2023年汽车部件的轻型化与塑料歧管的应用.docx

汽车部件的轻型化与塑料歧管的应用 最近有个单子跟塑料歧管技术相关,咨询了一些汽车行业的朋友,汽车零部件中塑料件的占比是非常大的,预计到2023年，兴旺国家汽车平均用塑料量将到达500千克/辆以上。从现代汽车使用的材料看，无论是外装饰件、内装饰件，还是功能与结构件，到处都可以看到塑料制件的身影。为有效降低能耗，塑料材料在汽车业的应用范围已不仅仅局限于汽车内饰、坐椅、车灯等零部件，而是已扩展到油箱、翼子板、风扇叶片等结构件。 前段时间在北京展览馆里的一副纯白色的轿车“骨架〞更是引得所有观众赞叹不已，这副轿车“骨架〞不同于传统钢铁材料制造的汽车，从顶棚、仪表板框架、控制台，到车灯灯罩、发动机罩盖，甚至前、后保险杠，全部采用了一种特殊的塑料材料。对于最终用户而言，塑料产品的质量优势会越来越显着，尤其是其较轻的重量有利于节约燃油，这是汽车工业对塑料部件有较大需求量的主要原因，同时，由于塑料具有隔热性能，这又是实现节能的关键所在。统计显示，汽车一般部件重量每减轻1％，可节油1％；运动部件每减轻1％，可节油2％。国外汽车自身质量同过去相比，已减轻20％—26％。预计在未来的10年内，轿车自身的重量还将继续减轻20％。而塑料等轻量化材料的开发与应用，在汽车的轻量化过程中发挥着重大作用。 在众多的塑料零部件中，发动机系统的塑料件技术要求是最高的，而其中又以塑料歧管的技术比拟复杂.在国内的外资公司中具备生产能力的不多,马勒、曼胡莫尔、美嘉、劳士领和梦达驰5家公司具有代表性。 网上看到一篇对天津大学塑料进气歧管研究所刘德新教授的专访,整理一下,最为一个知识的了解. 塑料进气歧管的特点 进气歧管是发动机最关键的部件之一，其核心功能是为发动机各缸提供充足而均匀的混合气，因此它是影响发动机动力性和油耗的关键因素。此外，进气歧管还为发动机电喷系统中的主要传感器和执行器提供结构支撑，喷油器、油轨、进气压力传感器、温度传感器、碳罐、节气门体、可变进气阀、怠速控制、刹车助力等均被安装在进气歧管上，从而使进气歧管的结构非常复杂。 金属进气歧管一般采用的是铸铁或铝合金材料。为了满足发动机进气和电喷系统安装方面的要求，在制造结构复杂的金属进气歧管时常常面临着制造工艺方面的困难，其成品率很难保证。 1990年，德国宝马公司采用熔芯法成功地生产出塑料进气歧管。之后，塑料进气歧管以其重量轻、本钱低、性能好等特点迅速取代了金属进气歧管，成为新型发动机的首选。在欧美国家，大约有90%的进排气异侧的自然吸气发动机都使用了塑料进气歧管。 具体而言，塑料进气歧管主要具有4个方面的优点： ● 在重量方面，由于塑料进气歧管一般采用尼龙PA66材料，其比重约为铝合金材料的50%。另外，塑料进气歧管的管壁厚度一般为2.5~3mm，而铝合金进气歧管的壁厚一般大于4mm。因此，塑料进气歧管的重量相对要轻很多，通常仅为铝合金进气歧管的40%左右。 ● 在动力性方面，由于塑料进气歧管的内壁比拟光滑，因此有利于提高进气充量。与铝合金进气歧管相比，发动机的动力性可提高3%~5%。 ● 在经济性方面，塑料进气歧管能带来良好的气流，从而有助于汽油在发动机缸内的充分燃烧，使发动机的经济性和排放都能得到明显改善。 ● 在本钱方面，虽然进气歧管所使用的塑料材料与铝合金材料的本钱根本相同，但由于塑料进气歧管能够一次成型，成型后的合格率高，而铸造而成的铝合金进气歧管毛坯的成品率要低很多，且其机加工费用也相对较高，因此塑料进气歧管的生产本钱通常比铝合金进气歧管低20%~35%。 塑料进气歧管的材料 塑料进气歧管要求材料必须具有耐高温、强度高以及尺寸稳定性、化学稳定性和热老化稳定性优良等方面的特点。目前，塑料进气歧管的首选材料是尼龙。尼龙的优点是耐高温、化学稳定性好，但其缺点是收缩率较大，耐乙二醇的性能也不太好，并且其吸水性太强，吸水后尼龙的强度会下降近40%。因此，人们普遍使用增加了25%~35%玻纤的PA6或PA66增强尼龙。尼龙在参加玻纤后，其收缩率得到了明显改善。对于内部含冷却水道的进气歧管，建议采用专用的抗乙二醇的尼龙配方。尽管世界上很多塑料材料供给商在不断地开发新的进气歧管塑料材料，以期提高塑料材料的各种性能，但尼龙材料仍是目前的最正确选择。 塑料进气歧管的设计开发 ● 将提高发动机性能作为塑料进气歧管设计的核心。进气歧管是发动机的主要部件，其结构和质量是影响发动机整体性能的关键因素。因此，在设计塑料进气歧管时，首先必须对发动机有深入的了解，要有专业的从事发动机设计或研究方面的人员参与。在设计中最好使用发动机专业仿真软件，以使设计出的塑料进气歧管能最大程度地改善发动机的动力性和经济性。 ● 以气体动力学分析为重点分析内容。发动机的进气过程是一种非常复杂的三维非定常气体运动过程，如果用一维分析方法，往往不能正确地反映出进气歧管内部气体的运动情况。因此，建议使用三维流场分析软件来仿真进气过程中进气歧管内部流场的衍变过程，从而为设计出合理的塑料进气歧管结构提供依据。 ● 强度分析先行。通常，塑料进气歧管对所用塑料材料的力学性能的利用已接近极限，即使出现局部的设计缺陷也会带来很大的风险。因此，需要在设计阶段同步进行塑料进气歧管强度的仿真分析。 ● 对塑料注塑过程的仿真分析。由于塑料进气歧管所用的材料为尼龙加玻纤，在注塑过程中，不同的纤维取向将直接影响制品的收缩变形。因此，必须对注塑过程进行仿真分析，以有效控制注塑过程中制品的应力分布、分子和纤维取向分布，以及收缩和翘曲变形，从而确保生产出质量合格的制品。 塑料进气歧管的生产工艺 目前比拟成熟的塑料进气歧管的加工技术主要是熔芯注塑技术和振动摩擦焊接技术。这两种技术各有特点。 ● 熔芯注塑技术是应用最早、最成熟的塑料进气歧管生产工艺。其原理是：用低熔点的锡合金制成进气歧管的内腔芯核，然后将其装配进模具中，再向模具内注入尼龙材料。注塑过程完成后，由尼龙注塑而成的进气歧管的外型即将内腔芯核包复在内。此时，将内部带有金属芯核的进气歧管放入熔化池内，以使金属芯核熔化。由于金属芯核的熔点比拟低〔一般为110℃〕，而尼龙的熔点相对较高，因此在内部芯核熔化的过程中塑料进气歧管的外形保持不变。 熔芯法生产塑料进气歧管的优点是：进气歧管的内壁完整光滑，从而提高了气体的流动性，能够最大限度地发挥发动机的性能；由于是一次注塑成型，进气歧管的气密性好，成品率高；熔芯过程可消除塑料进气歧管在注塑过程中产生的剩余应力，使得进气歧管具有更好的机械性能。熔芯法的缺点是：在金属芯核的铸芯和熔芯过程中，要消耗大量的电能，因而使得熔芯法生产塑料进气歧管的本钱相对较高。 ● 振动摩擦焊接技术也称为“多片焊接法〞。在设计塑料进气歧管时，可将结构复杂的进气歧管拆分为结构相对简单、能一次注塑成型的两片或多片，然后利用摩擦焊机将各片焊接起来，构成完整的塑料进气歧管。目前绝大多数塑料进气歧管生产厂家都采用振动摩擦焊接技术。其主要优点是：生产效率高、本钱低。其缺点是焊缝处的强度低、外观不好、气体流动性相对较差。 塑料进气歧管的品质控制 进气歧管是发动机上最核心的部件之一，当其发生故障时会导致发动机工作不正常、刹车无力、发动机自燃等严重事故。因此，进气歧管在使用前必须通过一些试验对其进行严格的质量检测。对进气歧管的试验和检测通常包括： ● 温度交变试验。即在专用的试验装置中将进气歧管置于-40℃~120℃的上下温交变的环境中，以考察其热稳定性。 ● 低温冲击试验。将塑料进气歧管置于-40℃的低温箱中保存5h后，使一个质量为500g的钢球从1.2m的高处落到进气歧管的稳压箱顶部中央，以检查其是否有裂纹和变形。 ● 气密性检测。即在一定的压力下检查水道及气道是否有泄漏。 ● 爆破压力检测。逐渐打压进气歧管的出口密封，以测试进气歧管炸裂时的压力。 ● 震动试验。将试件放在震动鼓励器上，按一定的规律对其进行震动测试，以考察塑料进气歧管此时的疲劳应力态。 ● 噪声测试。在噪声实验室进行发动机台架试验，检验塑料进气歧管的噪声是否超标。 ● 发动机耐久试验。将塑料进气歧管安装在发动机上，在试验台架上以全速进行300h的全负荷运行，以考核塑料进气歧管的耐久性。 ● 整车耐久试验。将配有塑料进气歧管的发动机安装在整车上，按试验规程驾驶汽车运行8万km，以测试其耐久性。