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研發(fā)設(shè)計(jì)分析能力介紹 塑料進(jìn)氣歧管篇 Sunshine ye page1 page1 項(xiàng)目的意義和必要性 進(jìn)氣歧管是汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的主體部件 進(jìn)氣系統(tǒng)決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率和各缸充氣均勻性 對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有非常大的影響意義 進(jìn)氣歧管是固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋上 是形狀復(fù)雜的中空制品 承受氣缸蓋燃燒室燃料燃燒傳遞的熱和振動(dòng) 自從燃料電噴技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用以來 進(jìn)氣歧管的作用顯得更加重要了 進(jìn)氣歧管內(nèi)的進(jìn)氣流動(dòng)性能對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性 環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性有很大的作用 同時(shí)有超過半數(shù)的電噴系統(tǒng)傳感器都安裝在進(jìn)氣歧管上 如 支架 真空助力 pcv閥 傳感器 碳罐 節(jié)氣門 油軌節(jié)溫體 剎車助力 線束支架 曲軸箱通風(fēng)管等 塑料進(jìn)氣歧管具有以下優(yōu)勢 一 輕量化 目前國內(nèi) 外轎車汽油機(jī)90 都采用塑料進(jìn)氣歧管 塑料進(jìn)氣歧管的重量只是鋁制進(jìn)氣歧管的40 減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量 重量的減輕就意味著能節(jié)省燃油和整車機(jī)動(dòng)性能的提高 page1 二 性能提高 傳統(tǒng)的進(jìn)氣歧管是鑄件 鋁合金材料制成 由于進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)復(fù)雜 一般都采用金屬模砂型鑄造 其表面粗糙 充氣阻力大 質(zhì)量大 由于鋁制進(jìn)氣歧管是由翻沙制成 管道內(nèi)壁有大量小的凸凹面 而這些凸凹面會(huì)使流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣產(chǎn)生紊流現(xiàn)象 引起進(jìn)氣不暢 塑料進(jìn)氣歧管由于是注塑成型 內(nèi)壁十分光滑 對提高進(jìn)氣充量很有幫助 由于塑料進(jìn)氣歧管的導(dǎo)熱性低于鋁進(jìn)氣歧管 使氣體受熱膨脹率降低 提高了氣體的密度 使氣體進(jìn)入燃燒室的溫度降低 這不僅改善了熱起動(dòng)性 還可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和扭矩 三 成本降低 塑料材質(zhì)的產(chǎn)品其成本低于鋁質(zhì)產(chǎn)品 生產(chǎn)方式采用注塑成型 振動(dòng)摩擦焊接的工藝 具有成型工序少 提高生產(chǎn)效率 節(jié)省加工時(shí)間 降低裝配時(shí)間的特點(diǎn) 塑料進(jìn)氣歧管生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率會(huì)比鋁制進(jìn)氣歧管提高 塑料進(jìn)氣歧管與鋁制進(jìn)氣歧管相比 在大批量生產(chǎn)的前提下成本上也具有優(yōu)勢 項(xiàng)目的意義和必要性 page1 四 降低噪聲 這是因?yàn)槟猃?PA 本身具有減振消聲和耐磨性 尼龍 玻璃纖維 PA6 GF 材料有較好的綜合性能 使強(qiáng)度 制品精度 尺寸穩(wěn)定性等有很大地提高 五 設(shè)計(jì)自由度大 產(chǎn)品復(fù)雜 采用分片設(shè)計(jì)制造的塑料進(jìn)氣歧管 六 環(huán)保 塑料進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁光滑 進(jìn)氣流暢 可以使得燃料得以充分燃燒 廢氣的產(chǎn)生可以下降 減少有害廢氣排放 同時(shí)由于生產(chǎn)工藝不同 在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中減少對環(huán)境的污染 另外 塑料廢舊部件能回收再利用 項(xiàng)目的意義和必要性 page1 研發(fā) 制造技術(shù)難題 塑料進(jìn)氣歧管開發(fā)是一個(gè)涉及內(nèi)燃機(jī) 流體力學(xué) 固體力學(xué) 高分子材料 模具 塑料焊接及仿真分析等多學(xué)科相關(guān)的交叉項(xiàng)目 技術(shù)要求高 開發(fā)難度較大 氣道管型設(shè)計(jì) CAE分析 歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 生產(chǎn)工藝匹配等技術(shù)上很大的課題 為了達(dá)到減輕質(zhì)量降低油耗 提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和降低排放等要求 歐洲的汽車商率先采用尼龍制造進(jìn)氣歧管 隨后美國 日本 韓國相繼開發(fā)塑料進(jìn)氣歧管 塑料進(jìn)氣歧管在設(shè)計(jì)和制造上要求非常高 性能要求非常苛刻 目前只有少數(shù)幾個(gè)國家掌握該項(xiàng)技術(shù) 進(jìn)氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中最關(guān)鍵部件 加上國外的技術(shù)封鎖 其設(shè)計(jì) 制造技術(shù)難度很大 CFD計(jì)算很重要 歧管的設(shè)計(jì)流程圖 關(guān)鍵是CFD計(jì)算 合理的穩(wěn)壓腔 管長 管徑來滿足主機(jī)廠要求的功率 扭矩 油耗目標(biāo)值 進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)基本流程 通過CFD計(jì)算 以及經(jīng)驗(yàn)值得到以上相關(guān)的數(shù)據(jù) 結(jié)合實(shí)際機(jī)艙進(jìn)行合理布置 進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)參數(shù) 進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)參數(shù) 主機(jī)廠提供相應(yīng)的邊界 技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行歧管布置設(shè)計(jì) 1 歧管的內(nèi)壁 壁厚 安裝法蘭 油軌孔 支架孔 管接頭等設(shè)計(jì) 2 相關(guān)配合的部件如 密封圈 支架 真空助力管 pcv閥 傳感器 碳罐閥 節(jié)氣門閥體 油軌 線束支架等 進(jìn)氣歧管內(nèi)壁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到塑料進(jìn)氣歧管分片注塑成型 一般分成2 3 4片注塑 焊接組成 1 分片注塑 充分考慮模具出模 注塑工藝等 2 焊接筋設(shè)計(jì) 確定合適壓力角 焊接深度 筋的配合等 從而保證產(chǎn)品的強(qiáng)度 3 歧管的相應(yīng)部件設(shè)計(jì) 密封圈 襯套 銅螺母 支架 螺栓等 進(jìn)氣歧管分片設(shè)計(jì) 進(jìn)氣歧管開發(fā)流程 塑料進(jìn)氣歧管原型設(shè)計(jì) 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性要求計(jì)算進(jìn)氣歧管的穩(wěn)壓腔容積 各歧管截面 長度 曲率等 塑料進(jìn)氣歧管三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)空間和傳感器 執(zhí)行器 節(jié)氣門及各配合面邊界條件設(shè)計(jì)塑料進(jìn)氣歧管三維結(jié)構(gòu) 一維流動(dòng)計(jì)算 利用AVL BOOST一維發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能模擬軟件對所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行模擬 并在此基礎(chǔ)上對3D模型進(jìn)行優(yōu)化 修改 圖5 AVL BOOST模擬結(jié)果 n 3000rpm 節(jié)氣門全開 三維流動(dòng)計(jì)算 利用AVL FIRE或STAR CD三維流體動(dòng)力學(xué)軟件對進(jìn)氣歧管的內(nèi)部流場分布進(jìn)行模擬 以分析其壓力場 速度場及阻力損失等 從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷并指導(dǎo)三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 優(yōu)化 修改工作 邊界條件 1 氣道進(jìn)口邊界條件為壓力邊界條件類型 指定進(jìn)口的壓力為1個(gè)大氣壓 2 4個(gè)排氣口的邊界條件按給定的流出速度給出 速度方向垂直排氣口表面向外 三維結(jié)構(gòu)分析 對三維模型施加各種載荷后 利用ANSYS有限元軟件分析進(jìn)氣歧管強(qiáng)度和變形 并指導(dǎo)改進(jìn)3D模型 制作快速成型 FDM 樣件驗(yàn)證 根據(jù)修改后的3D模型 用FDM制作進(jìn)氣歧管樣件 裝在樣機(jī)上確定空間安裝布置是否合理 而后安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行氣道試驗(yàn)及性能試驗(yàn) 在震動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn) 由FDM樣件測試結(jié)果確定設(shè)計(jì)方案的正確性及工藝合理性 快速成型技術(shù) RapidPrototypingTechnology 是集成機(jī)械 電子 計(jì)算機(jī) 光學(xué) 新材料的一種新型先進(jìn)制造技術(shù) 與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)相比 它是通過逐層增加材料來制造零件的 根據(jù)成型工藝的不同 可分為光固化快速成型 SLA 熔融沉積成型 FDM 三維立體印刷 3DP 選擇性激光燒結(jié) SLS 分層實(shí)體制造 LOM 等 其制造原理都是采用分層累積成型的制造方式 其中每一層的加工都是根據(jù)三維CAD模型切片后得到的截面輪廓數(shù)據(jù)形成加工軌跡 而快速成型系統(tǒng)加工時(shí)一般把STL文件作為輸入接口 STL文件是用許多空間的小三角面片對CAD模型的逼近 其切片之后截面輪廓為一系列順序連接的線段所組成的封閉的多邊形 數(shù)據(jù)量很大 同時(shí)又要求快速 準(zhǔn)確 自動(dòng)進(jìn)行 選區(qū)燒結(jié)法 SLS 材質(zhì)有石蠟 塑料 尼龍 陶瓷 包覆金屬和裸金屬等 均為粉末狀態(tài) 用50 100W的CO2激光器作燒結(jié)工具 激光束作二維選區(qū)掃描 使粉末 燒結(jié) 成型 機(jī)床須具備送粉 鋪粉 刮平及預(yù)熱等功能 這種方法價(jià)格便宜 精度較高 0 1mm 可直接代替木模制砂型 注塑模具設(shè)計(jì)制作 FDM樣件試驗(yàn)合格后 根據(jù)3D數(shù)模開塑料模 試制塑料進(jìn)氣歧管各分片 用粘接方法制作塑料進(jìn)氣歧管樣品 進(jìn)行氣道流動(dòng)試驗(yàn) 發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn) 強(qiáng)化試驗(yàn)及檢驗(yàn)試驗(yàn)等摩擦焊夾具制造調(diào)試設(shè)計(jì)制造摩擦焊夾具 并安裝調(diào)試 注塑機(jī) HT2500注塑成型機(jī) 注塑成型過程仿真 采用CAE技術(shù) 可以完全代替試模 可以在模具加工前 在計(jì)算機(jī)上對整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析 準(zhǔn)確預(yù)測熔體的填充 保壓 冷卻情況 以及制品中的應(yīng)力分布 分子和纖維取向分布 制品的收縮和翹曲變形等情況 有效地防止問題發(fā)生 大大縮短了開發(fā)周期 降低生產(chǎn)成本 圖1 軌道式摩擦焊機(jī)圖2 熱板式焊機(jī)圖3 線性振動(dòng)摩擦焊機(jī) 超聲波焊接原理 振動(dòng)焊接原理 圖1 超聲波焊機(jī)圖2 軌道式振動(dòng)摩擦焊機(jī)圖3 線性振動(dòng)摩擦焊機(jī) 塑料進(jìn)氣歧管工裝樣品試生產(chǎn) 生產(chǎn)出來的塑料進(jìn)氣歧管從外觀上看無缺陷即無雜質(zhì) 裂紋 彎曲 收縮 焊瘤等 外表平滑 厚度均勻 肉眼看不見明顯的浮面層 產(chǎn)品測試認(rèn)證 產(chǎn)品強(qiáng)度試驗(yàn) 振動(dòng)試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn) 冷熱沖擊試驗(yàn) 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn) 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn) 熱震試驗(yàn) 熱震試驗(yàn)即溫度交變試驗(yàn) 即使試件在高低溫下交替循環(huán)5次后 自然冷卻至室溫 低溫沖擊試驗(yàn) 將塑料進(jìn)氣歧管置于 40 低溫箱5h后 使一個(gè)質(zhì)量500g的鋼球從1 2m的高處落到進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓箱頂部中央 檢查進(jìn)氣歧管是否有裂紋及變形 氣密性檢查 在一定的壓力下 檢查水道及氣道是否有泄漏 震動(dòng)實(shí)驗(yàn) 將試件放在震動(dòng)激勵(lì)器上 按一定的規(guī)律進(jìn)行震動(dòng)試驗(yàn) 噪聲測試 整車試驗(yàn) 整車排放試驗(yàn) 整車噪聲試驗(yàn) 整車高溫試驗(yàn) 整車高原試驗(yàn) 整車低溫試驗(yàn) page1 進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)分析過程 在新產(chǎn)品開發(fā)過程中 我們注重分析 設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合的研發(fā)手段 在開發(fā)初期我們通過CAE分析軟件 預(yù)測產(chǎn)品的性能 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工藝性 主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)分析 page1 進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)分析過程 page1 進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)分析過程 page1 進(jìn)氣歧管快速成型件 目的 在設(shè)計(jì)基本結(jié)束 未正式開模之前 需要通過快速成型件來驗(yàn)證設(shè)計(jì) 包括外觀 裝配 性能等等 快速成型件制作 1 CNC分片加工方式 高溫膠水黏貼 螺栓固定或包裹等等 2 翻硅膠模方式 3 激光燒結(jié)方式 4 激光堆積方式材料 ABS PA6 GF5 當(dāng)快速成型件驗(yàn)證后 達(dá)不到目標(biāo)值 此時(shí)需要返回進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 達(dá)到目標(biāo)值后 正式加工模具 試模后的產(chǎn)品進(jìn)行樣件的驗(yàn)證 以及發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)試驗(yàn) 以及歧管本身的試驗(yàn)進(jìn)行開展 通過后進(jìn)行交樣 產(chǎn)品開發(fā)中期 通過合理的實(shí)驗(yàn)手段 進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 性能參數(shù) 主要進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn) 進(jìn)氣歧管試驗(yàn) 氣密試驗(yàn)機(jī)AirLeakTestMachine 大型氣候交變試驗(yàn)機(jī)LargeClimateAlternateTestMachine 高溫試驗(yàn)箱Hightemperaturemachine 三坐標(biāo)測量儀Three coordinatesmeasuringmachine 拉力試驗(yàn)機(jī)Tensiontester 三功能爆破試驗(yàn)機(jī)Triple functionbursttestequipment 鹽霧實(shí)驗(yàn)Salt fogexperiment 全浸油密封性實(shí)驗(yàn)Triple functionbursttestequipment 進(jìn)氣歧管試驗(yàn)驗(yàn)證 部分照片