塑料進氣歧管設計開發

郝 兵

（天津卡達克汽車高新技術公司，河北 天津 300000）

1 塑料進氣歧管結構設計

進氣歧管的結構是根據發動機的類型、布置形式以及其他一些因素所決定的。根據發動機特性參數：功率、扭矩等，缸蓋詳細2D/3D圖以及歧管周圍空間布局，建模塑料進氣歧管3D模型。針對進氣歧管型腔，利用CFD軟件進行三維流場模擬，分析歧管中壓力損失和流場分布，優化歧管型腔各設計參數。在進氣歧管型腔設計中，合理歧管長度、圓滑過渡歧管截面，以保證歧管軸線曲率連續；并且應特別注意在總損失中占比重很大的穩壓腔和進氣歧管間過渡圓角盡可能大，以形成喇叭口結構［1］。

2 快速成型及性能試驗

塑料進氣歧管設計過程中，在通過一維仿真和三維模擬對歧管型腔優化的基礎上，對進氣歧管進行三維結構造型，為完成穩態流量測試、空間安裝驗證和發動機臺架性能試驗測試等測試，利用快速原型技術(RAPID PROTOTYPING，簡稱RP技術）制作塑料進氣歧管樣件。

“分層制造，逐層疊加”作為快速原型制造技術的基本成型原理，在不使用任何刀具、模具及工裝卡具的前提下，快速、直接地制造結構外形復雜的實體樣件。STL文件是CAD軟件與快速原型切片軟件的接口數據格式。將塑料進氣歧管的造型設計數據轉化為STL格式，并輸入快速原型設備中用切片軟件進行模型切片，快速成型機按照軟件中每一切片的形狀固化一層ABS材料，每一層的疊加即可完成實物樣件，然后進行后期固化處理，增加其強度，完成實物樣件的制作。

塑料進氣歧管快速樣件進氣流量、瞬態流速以及滾流比、缸內渦流等參數可利用氣道穩流試驗臺進行試驗，有助于評價進氣歧管的流通能力和多種設計方案的對比。同時，試驗測試結果為一維計算提供初始化參數，還可用來驗證三維流場模擬結果的準確性［2］。

塑料進氣歧管性能要求，以及與發動機物理搭載，可利用臺架試驗驗證。

3 塑料進氣歧管生產工藝研究

3.1 生產工藝路線

發動機附件的塑料化開始自20世紀70年代。發動機工作時所產生的熱經過輻射、傳導、對流以及受大氣環境影響，發動機周邊的溫差范圍是-40～140℃。對于4G15發動機塑料進氣歧管的具體技術要求：

a）除內壁、法蘭面和注射孔外，其他壁厚均為3.0mm。

b）泄漏量測試：將進氣管和軟管接頭封閉，在進氣管內部施0.06MPa的氣壓，當漏氣量≤60ml/min為合格。

c）制成品外表面應光滑，無明顯的飛邊、毛刺、熔接痕、流痕、氣孔、玻纖外露等外觀缺陷，不允許有影響性能的焊接缺陷。氣道內表面光滑，要求平整無毛刺，內表面焊接線溢料≤1mm，內部清潔度≤10mg。

d）密封圈安裝平整，無起鼓、凹凸不平等現象。

e）所有熱嵌螺母周圍無溢料滲出。

f）未注線性尺寸公差和角度按GB/T1804-m。

熔芯法、振動摩擦焊、熱板焊成為塑料進氣歧管制造主要工藝方法，最近還出現了高溫誘導焊和熱電阻焊。目前，多片振動摩擦焊是塑料進氣歧管最成熟的生產工藝，其生產效率高，成本低。

本項目以摩擦焊作為主要制造方式，工藝路線定義為：摩擦焊—嵌件安裝—檢測。

3.2 設備選型

摩擦焊機，熱插機，冷插機，位置檢測機，密封試驗機，爆破試驗機。

3.3 工藝參數設定

對由連接法蘭、支管和總管組成的進氣歧管試樣進行試驗和分析。振動焊接分兩次進行，先將連接法蘭與支管焊接在一起，然后再將總管焊在上述組件上。總管比支管有效直徑稍大，因而所承受的應力最大，對總管進行工藝參數的試驗研究意義重大。通過靜壓破裂試驗，檢查破壞的零件，確定破裂源產生在焊縫上。焊縫的破裂強度以歧管破裂時施加的壓力為參考數據。通過對數據的分析，夾緊壓力是影響歧管的破裂強度(即焊接強度）的最大因素，其次是焊縫的熔化寬度，最小影響是振動振幅［3］。

綜上所述，合理選擇焊接工藝參數，有效提高歧管的振動焊接強度；降低夾緊壓力可提高歧管焊接強度；優化焊縫熔化寬度，可使歧管獲得最大焊接強度，焊機上位夾具的振幅對歧管的焊接強度的影響不大。

3.4 樣件驗證實驗

3.4.1 爆破實驗

表1

圖1

3.4.2 性能參數驗證

依據GB/T18297-2001《汽車發動機性能試驗方法》標準，通過合理的實驗手段，進一步驗證產品的性能指標，主要試驗如下：熱老化試驗、交變試驗、低溫循環試驗、正壓氣密試驗、沖擊試驗、嵌件撥出試驗、嵌件扭矩試驗、耐化學試驗、靜態強度試驗、煙霧試驗、振動試驗等。

4 結論

經過樣品結構強度試驗驗證以及性能參數試驗驗證，確認塑料進氣歧管符合技術要求。生產線布置合理，工藝路線完整，作業文件齊全，可轉化為實際生產能力，達到量產標準。

［1］朱芝培.汽車零部件塑料化發展趨勢［J］.廣東塑料，2004（6）：54-58.

［2］張穎.MPI公司談進氣歧管設計需要專業化經驗［J］.汽車與配件，2004（10）：72-74.

［3］顧宏中.內燃機中氣體流動及數值分析［M］.北京：國防工業出版社，1985.