爆裂。為了保證焊接端面具有足夠的焊接強(qiáng)度，需要分析焊接端面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由歧管的結(jié)構(gòu)形式和所選用材料的特性，以及對(duì)幾種焊接形式的比較，該歧管采用振動(dòng)摩擦焊接。振動(dòng)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(dòng)摩擦焊接的斷面形狀

按照該進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)要求，為滿足內(nèi)壁光滑無(wú)溢料，采用D型焊接形式，該焊接形式在焊接過(guò)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(qiáng)度。振動(dòng)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(dòng)摩擦焊接工藝

2.4 密封設(shè)計(jì)

在進(jìn)氣歧管的裝配過(guò)程中，需要與節(jié)氣門(mén)及缸蓋裝配，為保證進(jìn)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(jì)過(guò)程中需要考慮到密封圈的結(jié)構(gòu)及進(jìn)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(jìn)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(guò)程中運(yùn)用越早，產(chǎn)品修改的自由度也會(huì)增大，CAE可以預(yù)測(cè)各種產(chǎn)品缺陷，大大減少重復(fù)設(shè)計(jì)次數(shù)，減少試驗(yàn)次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短周期，從而在各個(gè)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(jìn)氣歧管材料采用目前市場(chǎng)上較為成熟的材料PA6+GF30，在分析時(shí)需要考慮材料的性能對(duì)產(chǎn)品的影響。對(duì)于塑料進(jìn)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(jìn)氣歧管的抗爆破壓力。根據(jù)上述特點(diǎn)運(yùn)用ANSYS分析結(jié)果如表2所示。

表2 進(jìn)氣歧管材料特性ANSYS分析結(jié)果

進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)時(shí)一般需要在部分位置增加一定數(shù)量的加強(qiáng)筋以鞏固相對(duì)薄弱的位置，我們的設(shè)計(jì)方案中在穩(wěn)壓腔外側(cè)增加2條加強(qiáng)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(chē)對(duì)噪聲控制要求也比較高。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣噪聲是由于氣門(mén)周期性開(kāi)閉而產(chǎn)生的壓力波所形成的。由于空氣流經(jīng)氣門(mén)時(shí)的速度很高，在氣門(mén)截面會(huì)形成渦流，從而產(chǎn)生高頻噪聲。此外還存在氣門(mén)落座噪聲、缸內(nèi)氣流擾動(dòng)噪聲、進(jìn)排氣管振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。為了降低這些噪聲，我們?cè)O(shè)計(jì)進(jìn)排氣歧管的一階頻率不低于200 Hz。該進(jìn)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(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到各階頻率點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，也會(huì)發(fā)生噪聲功率的突變。但由于極值點(diǎn)在不同位置，進(jìn)排氣歧管的振動(dòng)不會(huì)集中于某處，也就是不會(huì)集中促使某處產(chǎn)生變形，從而避免了與發(fā)動(dòng)機(jī)共振的現(xiàn)象，該進(jìn)排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足實(shí)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(jì)工程師進(jìn)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(wèn)題。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管試驗(yàn)驗(yàn)證

采用硅膠模具制作的樣件，其強(qiáng)度、精度及耐溫性能可以基本達(dá)到和正式產(chǎn)品相同的功效。而且硅膠模制作模型時(shí)間快、花費(fèi)少，加工失敗概率小。硅膠模樣件的試驗(yàn)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(biāo)值為180 kW)，最大轉(zhuǎn)矩為102.8 N·m(目標(biāo)值為102 N·m)。從臺(tái)架試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中得出該設(shè)計(jì)符合最初的研發(fā)目標(biāo)。

圖13 硅膠模樣件的試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了塑料進(jìn)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(jìn)氣歧管采用了PA6+GF30材料，比傳統(tǒng)的鋁制進(jìn)氣歧管的質(zhì)量減輕很多，從而滿足了整車(chē)的輕量化要求。塑料制造的進(jìn)排氣歧管，由于內(nèi)壁光滑，降低摩擦阻力，因此可以減少進(jìn)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(dòng)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(jìn)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(shì)。另外，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣歧管的爆破壓力、NVH及Moldflow的CAE分析表明，進(jìn)氣歧管滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，使整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性也有很大的提高。