汽車(chē)部件的輕型化與塑料歧管的應(yīng)用

1、汽車(chē)部件的輕型化與塑料歧管的應(yīng)用最近有個(gè)單子跟塑料歧管技術(shù)相關(guān),咨詢(xún)了一些汽車(chē)行業(yè)的朋友,汽車(chē)零部件中塑料件的占比是非常大的,預(yù)計(jì)到2020年，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)平均用塑料量將達(dá)到500千克/輛以上。從現(xiàn)代汽車(chē)使用的材料看，無(wú)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(chē)業(yè)的應(yīng)用范圍已不僅僅局限于汽車(chē)內(nèi)飾、坐椅、車(chē)燈等零部件，而是已擴(kuò)展到油箱、翼子板、風(fēng)扇葉片等結(jié)構(gòu)件。前段時(shí)間在北京展覽館里的一副純白色的轎車(chē)“骨架”更是引得所有觀眾贊嘆不已，這副轎車(chē)“骨架”不同于傳統(tǒng)鋼鐵材料制造的汽車(chē)，從頂棚、儀表板框架、控制臺(tái)，到車(chē)燈燈罩、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋，甚至前

2、、后保險(xiǎn)杠，全部采用了一種特殊的塑料材料。對(duì)于最終用戶(hù)而言，塑料產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越顯著，尤其是其較輕的重量有利于節(jié)約燃油，這是汽車(chē)工業(yè)對(duì)塑料部件有較大需求量的主要原因，同時(shí)，由于塑料具有隔熱性能，這又是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵所在。統(tǒng)計(jì)顯示，汽車(chē)一般部件重量每減輕1，可節(jié)油1；運(yùn)動(dòng)部件每減輕1，可節(jié)油2。國(guó)外汽車(chē)自身質(zhì)量同過(guò)去相比，已減輕2026。預(yù)計(jì)在未來(lái)的10年內(nèi)，轎車(chē)自身的重量還將繼續(xù)減輕20。而塑料等輕量化材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，在汽車(chē)的輕量化過(guò)程中發(fā)揮著重大作用。在眾多的塑料零部件中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)雜.在國(guó)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(mèng)達(dá)馳5家公司具有代表性。網(wǎng)上看到一篇對(duì)天津大學(xué)塑料進(jìn)氣歧管研究所劉德新教授的專(zhuān)訪(fǎng),整理一下,最為一個(gè)知識(shí)的了解.塑料進(jìn)氣歧管的特點(diǎn)進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的部件之一，其核心功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)各缸提供充足而均勻的混合氣，因此它是影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和油耗的關(guān)鍵因素。此外，進(jìn)氣歧管還為發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣壓力傳感器、溫度傳感器、碳罐、節(jié)氣門(mén)體、可變進(jìn)氣閥、怠速控制、剎車(chē)助力等均被安裝在進(jìn)氣歧管上，從而使進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。金屬進(jìn)氣歧管一般采用的是鑄鐵或鋁合金材料。為了滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和電噴系統(tǒng)安裝方面的要求，在制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬進(jìn)

4、氣歧管時(shí)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(guó)寶馬公司采用熔芯法成功地生產(chǎn)出塑料進(jìn)氣歧管。之后，塑料進(jìn)氣歧管以其重量輕、成本低、性能好等特點(diǎn)迅速取代了金屬進(jìn)氣歧管，成為新型發(fā)動(dòng)機(jī)的首選。在歐美國(guó)家，大約有90%的進(jìn)排氣異側(cè)的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)都使用了塑料進(jìn)氣歧管。具體而言，塑料進(jìn)氣歧管主要具有4個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)： 在重量方面，由于塑料進(jìn)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(jìn)氣歧管的管壁厚度一般為2.53mm，而鋁合金進(jìn)氣歧管的壁厚一般大于4mm。因此，塑料進(jìn)氣歧管的重量相對(duì)要輕很多，通常僅為鋁合金進(jìn)氣歧管的40%左右。 在動(dòng)力性方面，由于塑

5、料進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁比較光滑，因此有利于提高進(jìn)氣充量。與鋁合金進(jìn)氣歧管相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性可提高3%5%。 在經(jīng)濟(jì)性方面，塑料進(jìn)氣歧管能帶來(lái)良好的氣流，從而有助于汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的充分燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放都能得到明顯改善。 在成本方面，雖然進(jìn)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(jìn)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(jìn)氣歧管毛坯的成品率要低很多，且其機(jī)加工費(fèi)用也相對(duì)較高，因此塑料進(jìn)氣歧管的生產(chǎn)成本通常比鋁合金進(jìn)氣歧管低20%35%。塑料進(jìn)氣歧管的材料塑料進(jìn)氣歧管要求材料必須具有耐高溫、強(qiáng)度高以及尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱老化穩(wěn)定性?xún)?yōu)良等方面的特點(diǎn)。

6、目前，塑料進(jìn)氣歧管的首選材料是尼龍。尼龍的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好，但其缺點(diǎn)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(qiáng)，吸水后尼龍的強(qiáng)度會(huì)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(qiáng)尼龍。尼龍?jiān)诩尤氩＠w后，其收縮率得到了明顯改善。對(duì)于內(nèi)部含冷卻水道的進(jìn)氣歧管，建議采用專(zhuān)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(kāi)發(fā)新的進(jìn)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(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) 將提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能作為塑料進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)的核心。進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件，其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的關(guān)鍵因素。

7、因此，在設(shè)計(jì)塑料進(jìn)氣歧管時(shí)，首先必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有深入的了解，要有專(zhuān)業(yè)的從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)或研究方面的人員參與。在設(shè)計(jì)中最好使用發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)仿真軟件，以使設(shè)計(jì)出的塑料進(jìn)氣歧管能最大程度地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 以氣體動(dòng)力學(xué)分析為重點(diǎn)分析內(nèi)容。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程是一種非常復(fù)雜的三維非定常氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如果用一維分析方法，往往不能正確地反映出進(jìn)氣歧管內(nèi)部氣體的運(yùn)動(dòng)情況。因此，建議使用三維流場(chǎng)分析軟件來(lái)仿真進(jìn)氣過(guò)程中進(jìn)氣歧管內(nèi)部流場(chǎng)的衍變過(guò)程，從而為設(shè)計(jì)出合理的塑料進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。 強(qiáng)度分析先行。通常，塑料進(jìn)氣歧管對(duì)所用塑料材料的力學(xué)性能的利用已接近極限，即使出現(xiàn)局部的設(shè)計(jì)缺陷也會(huì)帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)。因

8、此，需要在設(shè)計(jì)階段同步進(jìn)行塑料進(jìn)氣歧管強(qiáng)度的仿真分析。 對(duì)塑料注塑過(guò)程的仿真分析。由于塑料進(jìn)氣歧管所用的材料為尼龍加玻纖，在注塑過(guò)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(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以有效控制注塑過(guò)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(jìn)氣歧管的生產(chǎn)工藝目前比較成熟的塑料進(jìn)氣歧管的加工技術(shù)主要是熔芯注塑技術(shù)和振動(dòng)摩擦焊接技術(shù)。這兩種技術(shù)各有特點(diǎn)。 熔芯注塑技術(shù)是應(yīng)用最早、最成熟的塑料進(jìn)氣歧管生產(chǎn)工藝。其原理是：用低熔點(diǎn)的錫合金制成進(jìn)氣歧管的內(nèi)腔芯核，然后將其裝配進(jìn)模具中，再向模具內(nèi)注入尼龍材料。注塑過(guò)程完成后，

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

10、摩擦焊接技術(shù)也稱(chēng)為“多片焊接法”。在設(shè)計(jì)塑料進(jìn)氣歧管時(shí)，可將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的進(jìn)氣歧管拆分為結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、能一次注塑成型的兩片或多片，然后利用摩擦焊機(jī)將各片焊接起來(lái)，構(gòu)成完整的塑料進(jìn)氣歧管。目前絕大多數(shù)塑料進(jìn)氣歧管生產(chǎn)廠(chǎng)家都采用振動(dòng)摩擦焊接技術(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)效率高、成本低。其缺點(diǎn)是焊縫處的強(qiáng)度低、外觀不好、氣體流動(dòng)性相對(duì)較差。塑料進(jìn)氣歧管的品質(zhì)控制進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)上最核心的部件之一，當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不正常、剎車(chē)無(wú)力、發(fā)動(dòng)機(jī)自燃等嚴(yán)重事故。因此，進(jìn)氣歧管在使用前必須通過(guò)一些試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。對(duì)進(jìn)氣歧管的試驗(yàn)和檢測(cè)通常包括： 溫度交變?cè)囼?yàn)。即在專(zhuān)用的試驗(yàn)裝置中將進(jìn)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(yàn)。將塑料進(jìn)氣歧管置于-40的低溫箱中保留5h后，使一個(gè)質(zhì)量為500g的鋼球從1.2m的高處落到進(jìn)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(cè)。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(cè)。逐漸打壓進(jìn)氣歧管的出口密封，以測(cè)試進(jìn)氣歧管炸裂時(shí)的壓力。 震動(dòng)試驗(yàn)。將試件放在震動(dòng)激勵(lì)器上，按一定的規(guī)律對(duì)其進(jìn)行震動(dòng)測(cè)試，