塑料進氣歧管設計要點與工藝考慮

柴軍

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勢，及其內壁光滑、空氣阻力小、聲學優勢明顯的特性被廣泛應用于發動機上替代鋁制氣管，而且在發動機性能提升和改善發動機排放方面也有很好的幫助。本文將提供一些設計的原則供在設計時參考，所講述的經驗是通過以往的設計經驗和實際的生產總結得到。如果設計時能參考這些關鍵的設計原則，將幫助我們在設計上少走一些不必要的彎路。

關鍵詞：進氣歧管;設計;工藝

中圖分類號：U464.134.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0096-02

0? 引言

隨著汽車行業的發展，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展。我們在設計進氣歧管過程中，不但要把握設計的要點，而且在前期應該充分的考慮制造工藝。制造工藝設計的合理性不僅影響進氣歧管的性能、發動機的排放，而且對進氣歧管的制造成本和后續質量控制也尤為重要。本文將從歧管結構及要點引入探討歧管在設計中如何考慮工藝來優化設計。

1? 進氣歧管的功能和主要組件

1.1 進氣歧管的功能

進氣歧管作為發動機的主要部件，其功能在于將從節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測（包括質量，溫度和壓力）。之所以稱為歧管，是因為空氣進入節氣門后，經過歧管緩沖暫存后，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：①進氣歧管由于節氣門閥體的開度變化而產生不同的真空度，壓力傳感器根據不同的真空度將信號傳送給ECU判定發動機的負荷，而給予適量的噴油;②支持多樣的安裝部件的支持;③為活性碳過濾器、廢氣再循環（EGR）、曲軸箱通風等系統提供氣體和蒸汽的接入點;④歧管真空不僅可用來供給判定發動機負荷的壓力訊號，還可以輔助提供剎車系統需要的真空，所以當引擎發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計其它輔助結構來形成。由于現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制造，所以接下來將對分片后通過振動焊接生產歧管的工藝設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、熱插螺母和螺釘等）、密封輔助零件（對應位置需要的密封圈）、輔助其它系統的接通通道（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? 設計原則

2.1 壁厚

在塑料進氣歧管的設計過程中，常常反復的工作是出現在產品簡潔優化方面，而影響這一設計的重點在于壁厚設計。以下為壁厚對歧管的影響：①歧管的重量;②在模具中的流動長度;③總成件生產周期;④安裝位置的公差;⑤氣道的表面質量;⑥穩壓腔、氣道的成型和變形;⑦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品薄弱點的機械性能，但這樣會使得產品的設計壁厚不均勻。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品尺寸的穩定性，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品模內的冷卻時間來保證產品的形狀、尺寸和避免產品爛膠。所以需要在厚壁不均勻的地方挖成空心，并在挖去料位的區域填補等效的加強筋達到相同壁厚的效果，以實現均勻的壁厚。

在設計歧管壁厚時，一般先將進氣歧管的壁厚設計成客戶允許的最薄厚度，然后通過逐步設計來優化歧管的剛度，并運用CAE來仿真更改后的效果，根據仿真結果進行逐步的完善。

2.2 脫模斜度

產品脫模斜度的大小，與材料的收縮率、塑件壁厚、表面皮紋、幾何形狀等因素有關。具體的脫模斜度設計要點如下：①產品局部尺寸精度要求越高，脫模斜度設計應該越小;②產品上形狀復雜不宜脫模的位置，應該在對應的位置設計較大的脫模斜度;③產品選用的材料收縮率較大時，產品的整體脫模的斜度也應該適當加大;④產品存在局部壁厚較大時，應該在膠位較厚的地方放大其脫模斜度，避免產品脫模時將未完全冷卻的厚膠位拉爛;⑤如果產品的設計導致脫模距離較大時，應對相應的脫模位置采用較小的脫模斜度設計;⑥如果產品外觀有皮紋要求時，脫模斜度應該根據皮紋樣式的深度和復雜程度進行對應的放大來幫助產品脫模，防止產品皮紋的拉傷。

2.3 加強筋

為在增加產品剛性需要時，可以參照以下順序和方法對產品進行優化：①優先將產品的受力面設計成有一定的弧度來增強受力;②在產品外部設計加強筋進行加強，設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;③對產品薄弱點進行局部增加厚度，并在內部取芯后布置等效的加強筋來改善產品設計的工藝性;④增加材料強度（選用剛性較好的材料）。

在一個設計中，如果產品的剛性不夠，首先應該考慮將受力表面設計成曲面來進行改善;優化后的歧管如果還不能滿足剛性要求時，應該引入加強筋來幫助增加剛度;通過增加局部壁厚來進一步增加產品的局部剛性;最后還可以通過更改材料來增加產品的剛度。產品剛性的增加和加強筋的數量呈正比。最佳的加強筋設計不但可以提高產品的剛性，而且對生產穩定性、產品的變形、產品外觀等都有很好的幫助。局部增加產品需要對加厚的壁厚做妥善的過渡處理，并盡量取芯，所以局部增加產品的壁厚在歧管設計上多用于非氣體流動接觸面。更改產品材料對產品的成本影響比較大，必須謹慎。

2.4 成本效益設計

進氣歧管的成本與設計者有很大的關系，這是因為設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、產品的重量、質量控制的難以程度等。

2.4.1 材料特性對成本的影響

許多成本節約可以通過合理利用材料的某些特性來實現：①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、油管等部件設計安裝和固定結構;②運用塑膠的易焊接性，通過廉價的組裝技術替代復雜的模具結構，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;③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的潤滑的機構，如設計特殊材料的軸承來支撐轉動軸;④通過適當的表面處理來改善材料的耐化學腐蝕性、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 產品設計對過程成本的影響

運用合理的方法優化產品設計，可以更大可能的實現過程成本上的降低和更廉價的質量控制成本。①壁厚：優化壁厚的分布不僅可以降低材料成本，而且可以縮短生產周期;②模具：合理設計模具的模穴數，可以有效的減少模具的數量和模具加工工作量;③公差：過高的公差要求會增加產品的報廢率和質量控制的成本，公差定義時可參照GB＼T14486進行標注;④材料：通過選擇快速凝固的材料來減少產品的冷卻周期。

3? 基本體的設計

在塑料進氣歧管的設計工作開始前，要做好充分的準備才可以開始真正的進行設計工作，這樣可以盡量減少后期設計的更改量。在設計工作開始前，需要客戶提供并確認以下要求：①允許進氣歧管設計的空間區域需要明確;②客戶需要提供周邊部件的邊界數據并提供允許的最小安全距離;③明確進氣歧管穩壓腔的設計體積及允許的公差;④明確進氣歧管氣道的理論設計長度;⑤明確氣道的橫截面積要求。

3.1 氣道設計

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計空間，而且對于模具的脫模設計也有很大的局限性，所以客戶提供的直徑需要轉換成等價的直徑。通常用水力直徑公式來進行轉換：

在設計過程中首先設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。然后依據中心線設計氣道的截面（最好采用側視圖和頂視圖截面相交的方式設計，這樣便于出模設計）。設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。調整的過程是非常耗時的，因為需要不停的檢查邊界和調整氣道參數，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整個進氣歧管的過程中產生，所以設計時需要在確保設計可行性的基礎上盡可能增大氣道的轉彎半徑。其次，在空氣流經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，所以從節氣門閥體入口到穩壓腔的過渡區和由穩壓腔流入到其它氣道的過渡區的這些區域必須盡可能的設計為平滑過渡。合理的運用這一壓力損失變化特性，可以調節各個氣道的進氣均勻性。第三，空氣流經的區域如果存在尖銳邊緣，在空氣高速流經尖銳邊時便會產生嘯叫。所以設計時必須保證在氣體流動的區域內沒有尖銳的邊緣，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的計算來調整到最佳。

4? 結論

進氣歧管根據發動機和整車布置的不同，在結構設計上也會有很大的差異，但其功能性不會變化。如何根據變化的布局來完成其要求的功能性，并在工藝可行性和質量控制方面設計到最優，這往往需要一定的設計經驗和一些生產制造、質量控制方面的知識。文中所總結的設計原則可以用于一般的設計參考，而設計時需要根據具體的情況來靈活運用，才可能達到更好的效果。

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