汽車部件的輕型化與塑料歧管的應(yīng)用

1、汽車部件的輕型化與塑料歧管的應(yīng)用最近有個單子跟塑料歧管技術(shù)相關(guān),咨詢了一些汽車行業(yè)的朋友,汽車零部件中塑料件的占比是非常大的,預計到2020年，發(fā)達國家汽車平均用塑料量將達到500千克/輛以上。從現(xiàn)代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，到處都可以看到塑料制件的身影。為有效降低能耗，塑料材料在汽車業(yè)的應(yīng)用范圍已不僅僅局限于汽車內(nèi)飾、坐椅、車燈等零部件，而是已擴展到油箱、翼子板、風扇葉片等結(jié)構(gòu)件。前段時間在北京展覽館里的一副純白色的轎車“骨架”更是引得所有觀眾贊嘆不已，這副轎車“骨架”不同于傳統(tǒng)鋼鐵材料制造的汽車，從頂棚、儀表板框架、控制臺，到車燈燈罩、發(fā)動機罩蓋，甚至前

2、、后保險杠，全部采用了一種特殊的塑料材料。對于最終用戶而言，塑料產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)勢會越來越顯著，尤其是其較輕的重量有利于節(jié)約燃油，這是汽車工業(yè)對塑料部件有較大需求量的主要原因，同時，由于塑料具有隔熱性能，這又是實現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵所在。統(tǒng)計顯示，汽車一般部件重量每減輕1，可節(jié)油1；運動部件每減輕1，可節(jié)油2。國外汽車自身質(zhì)量同過去相比，已減輕2026。預計在未來的10年內(nèi)，轎車自身的重量還將繼續(xù)減輕20。而塑料等輕量化材料的開發(fā)與應(yīng)用，在汽車的輕量化過程中發(fā)揮著重大作用。在眾多的塑料零部件中，發(fā)動機系統(tǒng)的塑料件技術(shù)要求是最高的，而其中又以塑料歧管的技術(shù)比較復雜.在國內(nèi)的外資公司中具備生產(chǎn)能力的不多,馬勒

3、、曼胡莫爾、美嘉、勞士領(lǐng)和夢達馳5家公司具有代表性。網(wǎng)上看到一篇對天津大學塑料進氣歧管研究所劉德新教授的專訪,整理一下,最為一個知識的了解.塑料進氣歧管的特點進氣歧管是發(fā)動機最關(guān)鍵的部件之一，其核心功能是為發(fā)動機各缸提供充足而均勻的混合氣，因此它是影響發(fā)動機動力性和油耗的關(guān)鍵因素。此外，進氣歧管還為發(fā)動機電噴系統(tǒng)中的主要傳感器和執(zhí)行器提供結(jié)構(gòu)支撐，噴油器、油軌、進氣壓力傳感器、溫度傳感器、碳罐、節(jié)氣門體、可變進氣閥、怠速控制、剎車助力等均被安裝在進氣歧管上，從而使進氣歧管的結(jié)構(gòu)非常復雜。金屬進氣歧管一般采用的是鑄鐵或鋁合金材料。為了滿足發(fā)動機進氣和電噴系統(tǒng)安裝方面的要求，在制造結(jié)構(gòu)復雜的金屬進

4、氣歧管時常常面臨著制造工藝方面的困難，其成品率很難保證。1990年，德國寶馬公司采用熔芯法成功地生產(chǎn)出塑料進氣歧管。之后，塑料進氣歧管以其重量輕、成本低、性能好等特點迅速取代了金屬進氣歧管，成為新型發(fā)動機的首選。在歐美國家，大約有90%的進排氣異側(cè)的自然吸氣發(fā)動機都使用了塑料進氣歧管。具體而言，塑料進氣歧管主要具有4個方面的優(yōu)點： 在重量方面，由于塑料進氣歧管一般采用尼龍PA66材料，其比重約為鋁合金材料的50%。另外，塑料進氣歧管的管壁厚度一般為2.53mm，而鋁合金進氣歧管的壁厚一般大于4mm。因此，塑料進氣歧管的重量相對要輕很多，通常僅為鋁合金進氣歧管的40%左右。 在動力性方面，由于塑

5、料進氣歧管的內(nèi)壁比較光滑，因此有利于提高進氣充量。與鋁合金進氣歧管相比，發(fā)動機的動力性可提高3%5%。 在經(jīng)濟性方面，塑料進氣歧管能帶來良好的氣流，從而有助于汽油在發(fā)動機缸內(nèi)的充分燃燒，使發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放都能得到明顯改善。 在成本方面，雖然進氣歧管所使用的塑料材料與鋁合金材料的成本基本相同，但由于塑料進氣歧管能夠一次成型，成型后的合格率高，而鑄造而成的鋁合金進氣歧管毛坯的成品率要低很多，且其機加工費用也相對較高，因此塑料進氣歧管的生產(chǎn)成本通常比鋁合金進氣歧管低20%35%。塑料進氣歧管的材料塑料進氣歧管要求材料必須具有耐高溫、強度高以及尺寸穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和熱老化穩(wěn)定性優(yōu)良等方面的特點。

6、目前，塑料進氣歧管的首選材料是尼龍。尼龍的優(yōu)點是耐高溫、化學穩(wěn)定性好，但其缺點是收縮率較大，耐乙二醇的性能也不太好，并且其吸水性太強，吸水后尼龍的強度會下降近40%。因此，人們普遍使用增加了25%35%玻纖的PA6或PA66增強尼龍。尼龍在加入玻纖后，其收縮率得到了明顯改善。對于內(nèi)部含冷卻水道的進氣歧管，建議采用專用的抗乙二醇的尼龍配方。盡管世界上很多塑料材料供應(yīng)商在不斷地開發(fā)新的進氣歧管塑料材料，以期提高塑料材料的各種性能，但尼龍材料仍是目前的最佳選擇。塑料進氣歧管的設(shè)計開發(fā) 將提高發(fā)動機性能作為塑料進氣歧管設(shè)計的核心。進氣歧管是發(fā)動機的主要部件，其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量是影響發(fā)動機整體性能的關(guān)鍵因素。

7、因此，在設(shè)計塑料進氣歧管時，首先必須對發(fā)動機有深入的了解，要有專業(yè)的從事發(fā)動機設(shè)計或研究方面的人員參與。在設(shè)計中最好使用發(fā)動機專業(yè)仿真軟件，以使設(shè)計出的塑料進氣歧管能最大程度地改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。 以氣體動力學分析為重點分析內(nèi)容。發(fā)動機的進氣過程是一種非常復雜的三維非定常氣體運動過程，如果用一維分析方法，往往不能正確地反映出進氣歧管內(nèi)部氣體的運動情況。因此，建議使用三維流場分析軟件來仿真進氣過程中進氣歧管內(nèi)部流場的衍變過程，從而為設(shè)計出合理的塑料進氣歧管結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。 強度分析先行。通常，塑料進氣歧管對所用塑料材料的力學性能的利用已接近極限，即使出現(xiàn)局部的設(shè)計缺陷也會帶來很大的風險。因

8、此，需要在設(shè)計階段同步進行塑料進氣歧管強度的仿真分析。 對塑料注塑過程的仿真分析。由于塑料進氣歧管所用的材料為尼龍加玻纖，在注塑過程中，不同的纖維取向?qū)⒅苯佑绊懼破返氖湛s變形。因此，必須對注塑過程進行仿真分析，以有效控制注塑過程中制品的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布，以及收縮和翹曲變形，從而確保生產(chǎn)出質(zhì)量合格的制品。塑料進氣歧管的生產(chǎn)工藝目前比較成熟的塑料進氣歧管的加工技術(shù)主要是熔芯注塑技術(shù)和振動摩擦焊接技術(shù)。這兩種技術(shù)各有特點。 熔芯注塑技術(shù)是應(yīng)用最早、最成熟的塑料進氣歧管生產(chǎn)工藝。其原理是：用低熔點的錫合金制成進氣歧管的內(nèi)腔芯核，然后將其裝配進模具中，再向模具內(nèi)注入尼龍材料。注塑過程完成后，

9、由尼龍注塑而成的進氣歧管的外型即將內(nèi)腔芯核包復在內(nèi)。此時，將內(nèi)部帶有金屬芯核的進氣歧管放入熔化池內(nèi)，以使金屬芯核熔化。由于金屬芯核的熔點比較低（一般為110），而尼龍的熔點相對較高，因此在內(nèi)部芯核熔化的過程中塑料進氣歧管的外形保持不變。熔芯法生產(chǎn)塑料進氣歧管的優(yōu)點是：進氣歧管的內(nèi)壁完整光滑，從而提高了氣體的流動性，能夠最大限度地發(fā)揮發(fā)動機的性能；由于是一次注塑成型，進氣歧管的氣密性好，成品率高；熔芯過程可消除塑料進氣歧管在注塑過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使得進氣歧管具有更好的機械性能。熔芯法的缺點是：在金屬芯核的鑄芯和熔芯過程中，要消耗大量的電能，因而使得熔芯法生產(chǎn)塑料進氣歧管的成本相對較高。 振動

10、摩擦焊接技術(shù)也稱為“多片焊接法”。在設(shè)計塑料進氣歧管時，可將結(jié)構(gòu)復雜的進氣歧管拆分為結(jié)構(gòu)相對簡單、能一次注塑成型的兩片或多片，然后利用摩擦焊機將各片焊接起來，構(gòu)成完整的塑料進氣歧管。目前絕大多數(shù)塑料進氣歧管生產(chǎn)廠家都采用振動摩擦焊接技術(shù)。其主要優(yōu)點是：生產(chǎn)效率高、成本低。其缺點是焊縫處的強度低、外觀不好、氣體流動性相對較差。塑料進氣歧管的品質(zhì)控制進氣歧管是發(fā)動機上最核心的部件之一，當其發(fā)生故障時會導致發(fā)動機工作不正常、剎車無力、發(fā)動機自燃等嚴重事故。因此，進氣歧管在使用前必須通過一些試驗對其進行嚴格的質(zhì)量檢測。對進氣歧管的試驗和檢測通常包括： 溫度交變試驗。即在專用的試驗裝置中將進氣歧管置于-40120的高低溫交變的環(huán)境中，以考察其熱穩(wěn)定性。 低溫沖擊試驗。將塑料進氣歧管置于-40的低溫箱中保留5h后，使一個質(zhì)量為500g的鋼球從1.2m的高處落到進氣歧管的穩(wěn)壓箱頂部中央，以檢查其是否有裂紋和變形。 氣密性檢測。即在一定的壓力下檢查水道及氣道是否有泄漏。 爆破壓力檢測。逐漸打壓進氣歧管的出口密封，以測試進氣歧管炸裂時的壓力。 震動試驗。將試件放在震動激勵器上，按一定的規(guī)律對其進行震動測試，