发动机塑料进气歧管结构设计及CAE分析
责任编辑:绿豆鲨     时间:2021-07-10     来源:转载于中国知网
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0 引言

近几年,随着汽车保有量的快速增长,排放污染问题越来越受到人们的重视,国家出台的汽车排放法规也越来越严格。为了减少汽车尾气中有害气体的排放,需要提高缸内燃烧效率。优化发动机的进排气系统,将提高进气效率,从而改善燃烧。在进气系统中,进气歧管是重要部件,对发动机的性能有着直接的影响[1-3] 。轻量化设计是汽车技术发展的重要方向之一。塑料因其可塑性强,容易制造出结构复杂的部件,为进排气系统的优化设计奠定基础。本文根据生产实际需要,为达到节能减排的目的,设计了新型的发动机进气歧管结构。由于CFD模拟不能完全代替实际的试验测量[4-5],我们对进气歧管进行了结构和焊接的优化设计,按照流体动力学试验、发动机装配试验和发动机台架试验要求,从而确定最终的模型结构。

1 发动机塑料进气歧管结构设计

1.1 发动机进气歧管的材料选择

与传统的铝合金进气歧管比较,复合塑料进气歧管有很多优点:

1)塑料表面光滑,摩擦阻力小。采用塑料制造的进气歧管,可以提高充气效率[6]。2)塑料的密度低于金属,可以降低质量。而且与铝合金相比,塑料制造的进气歧管厚度还可以减少1.0~1.5 mm。3)塑料可以制造出外型复杂的进气歧管,以满足流体力学的要求。但是,由于发动机工作时处于高温、振动和各种腐蚀的环境,因此需要所选用的塑料材料具有良好的力学性能,且满足耐高温、抗振和抗腐蚀性要求。例如:需要能够承受120 ℃的持续高温,最高温度能够承受到180 ℃,依然能保证其尺寸精度。

为了满足上述要求,本文首选尼龙玻璃纤维增强材料(PA+GF)。这是由于尼龙熔点高、耐高温性能好,在高温情况下抗变形能力强,而且耐腐蚀、成本低廉。但尼龙极易吸水,吸水后强度下降很多,为此,需要采用添加化学剂等的方法来改善其性能。如在PA6基础上增加30%玻纤材料(即 PA6+GF30),可以提高尼龙的抗变能力及抗振强度等。因此采用PA6+GF30制造发动机进气歧管,若不包含插件和密封圈,其质量可以减至2.6 kg,流量系数平均值可以达到0.0835。

1.2 进气歧管的结构设计

塑料进气歧管的三维型腔设计方案,如文献[7]所描述,在压腔上增加了两条导流筋,如图1所示。导流筋可以改进各支管的流通性,使各支管流量均匀,不会形成大的漩涡,因此可以减少气流噪声。气流在通过有效截面时,各管进气的均匀性增强,符合发动机的性能要求。此外,利用计算流体力学分析进排气过程的流场和压力场,可以得到清晰的图片信息和数据,为下一步的设计提供参考[8-9]。设计方案确定后,我们对进气歧管的结构进行设计,图2和图3是设计的进气歧管的全景视图和爆炸视图。

塑料进气歧管(缩写为PIM)结构设计中所需要的明细如表1所示。

2 焊接设计

在塑料进气歧管的结构设计中,在不改变气道结构的前提条件下,歧管的外部结构可以结合生产和装配的要求进行设计。通常的设计思路是将进气歧管分片以满足模具的脱出要求。在分片时需要考虑批量生产的需要,首先需要考虑出模方向,确保产品后期能够方便地脱模;其次需要确定振动焊接面,在确定焊接方向时,尽量保证焊接方向和出模方向一致。

2.1 分片方案

将进气歧管分成A、B、C、D四片,分片方案如图4所示。

2.2 出模方向

进气歧管出模方向如图5~图8所示。

A片油轨支架处需抽芯机构出模;B片与缸盖接触法兰处模具结构比较复杂,采用滑块和抽芯机构实现,侧面需靠滑块出模;C片上下分模加滑块结构;D片节气门法兰处滑块结构出模。

2.3 焊 接 工 艺

分析焊接工艺将影响焊接面的结构。常见的塑料产品焊接工艺有振动摩擦、超声、高频和 热 板 等 。发动机进气歧管工作过程中压力较大,有时还会发生回火,可能会 发 生 局 部 爆裂。为了保证焊接端面具有足够的焊接 强 度 ,需要分析焊接端面的结构设计。由歧管的结构形式和所选用材料的特性,以及对几种焊接形式的比较,该歧管采用振动摩 擦 焊 接 。振动摩擦焊接的断面形状通常有图9所 示 的 几 种形式。

按照该进气歧管的设计要求,为满足内壁光滑无溢料,采用D型焊接形式,该焊接形式在焊接过程中上片横断面比下片横断面每侧宽1 mm,此结构焊接要求所有焊接溢料的方向向下,有足够的溢料空间。因此能够保证焊接外侧和歧管内壁的美观性和光滑性,并且能够保证足够的焊接强度。振动摩擦焊接工艺的顺序如图10所示。先将A片和B片焊接,后将C片放入D片,最终将AB片与CD片焊接。

2.4 密封设计

在进气歧管的装配过程中,需要与节气门及缸盖装配,为保证进气的流畅性和减少气体的流窜,需要保证这两处的密封性能。因此在设计过程中需要考虑到密封圈的结构及进气歧管法兰的处密封槽结构,我们采用T形密封圈结构,密封槽则采用U形结构。

3 CAE分析

进气歧管的CAE分析主要包括爆破压力分析、NVH分析、Moldflow分析三方面。CAE分析在生产过程中运用越早,产品修改的自由度也会增大,CAE可以预测各种产品缺陷,大大减少重复设计次数,减少试验次数,提高产品质量,缩短周期,从而在各个阶段减少企业的生产成本。CAE分析的流程如图11所示。由于我们研发的进气歧管材料采用目前市场上较为成熟的材料PA6+GF30,在分析时需要考虑材料的性能对产品的影响。对于塑料进气歧管,材料的耐温性、密度、热膨胀系数及玻纤所能承受的压力范围都直接影响进气歧管的抗爆破压力。根据上述特点运用ANSYS分析结果如表2所示。

进气歧管设计时一般需要在部分位置增加一定数量的加强筋以巩固相对薄弱的位置,我们的设计方案中在稳压腔外侧增加2条加强筋,从而增加该处的爆破压力值。从表2中可以看出,该结果满足所需的爆破压力要求。现在轿车对噪声控制要求也比较高。发动机进、排气噪声是由于气门周期性开闭而产生的压力波所形成的。由于空气流经气门时的速度很高,在气门截面会形成涡流,从而产生高频噪声。此外还存在气门落座噪声、缸内气流扰动噪声、进排气管振动产生的噪声。为了降低这些噪声,我们设计进排气歧管的一阶频率不低于200 Hz。该进气歧管的NVH分析结果如图12所示。

从图12可以看出,当振动频率达到各阶频率点时,会产生较大的振动,也会发生噪声功率的突变。但由于极值点在不同位置,进排气歧管的振动不会集中于某处,也就是不会集中促使某处产生变形,从而避免了与发动机共振的现象,该进排气歧管的结构设计可以满足实际需要。由于Moldflow分析涉及到生产阶段,因此本文未引入Moldflow分析。在后续的生产中将由工厂内的模具设计工程师进行分析,从而确定模具的结构以及生产中应注意的问题。

4 发动机塑料进气歧管试验验证

采用硅胶模具制作的样件,其强度、精度及耐温性能可以基本达到和正式产品相同的功效。而且硅胶模制作模型时间快、花费少,加工失败概率小。硅胶模样件的试验结果如图13所示。

从图13中可以看出,最大功率为183.4 kW(目标值为180 kW),最大转矩为102.8 N·m(目标值为102 N·m)。从台架试验的数据中得出该设计符合最初的研发目标。

5 结语

本文介绍了塑料进气歧管的材料、总体结构布置方案、制造工艺选择和CAE分析。考虑到成本和性能等综合因素,进气歧管采用了PA6+GF30材料,比传统的铝制进气歧管的质量减轻很多,从而满足了整车的轻量化要求。塑料制造的进排气歧管,由于内壁光滑,降低摩擦阻力,因此可以减少进排气阻力,提高充气效率,改善燃烧。在加工工艺方面,采用了振动摩擦焊接技术,该技术也是目前绝大多数生产厂家的主流技术。进气歧管分成4片焊接型式,具有易于加工、可降低成本的优势。另外,通过对进气歧管的爆破压力、NVH及Moldflow的CAE分析表明,进气歧管满足设计目标要求,提高了发动机的动力性和经济性,使整车的动力性和经济性也有很大的提高。

[参考文献]

[1]田智,耿杰,甄旭东,等.GDI 发动机进气系统的优化分析[J].内燃机与配件,2019(5):45-49.

[2]马勇,南出勇,欧力郡.车用柴油机进气歧管结构优化分析[J].内燃机,2019(1):40-43.

[3]李天鹏,杨良勇,彭来森.基于 CFD 发动机进气歧管内气体流动仿真分析[J].现代车用动力,2016(4):20-22.

[4]闵熳,张亚洲,宋志辉.进气歧管的曲通出气结构对发动机进气流量的研究[J].汽车与新动力,2019(4):70-73.

[5] GAO J,CUNEO G,陈晓峰,等.两气门多缸柴油机进气道和缸内气流数值模拟研究[J].汽车与新动力,2018(5):60-67.

[6]蔡兴玲.基于模态的发动机进气歧管结构布置与优化设计[J].柴油机设计与制造,2018(4):15-19.

[7]李志香,李晓艳.汽车发动机塑料进气歧管三维型腔设计和CFD分析[J].机械设计与制造,2018(10):213-216.

[8]叶建伟,陈小东,蒋文萍.基于 STAR-CCM,发动机进气歧管CFD分析及优化[J].内燃机,2016(1):4-6.

[9]王宏大,王军.某型进气歧管CFD计算仿真[J].内燃机,2011(5):15-16.

转载于:李志香,刘畅.发动机塑料进气歧管结构设计及CAE分析[J].机械工程师,2021(07):17-19+22.                                


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sky  回复 2021-07-13 16:43:16
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Eileen  回复 2021-07-12 00:07:56
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