塑料进气歧管设计与工艺考虑

摘要：塑料进气歧管以其较轻的重量、较低的材料和制造成本等材料优势，及其内壁光滑、空气阻力小、声学优势明显的特性被广泛应用于发动机上替代铝制气管，而且在发动机性能提升和改善发动机排放方面也有很好的帮助。本文将提供一些设计的原则供在设计时参考，所讲述的经验是通过以往的设计经验和实际的生产总结得到。如果设计时能参考这些关键的设计原则，将帮助我们在设计上少走一些不必要的弯路。

关键词：进气歧管；设计；工艺

随着汽车行业的发展，塑料进气歧管也在逐步的向高性能、低成本、轻量化、高可靠性和高集成性发展。我们在设计进气歧管过程中，不但要把握设计的要点，而且在前期应该充分的考虑制造工艺。制造工艺设计的合理性不仅影响进气歧管的性能、发动机的排放，而且对进气歧管的制造成本和后续质量控制也尤为重要。本文将从歧管结构及要点引入探讨歧管在设计中如何考虑工艺来优化设计。

1进气歧管的功能和主要组件

1.1进气歧管的功能。进气歧管作为发动机的主要部件，其功能在于将从节气门阀体引入的干净空气，以最小的流量损失尽可能均匀的分配到发动机的各个引擎进气门，在此过程中，所有工况下的空气可以被监测（包括质量，温度和压力）。之所以称为歧管，是因为空气进入节气门后，经过歧管缓冲暂存后，空气通过气道在此分流。进气歧管除了此主要功能外还有辅助集成的功能：①进气歧管由于节气门阀体的开度变化而产生不同的真空度，压力传感器根据不同的真空度将信号传送给ECU判定发动机的负荷，而给予适量的喷油；②支持多样的安装部件的支持；③为活性碳过滤器、废气再循环（EGR）、曲轴箱通风等系统提供气体和蒸汽的接入点；④歧管真空不仅可用来供给判定发动机负荷的压力讯号，还可以辅助提供刹车系统需要的真空，所以当引擎发动后刹车踏板会轻盈许多。1.2进气歧管的主要组成。进气歧管组件主要由进气段、稳压腔、气道和安装法兰组成，通过合理的布局和连接，将以上组件融合形成一个塑料壳体，该壳体可以通过分片并设计需要焊接筋的法兰来焊接组合制造出来，也可以通过熔芯法而不需要设计其它辅助结构来形成。由于现阶段的塑料进气歧管大多采用分片振动摩擦焊接的方式来制造，所以接下来将对分片后通过振动焊接生产歧管的工艺设计和注意要点进行讨论。一个完整的进气歧管组件，除了通过塑料壳体来分配干净空气外还需要其它设计来辅助完成其它功能性，其中的包括安装辅助零件（冷插衬套、热插螺母和螺钉等）、密封辅助零件（对应位置需要的密封圈）、辅助其它系统的接通通道（真空助力管接头、活性炭过滤器接头、曲轴箱通风接头、油轨喷射口和EGR接入口等）和其它辅助安装台阶（支架安装凸台、油轨安装凸台、传感器安装凸台和线束卡夹安装凸台等）。

2设计原则

2.1壁厚。在塑料进气歧管的设计过程中，常常反复的工作是出现在产品简洁优化方面，而影响这一设计的重点在于壁厚设计。以下为壁厚对歧管的影响：①歧管的重量；②在模具中的流动长度；③总成件生产周期；④安装位置的公差；⑤气道的表面质量；⑥稳压腔、气道的成型和变形；⑦歧管的刚性。最理想的壁厚分布无疑是切面各部厚度一致，但为满足功能上的需求壁厚有所改变是无可避免的。增加壁厚可以很大程度上提升产品薄弱点的机械性能，但这样会使得产品的设计壁厚不均匀。变化的壁厚会导致不同程度的收缩，可能导致巨大的变形并影响产品尺寸的稳定性，厚胶位所需冷却周期也相对较长，在注塑过程中需要增加产品模内的冷却时间来保证产品的形状、尺寸和避免产品烂胶。所以需要在厚壁不均匀的地方挖成空心，并在挖去料位的区域填补等效的加强筋达到相同壁厚的效果，以实现均匀的壁厚。在设计歧管壁厚时，一般先将进气歧管的壁厚设计成客户允许的最薄厚度，然后通过逐步设计来优化歧管的刚度，并运用CAE来仿真更改后的效果，根据仿真结果进行逐步的完善。2.2脱模斜度。产品脱模斜度的大小，与材料的收缩率、塑件壁厚、表面皮纹、几何形状等因素有关。具体的脱模斜度设计要点如下：①产品局部尺寸精度要求越高，脱模斜度设计应该越小；②产品上形状复杂不宜脱模的位置，应该在对应的位置设计较大的脱模斜度；③产品选用的材料收缩率较大时，产品的整体脱模的斜度也应该适当加大；④产品存在局部壁厚较大时，应该在胶位较厚的地方放大其脱模斜度，避免产品脱模时将未完全冷却的厚胶位拉烂；⑤如果产品的设计导致脱模距离较大时，应对相应的脱模位置采用较小的脱模斜度设计；⑥如果产品外观有皮纹要求时，脱模斜度应该根据皮纹样式的深度和复杂程度进行对应的放大来帮助产品脱模，防止产品皮纹的拉伤。2.3加强筋。为在增加产品刚性需要时，可以参照以下顺序和方法对产品进行优化：①优先将产品的受力面设计成有一定的弧度来增强受力；②在产品外部设计加强筋进行加强，设计时需要检查添加的加强筋是否满足客户的边界要求，避免超出边界；③对产品薄弱点进行局部增加厚度，并在内部取芯后布置等效的加强筋来改善产品设计的工艺性；④增加材料强度（选用刚性较好的材料）。在一个设计中，如果产品的刚性不够，首先应该考虑将受力表面设计成曲面来进行改善；优化后的歧管如果还不能满足刚性要求时，应该引入加强筋来帮助增加刚度；通过增加局部壁厚来进一步增加产品的局部刚性；最后还可以通过更改材料来增加产品的刚度。产品刚性的增加和加强筋的数量呈正比。最佳的加强筋设计不但可以提高产品的刚性，而且对生产稳定性、产品的变形、产品外观等都有很好的帮助。局部增加产品需要对加厚的壁厚做妥善的过渡处理，并尽量取芯，所以局部增加产品的壁厚在歧管设计上多用于非气体流动接触面。更改产品材料对产品的成本影响比较大，必须谨慎。2.4成本效益设计。进气歧管的成本与设计者有很大的关系，这是因为设计者做出的所有决定都将影响进气歧管模具的成本、组装的成本、产品的重量、质量控制的难以程度等。2.4.1材料特性对成本的影响。许多成本节约可以通过合理利用材料的某些特性来实现：①运用塑胶的易成型特性，可以在歧管本体上进行多功能集成设计，这样可以有利于减少部件的多样性，如为线束、油管等部件设计安装和固定结构；②运用塑胶的易焊接性，通过廉价的组装技术替代复杂的模具结构，降低模具的制造难度和制造成本，如卡扣链接、焊接接头、铆接等；③利用某些特殊塑胶材料的自润性来替代需要额外的或后续的润滑的机构，如设计特殊材料的轴承来支撑转动轴；④通过适当的表面处理来改善材料的耐化学腐蚀性、绝缘性和隔热性，如采用普通金属件成型并电镀耐腐蚀层来替代昂贵材料。2.4.2产品设计对过程成本的影响。运用合理的方法优化产品设计，可以更大可能的实现过程成本上的降低和更廉价的质量控制成本。①壁厚：优化壁厚的分布不仅可以降低材料成本，而且可以缩短生产周期；②模具：合理设计模具的模穴数，可以有效的减少模具的数量和模具加工工作量；③公差：过高的公差要求会增加产品的报废率和质量控制的成本，公差定义时可参照GB\T14486进行标注；④材料：通过选择快速凝固的材料来减少产品的冷却周期。

3基本体的设计

在塑料进气歧管的设计工作开始前，要做好充分的准备才可以开始真正的进行设计工作，这样可以尽量减少后期设计的更改量。在设计工作开始前，需要客户提供并确认以下要求：①允许进气歧管设计的空间区域需要明确；②客户需要提供周边部件的边界数据并提供允许的最小安全距离；③明确进气歧管稳压腔的设计体积及允许的公差；④明确进气歧管气道的理论设计长度；⑤明确气道的横截面积要求。3.1气道设计。进气歧管的气道横截面通常会被指定直径，由于圆形管通常不能适用于实际的设计空间，而且对于模具的脱模设计也有很大的局限性，所以客户提供的直径需要转换成等价的直径。通常用水力直径公式来进行转换：D水力=4×横截面面积截面周长在设计过程中首先设计出气道的中心线来检查气道的长度是否符合客户提出的理论要求。然后依据中心线设计气道的截面（最好采用侧视图和顶视图截面相交的方式设计，这样便于出模设计）。设计过程中要检查气道是否符合客户的空间要求、气道和气道之间的空间是否足够布置焊接筋、是否影响气管的安装空间等。调整的过程是非常耗时的，因为需要不停的检查边界和调整气道参数，还要考虑模具的脱模等对气管的影响。3.2压力损失。首先，由于空气流动方向的改变就会产生压力损失。在进气歧管中，由于进气歧管对空气的定向和导流的变化，使得空气的压力损失不可避免的在流经整个进气歧管的过程中产生，所以设计时需要在确保设计可行性的基础上尽可能增大气道的转弯半径。其次，在空气流经截面中的过度是影响进气歧管压力损失的另外一个重要因素，所以从节气门阀体入口到稳压腔的过渡区和由稳压腔流入到其它气道的过渡区的这些区域必须尽可能的设计为平滑过渡。合理的运用这一压力损失变化特性，可以调节各个气道的进气均匀性。第三，空气流经的区域如果存在尖锐边缘，在空气高速流经尖锐边时便会产生啸叫。所以设计时必须保证在气体流动的区域内没有尖锐的边缘，这在进气歧管的进气口和出气口特别重要。该设计必须保证不会由于在任何方向上的安装公差使进气歧管和安装部件产生尖锐的边。3.3进气口位置进气口的位置对于所有的进气歧管来说，没有一个绝对的用于所有设计都合理的位置建议。普遍认为横向的中间位置是有利于气流均衡性和压力损失的一种设计位置，然而进气的位置往往总是由于安装位置空间和热力学的考虑，无法布置到最为理想的中间位置。所以这时就需要通过调整出一个合理布局的位置，再将各个气道的气流均衡性通过CAE的计算来调整到最佳。

4结论

进气歧管根据发动机和整车布置的不同，在结构设计上也会有很大的差异，但其功能性不会变化。如何根据变化的布局来完成其要求的功能性，并在工艺可行性和质量控制方面设计到最优，这往往需要一定的设计经验和一些生产制造、质量控制方面的知识。文中所总结的设计原则可以用于一般的设计参考，而设计时需要根据具体的情况来灵活运用，才可能达到更好的效果。

参考文献：

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[2]郝兵.塑料进气歧管设计开发[J].河南科技，2015（15）：69-70.

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[4]张颖.从概念设计到产品制造———美国MPI公司谈塑料进气歧管（AIM）设计制造需要专业化经验[J].汽车与配件，2004（10）：39.

作者:柴军 单位:曼胡默尔滤清器（上海）有限公司