發動機塑料進氣歧管結構設計及CAE分析

李志香 ，劉暢

（1.國家開放大學 理工教學部，北京 100039；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引言

近幾年，隨著汽車保有量的快速增長，排放污染問題越來越受到人們的重視，國家出臺的汽車排放法規也越來越嚴格。為了減少汽車尾氣中有害氣體的排放，需要提高缸內燃燒效率。優化發動機的進排氣系統，將提高進氣效率，從而改善燃燒。在進氣系統中，進氣歧管是重要部件，對發動機的性能有著直接的影響[1-3]。輕量化設計是汽車技術發展的重要方向之一。塑料因其可塑性強，容易制造出結構復雜的部件，為進排氣系統的優化設計奠定基礎。本文根據生產實際需要，為達到節能減排的目的，設計了新型的發動機進氣歧管結構。由于CFD模擬不能完全代替實際的試驗測量[4-5]，我們對進氣歧管進行了結構和焊接的優化設計，按照流體動力學試驗、發動機裝配試驗和發動機臺架試驗要求，從而確定最終的模型結構。

1 發動機塑料進氣歧管結構設計

1.1 發動機進氣歧管的材料選擇

與傳統的鋁合金進氣歧管比較，復合塑料進氣歧管有很多優點：1）塑料表面光滑，摩擦阻力小。采用塑料制造的進氣歧管，可以提高充氣效率[6]。2）塑料的密度低于金屬，可以降低質量。而且與鋁合金相比，塑料制造的進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雜的進氣歧管，以滿足流體力學的要求。但是，由于發動機工作時處于高溫、振動和各種腐蝕的環境，因此需要所選用的塑料材料具有良好的力學性能，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材料（PA+GF）。這是由于尼龍熔點高、耐高溫性能好，在高溫情況下抗變形能力強，而且耐腐蝕、成本低廉。但尼龍極易吸水，吸水后強度下降很多，為此，需要采用添加化學劑等的方法來改善其性能。如在PA6基礎上增加30%玻纖材料（即PA6+GF30），可以提高尼龍的抗變能力及抗振強度等。因此采用PA6+GF30制造發動機進氣歧管，若不包含插件和密封圈，其質量可以減至2.6 kg，流量系數平均值可以達到0.0835。

1.2 進氣歧管的結構設計

塑料進氣歧管的三維型腔設計方案，如文獻[7]所描述，在壓腔上增加了兩條導流筋，如圖1所示。導流筋可以改進各支管的流通性，使各支管流量均勻，不會形成大的漩渦，因此可以減少氣流噪聲。氣流在通過有效截面時，各管進氣的均勻性增強，符合發動機的性能要求。此外，利用計算流體力學分析進排氣過程的流場和壓力場，可以得到清晰的圖片信息和數據，為下一步的設計提供參考[8-9]。設計方案確定后，我們對進氣歧管的結構進行設計，圖2和圖3是設計的進氣歧管的全景視圖和爆炸視圖。

圖1 進氣歧管三維型腔設計圖

圖2 進氣歧管全景視圖

圖3 進氣歧管爆炸視圖

塑料進氣歧管（縮寫為PIM）結構設計中所需要的明細如表1所示。

表1 設計的進氣歧管明細

2 焊接設計

在塑料進氣歧管的結構設計中，在不改變氣道結構的前提條件下，歧管的外部結構可以結合生產和裝配的要求進行設計。通常的設計思路是將進氣歧管分片以滿足模具的脫出要求。在分片時需要考慮批量生產的需要，首先需要考慮出模方向，確保產品后期能夠方便地脫模；其次需要確定振動焊接面，在確定焊接方向時，盡量保證焊接方向和出模方向一致。

2.1 分片方案

將進氣歧管分成A、B、C、D四片，分片方案如圖4所示。

圖4 進氣歧管分片方案

2.2 出模方向

進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構出模；B片與缸蓋接觸法蘭處模具結構比較復雜，采用滑塊和抽芯機構實現，側面需靠滑塊出模；C片上下分模加滑塊結構；D片節氣門法蘭處滑塊結構出模。

2.3 焊接工藝分析

焊接工藝將影響焊接面的結構。常見的塑料產品焊接工藝有振動摩擦、超聲、高頻和熱板等。發動機進氣歧管工作過程中壓力較大，有時還會發生回火，可能會發生局部爆裂。為了保證焊接端面具有足夠的焊接強度，需要分析焊接端面的結構設計。由歧管的結構形式和所選用材料的特性，以及對幾種焊接形式的比較，該歧管采用振動摩擦焊接。振動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 振動摩擦焊接的斷面形狀

按照該進氣歧管的設計要求，為滿足內壁光滑無溢料，采用D型焊接形式，該焊接形式在焊接過程中上片橫斷面比下片橫斷面每側寬1 mm，此結構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和歧管內壁的美觀性和光滑性，并且能夠保證足夠的焊接強度。振動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 振動摩擦焊接工藝

2.4 密封設計

在進氣歧管的裝配過程中，需要與節氣門及缸蓋裝配，為保證進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。因此在設計過程中需要考慮到密封圈的結構及進氣歧管法蘭的處密封槽結構，我們采用T形密封圈結構，密封槽則采用U形結構。

3 CAE分析

進氣歧管的CAE分析主要包括爆破壓力分析、NVH分析、Moldflow分析三方面。CAE分析在生產過程中運用越早，產品修改的自由度也會增大，CAE可以預測各種產品缺陷，大大減少重復設計次數，減少試驗次數，提高產品質量，縮短周期，從而在各個階段減少企業的生產成本。CAE分析的流程如圖11所示。

由于我們研發的進氣歧管材料采用目前市場上較為成熟的材料PA6+GF30，在分析時需要考慮材料的性能對產品的影響。對于塑料進氣歧管，材料的耐溫性、密度、熱膨脹系數及玻纖所能承受的壓力范圍都直接影響進氣歧管的抗爆破壓力。根據上述特點運用ANSYS分析結果如表2所示。

表2 進氣歧管材料特性ANSYS分析結果

進氣歧管設計時一般需要在部分位置增加一定數量的加強筋以鞏固相對薄弱的位置，我們的設計方案中在穩壓腔外側增加2條加強筋，從而增加該處的爆破壓力值。從表2中可以看出，該結果滿足所需的爆破壓力要求。

現在轎車對噪聲控制要求也比較高。發動機進、排氣噪聲是由于氣門周期性開閉而產生的壓力波所形成的。由于空氣流經氣門時的速度很高，在氣門截面會形成渦流，從而產生高頻噪聲。此外還存在氣門落座噪聲、缸內氣流擾動噪聲、進排氣管振動產生的噪聲。為了降低這些噪聲，我們設計進排氣歧管的一階頻率不低于200 Hz。該進氣歧管的NVH分析結果如圖12所示。

圖12 模態分析結果

從圖12可以看出，當振動頻率達到各階頻率點時，會產生較大的振動，也會發生噪聲功率的突變。但由于極值點在不同位置，進排氣歧管的振動不會集中于某處，也就是不會集中促使某處產生變形，從而避免了與發動機共振的現象，該進排氣歧管的結構設計可以滿足實際需要。由于Moldflow分析涉及到生產階段，因此本文未引入Moldflow分析。在后續的生產中將由工廠內的模具設計工程師進行分析，從而確定模具的結構以及生產中應注意的問題。

4 發動機塑料進氣歧管試驗驗證

采用硅膠模具制作的樣件，其強度、精度及耐溫性能可以基本達到和正式產品相同的功效。而且硅膠模制作模型時間快、花費少，加工失敗概率小。硅膠模樣件的試驗結果如圖13所示。

從圖13中可以看出，最大功率為183.4 kW(目標值為180 kW)，最大轉矩為102.8 N·m(目標值為102 N·m)。從臺架試驗的數據中得出該設計符合最初的研發目標。

圖13 硅膠模樣件的試驗結果

5 結語

本文介紹了塑料進氣歧管的材料、總體結構布置方案、制造工藝選擇和CAE分析。考慮到成本和性能等綜合因素，進氣歧管采用了PA6+GF30材料，比傳統的鋁制進氣歧管的質量減輕很多，從而滿足了整車的輕量化要求。塑料制造的進排氣歧管，由于內壁光滑，降低摩擦阻力，因此可以減少進排氣阻力，提高充氣效率，改善燃燒。在加工工藝方面，采用了振動摩擦焊接技術，該技術也是目前絕大多數生產廠家的主流技術。進氣歧管分成4片焊接型式，具有易于加工、可降低成本的優勢。另外，通過對進氣歧管的爆破壓力、NVH及Moldflow的CAE分析表明，進氣歧管滿足設計目標要求，提高了發動機的動力性和經濟性，使整車的動力性和經濟性也有很大的提高。