塑料進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)與工藝考慮

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摘要：塑料進(jìn)氣歧管以其較輕的重量、較低的材料和制造成本等材料優(yōu)勢(shì)，及其內(nèi)壁光滑、空氣阻力小、聲學(xué)優(yōu)勢(shì)明顯的特性被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上替代鋁制氣管，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升和改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放方面也有很好的幫助。本文將提供一些設(shè)計(jì)的原則供在設(shè)計(jì)時(shí)參考，所講述的經(jīng)驗(yàn)是通過(guò)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的生產(chǎn)總結(jié)得到。如果設(shè)計(jì)時(shí)能參考這些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)原則，將幫助我們?cè)谠O(shè)計(jì)上少走一些不必要的彎路。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣歧管；設(shè)計(jì)；工藝

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，塑料進(jìn)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(fā)展。我們?cè)谠O(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管過(guò)程中，不但要把握設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，而且在前期應(yīng)該充分的考慮制造工藝。制造工藝設(shè)計(jì)的合理性不僅影響進(jìn)氣歧管的性能、發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，而且對(duì)進(jìn)氣歧管的制造成本和后續(xù)質(zhì)量控制也尤為重要。本文將從歧管結(jié)構(gòu)及要點(diǎn)引入探討歧管在設(shè)計(jì)中如何考慮工藝來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1進(jìn)氣歧管的功能和主要組件

1.1進(jìn)氣歧管的功能。進(jìn)氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件，其功能在于將從節(jié)氣門(mén)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(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)引擎進(jìn)氣門(mén)，在此過(guò)程中，所有工況下的空氣可以被監(jiān)測(cè)（包括質(zhì)量，溫度和壓力）。之所以稱為歧管，是因?yàn)榭諝膺M(jìn)入節(jié)氣門(mén)后，經(jīng)過(guò)歧管緩沖暫存后，空氣通過(guò)氣道在此分流。進(jìn)氣歧管除了此主要功能外還有輔助集成的功能：①進(jìn)氣歧管由于節(jié)氣門(mén)閥體的開(kāi)度變化而產(chǎn)生不同的真空度，壓力傳感器根據(jù)不同的真空度將信號(hào)傳送給ECU判定發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)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(guò)濾器、廢氣再循環(huán)（EGR）、曲軸箱通風(fēng)等系統(tǒng)提供氣體和蒸汽的接入點(diǎn)；④歧管真空不僅可用來(lái)供給判定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的壓力訊號(hào)，還可以輔助提供剎車系統(tǒng)需要的真空，所以當(dāng)引擎發(fā)動(dòng)后剎車踏板會(huì)輕盈許多。1.2進(jìn)氣歧管的主要組成。進(jìn)氣歧管組件主要由進(jìn)氣段、穩(wěn)壓腔、氣道和安裝法蘭組成，通過(guò)合理的布局和連接，將以上組件融合形成一個(gè)塑料殼體，該殼體可以通過(guò)分片并設(shè)計(jì)需要焊接筋的法蘭來(lái)焊接組合制造出來(lái)，也可以通過(guò)熔芯法而不需要設(shè)計(jì)其它輔助結(jié)構(gòu)來(lái)形成。由于現(xiàn)階段的塑料進(jìn)氣歧管大多采用分片振動(dòng)摩擦焊接的方式來(lái)制造，所以接下來(lái)將對(duì)分片后通過(guò)振動(dòng)焊接生產(chǎn)歧管的工藝設(shè)計(jì)和注意要點(diǎn)進(jìn)行討論。一個(gè)完整的進(jìn)氣歧管組件，除了通過(guò)塑料殼體來(lái)分配干凈空氣外還需要其它設(shè)計(jì)來(lái)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?shù)龋⒚芊廨o助零件（對(duì)應(yīng)位置需要的密封圈）、輔助其它系統(tǒng)的接通通道（真空助力管接頭、活性炭過(guò)濾器接頭、曲軸箱通風(fēng)接頭、油軌噴射口和EGR接入口等）和其它輔助安裝臺(tái)階（支架安裝凸臺(tái)、油軌安裝凸臺(tái)、傳感器安裝凸臺(tái)和線束卡夾安裝凸臺(tái)等）。

2設(shè)計(jì)原則

2.1壁厚。在塑料進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常反復(fù)的工作是出現(xiàn)在產(chǎn)品簡(jiǎn)潔優(yōu)化方面，而影響這一設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于壁厚設(shè)計(jì)。以下為壁厚對(duì)歧管的影響：①歧管的重量；②在模具中的流動(dòng)長(zhǎng)度；③總成件生產(chǎn)周期；④安裝位置的公差；⑤氣道的表面質(zhì)量；⑥穩(wěn)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(wú)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(wú)可避免的。增加壁厚可以很大程度上提升產(chǎn)品薄弱點(diǎn)的機(jī)械性能，但這樣會(huì)使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壁厚不均勻。變化的壁厚會(huì)導(dǎo)致不同程度的收縮，可能導(dǎo)致巨大的變形并影響產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性，厚膠位所需冷卻周期也相對(duì)較長(zhǎng)，在注塑過(guò)程中需要增加產(chǎn)品模內(nèi)的冷卻時(shí)間來(lái)保證產(chǎn)品的形狀、尺寸和避免產(chǎn)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(qū)域填補(bǔ)等效的加強(qiáng)筋達(dá)到相同壁厚的效果，以實(shí)現(xiàn)均勻的壁厚。在設(shè)計(jì)歧管壁厚時(shí)，一般先將進(jìn)氣歧管的壁厚設(shè)計(jì)成客戶允許的最薄厚度，然后通過(guò)逐步設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化歧管的剛度，并運(yùn)用CAE來(lái)仿真更改后的效果，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行逐步的完善。2.2脫模斜度。產(chǎn)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(guān)。具體的脫模斜度設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：①產(chǎn)品局部尺寸精度要求越高，脫模斜度設(shè)計(jì)應(yīng)該越小；②產(chǎn)品上形狀復(fù)雜不宜脫模的位置，應(yīng)該在對(duì)應(yīng)的位置設(shè)計(jì)較大的脫模斜度；③產(chǎn)品選用的材料收縮率較大時(shí)，產(chǎn)品的整體脫模的斜度也應(yīng)該適當(dāng)加大；④產(chǎn)品存在局部壁厚較大時(shí)，應(yīng)該在膠位較厚的地方放大其脫模斜度，避免產(chǎn)品脫模時(shí)將未完全冷卻的厚膠位拉爛；⑤如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)導(dǎo)致脫模距離較大時(shí)，應(yīng)對(duì)相應(yīng)的脫模位置采用較小的脫模斜度設(shè)計(jì)；⑥如果產(chǎn)品外觀有皮紋要求時(shí)，脫模斜度應(yīng)該根據(jù)皮紋樣式的深度和復(fù)雜程度進(jìn)行對(duì)應(yīng)的放大來(lái)幫助產(chǎn)品脫模，防止產(chǎn)品皮紋的拉傷。2.3加強(qiáng)筋。為在增加產(chǎn)品剛性需要時(shí)，可以參照以下順序和方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化：①優(yōu)先將產(chǎn)品的受力面設(shè)計(jì)成有一定的弧度來(lái)增強(qiáng)受力；②在產(chǎn)品外部設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要檢查添加的加強(qiáng)筋是否滿足客戶的邊界要求，避免超出邊界；③對(duì)產(chǎn)品薄弱點(diǎn)進(jìn)行局部增加厚度，并在內(nèi)部取芯后布置等效的加強(qiáng)筋來(lái)改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝性；④增加材料強(qiáng)度（選用剛性較好的材料）。在一個(gè)設(shè)計(jì)中，如果產(chǎn)品的剛性不夠，首先應(yīng)該考慮將受力表面設(shè)計(jì)成曲面來(lái)進(jìn)行改善；優(yōu)化后的歧管如果還不能滿足剛性要求時(shí)，應(yīng)該引入加強(qiáng)筋來(lái)幫助增加剛度；通過(guò)增加局部壁厚來(lái)進(jìn)一步增加產(chǎn)品的局部剛性；最后還可以通過(guò)更改材料來(lái)增加產(chǎn)品的剛度。產(chǎn)品剛性的增加和加強(qiáng)筋的數(shù)量呈正比。最佳的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)不但可以提高產(chǎn)品的剛性，而且對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性、產(chǎn)品的變形、產(chǎn)品外觀等都有很好的幫助。局部增加產(chǎn)品需要對(duì)加厚的壁厚做妥善的過(guò)渡處理，并盡量取芯，所以局部增加產(chǎn)品的壁厚在歧管設(shè)計(jì)上多用于非氣體流動(dòng)接觸面。更改產(chǎn)品材料對(duì)產(chǎn)品的成本影響比較大，必須謹(jǐn)慎。2.4成本效益設(shè)計(jì)。進(jìn)氣歧管的成本與設(shè)計(jì)者有很大的關(guān)系，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者做出的所有決定都將影響進(jìn)氣歧管模具的成本、組裝的成本、產(chǎn)品的重量、質(zhì)量控制的難以程度等。2.4.1材料特性對(duì)成本的影響。許多成本節(jié)約可以通過(guò)合理利用材料的某些特性來(lái)實(shí)現(xiàn)：①運(yùn)用塑膠的易成型特性，可以在歧管本體上進(jìn)行多功能集成設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)安裝和固定結(jié)構(gòu)；②運(yùn)用塑膠的易焊接性，通過(guò)廉價(jià)的組裝技術(shù)替代復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)，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(rùn)性來(lái)替代需要額外的或后續(xù)的潤(rùn)滑的機(jī)構(gòu)，如設(shè)計(jì)特殊材料的軸承來(lái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸；④通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚韥?lái)改善材料的耐化學(xué)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(lái)替代昂貴材料。2.4.2產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)過(guò)程成本的影響。運(yùn)用合理的方法優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以更大可能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程成本上的降低和更廉價(jià)的質(zhì)量控制成本。①壁厚：優(yōu)化壁厚的分布不僅可以降低材料成本，而且可以縮短生產(chǎn)周期；②模具：合理設(shè)計(jì)模具的模穴數(shù)，可以有效的減少模具的數(shù)量和模具加工工作量；③公差：過(guò)高的公差要求會(huì)增加產(chǎn)品的報(bào)廢率和質(zhì)量控制的成本，公差定義時(shí)可參照GB\T14486進(jìn)行標(biāo)注；④材料：通過(guò)選擇快速凝固的材料來(lái)減少產(chǎn)品的冷卻周期。

3基本體的設(shè)計(jì)

在塑料進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)工作開(kāi)始前，要做好充分的準(zhǔn)備才可以開(kāi)始真正的進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，這樣可以盡量減少后期設(shè)計(jì)的更改量。在設(shè)計(jì)工作開(kāi)始前，需要客戶提供并確認(rèn)以下要求：①允許進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)的空間區(qū)域需要明確；②客戶需要提供周邊部件的邊界數(shù)據(jù)并提供允許的最小安全距離；③明確進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔的設(shè)計(jì)體積及允許的公差；④明確進(jìn)氣歧管氣道的理論設(shè)計(jì)長(zhǎng)度；⑤明確氣道的橫截面積要求。3.1氣道設(shè)計(jì)。進(jìn)氣歧管的氣道橫截面通常會(huì)被指定直徑，由于圓形管通常不能適用于實(shí)際的設(shè)計(jì)空間，而且對(duì)于模具的脫模設(shè)計(jì)也有很大的局限性，所以客戶提供的直徑需要轉(zhuǎn)換成等價(jià)的直徑。通常用水力直徑公式來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：D水力=4×橫截面面積截面周長(zhǎng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先設(shè)計(jì)出氣道的中心線來(lái)檢查氣道的長(zhǎng)度是否符合客戶提出的理論要求。然后依據(jù)中心線設(shè)計(jì)氣道的截面（最好采用側(cè)視圖和頂視圖截面相交的方式設(shè)計(jì)，這樣便于出模設(shè)計(jì)）。設(shè)計(jì)過(guò)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(diào)整的過(guò)程是非常耗時(shí)的，因?yàn)樾枰煌５臋z查邊界和調(diào)整氣道參數(shù)，還要考慮模具的脫模等對(duì)氣管的影響。3.2壓力損失。首先，由于空氣流動(dòng)方向的改變就會(huì)產(chǎn)生壓力損失。在進(jìn)氣歧管中，由于進(jìn)氣歧管對(duì)空氣的定向和導(dǎo)流的變化，使得空氣的壓力損失不可避免的在流經(jīng)整個(gè)進(jìn)氣歧管的過(guò)程中產(chǎn)生，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要在確保設(shè)計(jì)可行性的基礎(chǔ)上盡可能增大氣道的轉(zhuǎn)彎半徑。其次，在空氣流經(jīng)截面中的過(guò)度是影響進(jìn)氣歧管壓力損失的另外一個(gè)重要因素，所以從節(jié)氣門(mén)閥體入口到穩(wěn)壓腔的過(guò)渡區(qū)和由穩(wěn)壓腔流入到其它氣道的過(guò)渡區(qū)的這些區(qū)域必須盡可能的設(shè)計(jì)為平滑過(guò)渡。合理的運(yùn)用這一壓力損失變化特性，可以調(diào)節(jié)各個(gè)氣道的進(jìn)氣均勻性。第三，空氣流經(jīng)的區(qū)域如果存在尖銳邊緣，在空氣高速流經(jīng)尖銳邊時(shí)便會(huì)產(chǎn)生嘯叫。所以設(shè)計(jì)時(shí)必須保證在氣體流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)沒(méi)有尖銳的邊緣，這在進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣口和出氣口特別重要。該設(shè)計(jì)必須保證不會(huì)由于在任何方向上的安裝公差使進(jìn)氣歧管和安裝部件產(chǎn)生尖銳的邊。3.3進(jìn)氣口位置進(jìn)氣口的位置對(duì)于所有的進(jìn)氣歧管來(lái)說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的用于所有設(shè)計(jì)都合理的位置建議。普遍認(rèn)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(shè)計(jì)位置，然而進(jìn)氣的位置往往總是由于安裝位置空間和熱力學(xué)的考慮，無(wú)法布置到最為理想的中間位置。所以這時(shí)就需要通過(guò)調(diào)整出一個(gè)合理布局的位置，再將各個(gè)氣道的氣流均衡性通過(guò)CAE的計(jì)算來(lái)調(diào)整到最佳。

4結(jié)論

進(jìn)氣歧管根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車布置的不同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也會(huì)有很大的差異，但其功能性不會(huì)變化。如何根據(jù)變化的布局來(lái)完成其要求的功能性，并在工藝可行性和質(zhì)量控制方面設(shè)計(jì)到最優(yōu)，這往往需要一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和一些生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制方面的知識(shí)。文中所總結(jié)的設(shè)計(jì)原則可以用于一般的設(shè)計(jì)參考，而設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體的情況來(lái)靈活運(yùn)用，才可能達(dá)到更好的效果。

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作者:柴軍 單位:曼胡默爾濾清器（上海）有限公司