塑料进气歧管开发介绍

1、/63汽车工程研究院 .研发设计分析能力介绍（塑料进气歧管篇）Sunshine_ye/63汽车工程研究院 .page1/63汽车工程研究院 .page1进气歧管是汽油机进气系统的主体部件，进气系统决定着发动机的进气效率和各缸充气均匀性，对发动机性能有非常大的影响意义；进气歧管是固定在发动机的气缸盖上，是形状复杂的中空制品，承受气缸盖燃烧室燃料燃烧传递的热和振动；自从燃料电喷技术在发动机上应用以来，进气歧管的作用显得更加重要了；进气歧管内的进气流动性能对发动机的动力性、环保性和经济性有很大的作用；同时有超过半数的电喷系统传感器都安装在进气歧管上。 如：支架、真空助力、pcv阀、传感器、碳罐、节气

2、门、油轨节温体、刹车助力、线束支架、曲轴箱通风管等。 塑料进气歧管具有以下优势： 一、轻量化： 目前国内、外轿车汽油机90%都采用塑料进气歧管，塑料进气歧管的重量只是铝制进气歧管的40%，减轻了发动机整体重量；重量的减轻就意味着能节省燃油和整车机动性能的提高。/63汽车工程研究院 .page1 二、性能提高： 传统的进气歧管是铸件，铝合金材料制成，由于进气歧管结构 复杂，一般都采用金属模砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大 、质 量大，由于铝制进气歧管是由翻沙制成，管道内壁有大量小的凸凹 面，而这些凸凹面会使流进发动机的空气产生紊流现象，引起进气 不畅；塑料进气歧管由于是注塑成型，内壁十分光滑，对

3、提高进气 充量很有帮助，由于塑料进气歧管的导热性低于铝进气歧管，使气 体受热膨胀率降低，提高了气体的密度，使气体进入燃烧室的温度 降低，这不仅改善了热起动性，还可以提高发动机的效率和扭矩。 三、成本降低： 塑料材质的产品其成本低于铝质产品，生产方式采用注塑成 型、振动摩 擦焊接的工艺，具有成型工序少、提高生产效率、 节省加工时间、降低装配时间的特点；塑料进气歧管生产效率和 产品合格率会比铝制进气歧管提高，塑料进气歧管与铝制进气 歧管相比，在大批量生产的前提下成本上也具有优势。 /63汽车工程研究院 .page1 四、降低噪声： 这是因为尼龙（PA）本身具有减振消声和耐磨性;尼 龙*玻璃纤维（P

4、A6+GF）材料有较好的综合性能，使强度、 制品精度、尺寸稳定性等有很大地提高. 五、设计自由度大： 产品复杂，采用分片设计制造的塑料进气歧管。 六、环保： 塑料进气歧管的内壁光滑、进气流畅，可以使得燃料得以充分燃烧，废气的产生可以下降，减少有害废气排放；同时由于生产工艺不同，在产品生产过程中减少对环境的污染;另外:塑料废旧部件能回收再利用。/63汽车工程研究院 .page1 研发、制造技术难题： 塑料进气歧管开发是一个涉及内燃机、流体力学、固体力学、高分子材料、模具、塑料焊接及仿真分析等多学科相关的交叉项目，技术要求高，开发难度较大。气道管型设计、CAE分析、歧管结构设计、生产工艺匹配等技术

5、上很大的课题。为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国相继开发塑料进气歧管；塑料进气歧管在设计和制造上要求非常高，性能要求非常苛刻，目前只有少数几个国家掌握该项技术。进气歧管作为发动机当中最关键部件，加上国外的技术封锁，其设计、制造技术难度很大。/63汽车工程研究院 .CFD计算很重要歧管的设计流程图，关键是CFD计算，合理的稳压腔、管长、管径来满足主机厂要求的功率、扭矩、油耗目标值；/63汽车工程研究院 .通过CFD计算，以及经验值得到以上相关的数据，结合实际机舱进行合理布置。进气歧管设计参数/63汽车工程研究院 .

6、主机厂提供相应的边界，技术参数，设计工程师进行歧管布置设计；主机厂提供相应的边界，技术参数，设计工程师进行歧管布置设计；1.歧管的内壁、壁厚、安装法兰、油轨孔、支架孔、管接头等设计；歧管的内壁、壁厚、安装法兰、油轨孔、支架孔、管接头等设计；2.相关配合的部件如：密封圈、支架、真空助力管、相关配合的部件如：密封圈、支架、真空助力管、pcv阀、传感器、碳阀、传感器、碳罐阀、节气门阀体、油轨，线束支架等；罐阀、节气门阀体、油轨，线束支架等；/63汽车工程研究院 .考虑到塑料进气歧管分片注塑成型，一般分成考虑到塑料进气歧管分片注塑成型，一般分成2、3、4片注塑，焊接组成片注塑，焊接组成；1.分片注塑，

7、充分考虑模具出模，注塑工艺等；分片注塑，充分考虑模具出模，注塑工艺等；2.焊接筋设计，确定合适压力角、焊接深度、筋的配合等，从而保证产品焊接筋设计，确定合适压力角、焊接深度、筋的配合等，从而保证产品的强度。的强度。3.歧管的相应部件设计：密封圈、衬套、铜螺母、支架、螺栓等。歧管的相应部件设计：密封圈、衬套、铜螺母、支架、螺栓等。/63汽车工程研究院 .进气歧管开发流程进气歧管开发流程 /63汽车工程研究院 .塑料进气歧管原型设计塑料进气歧管原型设计v根据发动机的动力性要求计算进气歧管的稳压根据发动机的动力性要求计算进气歧管的稳压腔容积、各歧管截面、长度、曲率等腔容积、各歧管截面、长度、曲率等塑

8、料进气歧管三维结构设计塑料进气歧管三维结构设计根据发动机进气歧管结构空间和传感器、执行器、根据发动机进气歧管结构空间和传感器、执行器、节气门及各配合面边界条件设计塑料进气歧管三维节气门及各配合面边界条件设计塑料进气歧管三维结构结构/63汽车工程研究院 ./63汽车工程研究院 .一维流动计算一维流动计算 v 利用利用AVL-BOOSTAVL-BOOST一维发动机整一维发动机整体性能模拟软体性能模拟软件对所设计的件对所设计的发动机进气歧发动机进气歧管进行模拟，管进行模拟，并在此基础上并在此基础上对对3D3D模型进行模型进行优化，修改优化，修改/63汽车工程研究院 .图图5.AVL-BOOST模拟结

9、果（模拟结果（n=3000rpm,节气门全开）节气门全开） /63汽车工程研究院 .三维流动计算三维流动计算 v 利用利用AVL-FIREAVL-FIRE或或STAR-CDSTAR-CD三维流三维流体动力学软件对体动力学软件对进气歧管的内部进气歧管的内部流场分布进行模流场分布进行模拟，以分析其压拟，以分析其压力场、速度场及力场、速度场及阻力损失等，从阻力损失等，从而发现结构设计而发现结构设计缺陷并指导三维缺陷并指导三维结构的设计、优结构的设计、优化、修改工作化、修改工作 /63汽车工程研究院 .边界条件：边界条件：（1 1）气道进口边界条件为压力边界条件类型，指）气道进口边界条件为压力边界条件

10、类型，指 定进口的压力为定进口的压力为1 1个大气压。个大气压。（2 2）4 4个排气口的边界条件按给定的流出速度给出，个排气口的边界条件按给定的流出速度给出， 速度方向垂直排气口表面向外。速度方向垂直排气口表面向外。 Port1Port2Port3Port4Inlet/63汽车工程研究院 ./63汽车工程研究院 ./63汽车工程研究院 ./63汽车工程研究院 .三维结构分析三维结构分析 v 对三维模型施对三维模型施加各种载荷后加各种载荷后，利用，利用ANSYSANSYS有有限元软件分析限元软件分析进气歧管强度进气歧管强度和变形，并指和变形，并指导改进导改进3D3D模型模型 /63汽车工程研究

11、院 ./63汽车工程研究院 .制作快速成型（制作快速成型（FDMFDM）样件验证）样件验证 v 根据修改后的根据修改后的3D 3D 模型模型, ,用用FDMFDM制作进气歧管样制作进气歧管样件，装在样机上确定空件，装在样机上确定空间安装布置是否合理，间安装布置是否合理，而后安装在发动机缸盖而后安装在发动机缸盖及发动机上进行气道试及发动机上进行气道试验及性能试验，在震动验及性能试验，在震动试验台上进行应力应变试验台上进行应力应变试验。由试验。由FDMFDM样件测试样件测试结果确定设计方案的正结果确定设计方案的正确性及工艺合理性确性及工艺合理性/63汽车工程研究院 .v 快速成型技术（快速成型技术

12、（RapidRapid PrototypingPrototyping TechnologyTechnology）是集成机械、电子、计算机、光学、新材料的）是集成机械、电子、计算机、光学、新材料的一种新型先进制造技术，与传统的去除材料加工一种新型先进制造技术，与传统的去除材料加工技术相比，它是通过逐层增加材料来制造零件的技术相比，它是通过逐层增加材料来制造零件的。根据成型工艺的不同，可分为光固化快速成型。根据成型工艺的不同，可分为光固化快速成型（SLASLA），熔融沉积成型（），熔融沉积成型（FDMFDM），三维立体印刷），三维立体印刷（3DP3DP），选择性激光烧结（），选择性激光烧结（SLS

13、SLS），分层实体制），分层实体制造（造（LOMLOM）等。其制造原理都是采用分层累积成型）等。其制造原理都是采用分层累积成型的制造方式，其中每一层的加工都是根据三维的制造方式，其中每一层的加工都是根据三维CADCAD模型切片后得到的截面轮廓数据形成加工轨迹，模型切片后得到的截面轮廓数据形成加工轨迹，而快速成型系统加工时一般把而快速成型系统加工时一般把STLSTL文件作为输入接文件作为输入接口，口，STLSTL文件是用许多空间的小三角面片对文件是用许多空间的小三角面片对CADCAD模模型的逼近，其切片之后截面轮廓为一系列顺序连型的逼近，其切片之后截面轮廓为一系列顺序连接的线段所组成的封闭的多边

14、形，数据量很大，接的线段所组成的封闭的多边形，数据量很大，同时又要求快速、准确、自动进行。同时又要求快速、准确、自动进行。 /63汽车工程研究院 .选区烧结法选区烧结法(SLS):(SLS):材质有石蜡、塑材质有石蜡、塑料、尼龙、陶瓷、包覆金属和裸金属料、尼龙、陶瓷、包覆金属和裸金属等，均为粉末状态。用等，均为粉末状态。用5050100W100W的的CO2CO2激光器作烧结工具，激光束作二维激光器作烧结工具，激光束作二维选区扫描，使粉末选区扫描，使粉末“烧结烧结”成型。机成型。机床须具备送粉、铺粉、刮平及预热等床须具备送粉、铺粉、刮平及预热等功能。这种方法价格便宜，精度较高功能。这种方法价格便

15、宜，精度较高( (0.1mm)0.1mm)，可直接代替木模制砂型。，可直接代替木模制砂型。 /63汽车工程研究院 .注注塑塑模模具具设设计计制制作作 vFDMFDM样件试验合格后，根据样件试验合格后，根据3D3D数模开塑料模数模开塑料模，试制塑料进气歧管各分片，用粘接方法制，试制塑料进气歧管各分片，用粘接方法制作塑料进气歧管样品；进行气道流动试验、作塑料进气歧管样品；进行气道流动试验、发动机性能试验、强化试验及检验试验等发动机性能试验、强化试验及检验试验等摩擦焊夹具制造调试摩擦焊夹具制造调试v设计制造摩擦焊夹具，并安装调试设计制造摩擦焊夹具，并安装调试 /63汽车工程研究院 .注注塑塑机机 H

16、T2500注塑成型机注塑成型机/63汽车工程研究院 .注塑成型过程仿真注塑成型过程仿真 采用采用CAECAE技术，可以完技术，可以完全代替试模，可以在模具全代替试模，可以在模具加工前，在计算机上对整加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况的收缩和翘曲变形等情况，有效地防止问题发生，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降大大缩短了开发周期，降低生产成本。低生产成本。 /6

17、3汽车工程研究院 .图图1.轨道式摩擦焊机轨道式摩擦焊机 图图2.热板式焊机热板式焊机 图图3.线性振线性振动摩擦焊机动摩擦焊机/63汽车工程研究院 .超声波焊接原理：超声波焊接原理：/63汽车工程研究院 .振动焊接原理：振动焊接原理：/63汽车工程研究院 .图图1.1.超声波焊机超声波焊机图图2.2.轨道式振动摩擦焊机轨道式振动摩擦焊机图图3.3.线性振动摩擦焊机线性振动摩擦焊机/63汽车工程研究院 ./63汽车工程研究院 .塑塑料料进进气气歧歧管管工工装装样样品品试试生生产产 v生产出来的塑料生产出来的塑料进气歧管从外观进气歧管从外观上看无缺陷即无上看无缺陷即无杂质、裂纹、弯杂质、裂纹、弯

18、曲、收缩、焊瘤曲、收缩、焊瘤等，外表平滑，等，外表平滑，厚度均匀，肉眼厚度均匀，肉眼看不见明显的浮看不见明显的浮面层面层/63汽车工程研究院 .产产品品测测试试认认证证 v产品强度试验、产品强度试验、振动试验、冲击振动试验、冲击试验、冷热冲击试验、冷热冲击试验、发动机台试验、发动机台架性能试验、发架性能试验、发动机台架耐久试动机台架耐久试验验 /63汽车工程研究院 .热热震震试试验验： 热震试验即温度交变试验，即使试件在高低温热震试验即温度交变试验，即使试件在高低温下交替循环下交替循环5 5次后，自然冷却至室温。次后，自然冷却至室温。/63汽车工程研究院 .低温冲击试验：低温冲击试验： 将塑料

19、进气歧管置于将塑料进气歧管置于-40-40低温箱低温箱5h5h后，使一后，使一个质量个质量500g500g的钢球从的钢球从1.2m1.2m的高处落到进气歧管稳压的高处落到进气歧管稳压箱顶部中央。检查进气歧管是否有裂纹及变形。箱顶部中央。检查进气歧管是否有裂纹及变形。 在一定的压力下，检查水道及气道是否有泄漏。在一定的压力下，检查水道及气道是否有泄漏。/63汽车工程研究院 .震动实验：震动实验： 将试件放在震动激励器上，按一定的规律进行震动试验。将试件放在震动激励器上，按一定的规律进行震动试验。/63汽车工程研究院 .噪声测试噪声测试：/63汽车工程研究院 .整车试验整车试验 v整车排放试验、整

20、整车排放试验、整车噪声试验、整车车噪声试验、整车高温试验，整车高高温试验，整车高原试验，整车低温原试验，整车低温试验试验/63汽车工程研究院 .page1 在新产品开发过程中，我们注重分析、设计、实验相互结合的研发手段，在开发初期我们通过CAE分析软件，预测产品的性能、结构强度和工艺性；主要进行以下几项分析：序号(NO）名称 ( analysis)图片(graph)用途(purpose)1一维性能仿真分析 计算进气歧管的轴线长度、稳压腔体积，得到歧管瞬态入口压力和流量，为三维瞬态CFD分析提高参数。2CFD分析 优化进气歧管的轴线走向、管截面、稳压腔形状，判断并优化各管流量均匀性，降低局部位置

21、的压力损失；同时可分析罩盖油气分离效率。/63汽车工程研究院 .page1序号名称(Analysis)图片(Graph)用途(Purpose)3模态分析 分析与发动机其它部件装配后不同温度下的各阶模态自然频率,结构强度，分析产品的各阶模态，通过优化产品结构避开发动机常速共振响应点；以期发现模态行为,按照要求修改第一次模态频率,发现结构振动临界状态,确定在临界区域的应力,提出优化方案；4歧管爆破性能分析 使用焊接强度经验参数，分析歧管在一定内压下能够承受的最大爆破压力值，外壳面及焊缝处峰值应力分布及大小，耐压水平判断，通过改善结构刚度，提高耐压水准；5 焊接断面分析 分析歧管或罩盖焊接筋设计的合

22、理性，分析焊接溢料空间是否足够，是否满足稳定的工艺性。/63汽车工程研究院 .page1序号名称(Analysis)图片(Graph)用途(Purpose)6噪音分析 分析歧管自身气流波动，不同频率下的表面速度和噪声辐射类型,噪音功率,声场分布, 可能产生的噪音以及对外部噪音辐射的响应，为优化产品结构提高参考；7密封结构分析 分析罩盖密封结构设计的合理性，分析密封圈的压缩强度是否在设定范围，以及密封圈反作用力对罩盖的影响,法兰蠕变、热应力分析；8模流分析 分析产品模具结构设计的合理性，模流分析/冷却分析/纤维取向和翘曲分析/浇口设计/流道平衡、提出优化方案，改善设计； 通过分析结果,提出优化方

23、案，改善设计、降低注塑产品的变形量，判断注塑工艺带是否狭窄；/63汽车工程研究院 .page1 目的：在设计基本结束，未正式开模之前，需要通过快速成型件来目的：在设计基本结束，未正式开模之前，需要通过快速成型件来验证设计，包括外观、装配、性能等等；验证设计，包括外观、装配、性能等等； 快速成型件制作：快速成型件制作：1.CNC1.CNC分片加工方式，高温胶水黏贴，螺栓固定或包裹等等；分片加工方式，高温胶水黏贴，螺栓固定或包裹等等；2.2.翻硅胶模方式翻硅胶模方式；3.3.激光烧结方式激光烧结方式；4.4.激光堆积方式激光堆积方式材料：材料：ABSABS、PA6+GF5%PA6+GF5%。 当快

24、速成型件验证后，达不到目当快速成型件验证后，达不到目标值，此时需要返回进行优化设计；标值，此时需要返回进行优化设计；达到目标值后，正式加工模具；试模达到目标值后，正式加工模具；试模后的产品进行样件的验证，以及发动后的产品进行样件的验证，以及发动机的相关试验，以及歧管本身的试验机的相关试验，以及歧管本身的试验进行开展，通过后进行交样；进行开展，通过后进行交样；/63汽车工程研究院 .v产品开发中期，通过合理的实验手段，进一步验证产品的结构强度、性能参数，主要进行以下实验：序号（ NO ） 试验名称（Test）1 热老化试验 （Thermal aging test ） 2 交变试验（ High and low temperature alternate test ）