(浙江大學(xué)城市學(xué)院 工程學(xué)院， 浙江 杭州 310015)

引言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽(簡稱“中國FSC”)是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽[1]。發(fā)動機是賽車的核心部件，它對整車的動力性、排放性和經(jīng)濟性有著重要的影響，其進氣系統(tǒng)的重要程度更是不言而喻[2-3]。出于安全考慮，F(xiàn)SC通過規(guī)則對參賽賽車動力系統(tǒng)做出嚴格規(guī)定：發(fā)動機排量小于600 cc，且必須在發(fā)動機進氣系統(tǒng)進氣總管處設(shè)內(nèi)徑不超過20 mm的限流閥；進氣順序規(guī)定為：空濾-節(jié)氣門-限流閥-總管-穩(wěn)壓腔-歧管-發(fā)動機[4]。在加裝限流閥減小進氣系統(tǒng)流通面積的限制條件下，為了增加進氣量從而提升動力性能， 對進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及加工工藝的研究顯得十分必要。

目前，國內(nèi)外對發(fā)送機進氣系統(tǒng)的優(yōu)化及加工工藝都做了大量的研究。在進氣系統(tǒng)研究方向，SHIGEKI SUGIURA[5]對進氣系統(tǒng)中氣體分段數(shù)值做了大量分析，得到進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形狀對進氣系統(tǒng)中氣流流動及出口流量有很大的影響。施佳輝等[6]以FSAE賽車發(fā)動機為研究對象，運用GT-Power模擬獲得最佳進氣總管長度和穩(wěn)壓腔容積，最終中高速充氣效率提高5%～10%；在加工工藝研究方向，康文利等研究了UG銑加工的等高輪廓銑和固定軸輪廓銑的基本原理，通過實例得出利用UG進行數(shù)控加工編程可以大大縮短制造周期[7]。郭建燁等研究了基于留量模型的加工方法，利用UG的工序模型(IPW)對此加工過程進行了分析，通過實例驗證了這種加工方法的優(yōu)越性[8]?；诖耍槍Ρ驹很囮犛帽咎顲BR600發(fā)動機進氣系統(tǒng)，完成節(jié)氣門口徑選定，進氣總管的優(yōu)化設(shè)計及歧管、穩(wěn)壓腔的設(shè)計。運用NX軟件對進氣系統(tǒng)進行三維建模，并以穩(wěn)壓腔為例，完成穩(wěn)壓腔模具的數(shù)控加工刀路編制和切削仿真，最后在加工中心完成實物加工。

1 發(fā)動機進氣系統(tǒng)

進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.空濾 2.節(jié)氣門 3.限流閥 4.穩(wěn)壓腔 5.進氣歧管 圖1 進氣系統(tǒng)組成

系統(tǒng)工作原理：氣體經(jīng)過空濾后由節(jié)氣門經(jīng)過限流閥、擴散器進入穩(wěn)壓腔，通過穩(wěn)壓腔的穩(wěn)壓和蓄能，當(dāng)發(fā)動機進氣門開啟時，在負壓作用下氣體吸入氣道與霧化燃油混合后進入氣缸并燃燒。進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直接影響發(fā)動機的充氣效率，并進一步影響整車的動力性與加速性，因此進氣系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以盡可能大的提高發(fā)動機的充氣效率為準則。

2 進氣系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 進氣系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容與要求

進氣系統(tǒng)以CBR600發(fā)動機為參考對象，分析影響其充氣效率的因素，完成節(jié)氣門口徑選定，進氣總管、歧管以及穩(wěn)壓腔的設(shè)計。其中，賽事對進氣系統(tǒng)的設(shè)計要求為：① 節(jié)氣門與發(fā)動機之間必須安裝限流閥，且其最大內(nèi)徑為20 mm； ② 唯一允許的進氣順序為：節(jié)氣門-限流閥-增壓設(shè)備-發(fā)動機。

2.2 進氣系統(tǒng)的布置

為了保證發(fā)動機有足夠的進氣量，且進氣阻力最低，需要對進氣系統(tǒng)進行合理的布置。圖1所示為本院賽車進氣系統(tǒng)的布置方式，該布置方式的頂端進氣空濾位于賽車車頂、高于車手頭盔低于主防滾架位置，開口正對賽車前進方向使得迎風(fēng)面積增大，高速行駛時撞風(fēng)量也大，可很好滿足進氣需要。進氣總管末端與穩(wěn)壓腔的中部相連并圓滑過渡，這種對稱結(jié)構(gòu)能很好地保證4個氣缸的均衡進氣。

2.3 限流閥進出口錐角方案設(shè)計及優(yōu)化仿真

限流閥作為進氣系統(tǒng)的重要組成部分由于存在最小截面直徑20 mm的限制，為了很大限度的增加氣體流量，其重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進口錐角和出口錐角的設(shè)計和優(yōu)化變得非常重要，限流閥三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，最小軸徑處圓弧過渡處理。

圖2 限流閥三維結(jié)構(gòu)示意圖

初選進口錐角16°，出口錐角7°的限流閥模型進行一次仿真：先對模型前處理，使用mesh模塊劃分網(wǎng)格，由于此模型為對稱結(jié)構(gòu)，考慮計算的時效性取二分之一模型進行分析，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3a所示，設(shè)置命名邊界選項inlet，outlet，wall及fluid，將劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent。發(fā)動機在怠速工況下邊界條件設(shè)置為壓力入口(Pressure inlet)：101325 Pa，壓力出口(Pressure outlet)：97870 Pa，湍流強度5%，湍流黏度比0.5，最后計算求解，后處理中可查看求解結(jié)果，其中出口質(zhì)量流量值為-0.0642402 kg/s；限流閥壓力圖、流速云圖及氣體流線圖，如圖3所示。

圖3中壓力最大值出現(xiàn)在限流閥進口端，值為1.006×105Pa；壓力最小值出現(xiàn)在限流閥喉口處，值為7.349×104Pa；最高流速出現(xiàn)在限流閥喉口處，值為1.999×102m/s，符合流體力學(xué)相關(guān)原理知識。

圖3 限流閥網(wǎng)格、壓力圖、流速云圖、氣體流線圖

對限流閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計將以提高發(fā)動機充氣效率為目標(biāo)，即優(yōu)化目標(biāo)為限流閥出口質(zhì)量流量最大，以進口錐角和出口錐角為輸入變量，將出口質(zhì)量流量設(shè)為輸出參數(shù)，采用ANSYS Workbench響應(yīng)面(Response Surface)優(yōu)化進行優(yōu)化求解[9-11]，將輸入、輸出參數(shù)傳遞到響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計模塊。由圖3可知流線和矢量與水平夾角小于限流閥外邊界與水平夾角，故可通過減小出口錐角來提高出口質(zhì)量流量，所以出口錐角變化范圍設(shè)為5°～7°，進口錐角變化范圍設(shè)為14°～18°。先通過Design of Experments方法得到9組設(shè)計點，如表1所示。

通過這些設(shè)計點可以得到各個參數(shù)對優(yōu)化目標(biāo)的敏感度(圖4)、相應(yīng)的響應(yīng)曲線(圖5、圖6)以及響應(yīng)曲面(圖7)。

表1 優(yōu)化過程中9組設(shè)計點

圖4 設(shè)計變量對優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度

圖5 進口錐角響應(yīng)曲面線

圖6 出口錐角響應(yīng)曲面線

圖7 參數(shù)響應(yīng)曲面圖

圖4中敏感度反映出設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)的影響程度，從圖示的尺寸范圍看出，出口錐角對出口質(zhì)量流量的影響程度要遠高于進口錐角對出口質(zhì)量流量的影響程度。圖5和圖6相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線反映出各個設(shè)計變量對輸出參數(shù)的影響趨勢，從圖5看出，隨著進口錐角的逐漸增加，出口質(zhì)量流量呈現(xiàn)遞減的趨勢；從圖6看出，隨著出口錐角的逐漸增加，出口質(zhì)量流量先是變大，當(dāng)出口錐角增加到5.6°后又呈現(xiàn)遞減趨勢。進口錐角和出口錐角對出口流量質(zhì)量的響應(yīng)曲面如圖7所示，X坐標(biāo)為出口錐角角度，Y坐標(biāo)為進口錐角角度，Z坐標(biāo)為出口質(zhì)量流量，可以看出出口質(zhì)量流量的最大值出現(xiàn)在X為5.6，Y為14附近，再對比表1的數(shù)據(jù)最終選擇出口錐角6°，進口錐角14°的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為節(jié)流閥的建模參數(shù)。優(yōu)化后對應(yīng)的出口質(zhì)量流量為-0.0719891 kg/s，對比初選的結(jié)構(gòu)，出口質(zhì)量流量提升了12.06%，優(yōu)化效果較好。

2.4 進氣系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)計

(1) 節(jié)氣門口徑 根據(jù)大賽規(guī)則，節(jié)氣門必須為機械控制式。機械控制式節(jié)氣門口徑有45 mm和40 mm 兩種，口徑小更有利于提高油門反應(yīng)速度，因此采用40 mm口徑的節(jié)氣門；

(2) 節(jié)流閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù) 節(jié)流閥總長度如果過長，會引起高速時發(fā)動機供氣不足，過短會導(dǎo)致賽車低速運轉(zhuǎn)性能變差，綜上，進氣總管長度選200 mm；

(3) 進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù) 進氣歧管的長度可由公式：L=30c/nq計算獲得，其中c為聲速取340 m/s，n為轉(zhuǎn)速取8000 r/min，q為波動系數(shù)取5，計算得到歧管長度L為255 mm。

(4) 穩(wěn)壓腔體積 為了提高發(fā)動機充氣效率、功率和轉(zhuǎn)矩，在進氣總管尾部加裝穩(wěn)壓腔，為了便于加工安裝，其形狀設(shè)計成圓筒狀，容積定為3.5 L。

綜上，進氣系統(tǒng)的基本參數(shù)數(shù)值如表2所示。

表2 進氣系統(tǒng)基本參數(shù)

3 穩(wěn)壓腔模具數(shù)控加工工藝設(shè)計

穩(wěn)壓腔在進氣系統(tǒng)中起到穩(wěn)壓和蓄能的重要作用，其加工過程可分為兩個階段：基于穩(wěn)壓腔三維模型設(shè)計穩(wěn)壓腔模具并完成其數(shù)控加工；利用加工好的穩(wěn)壓腔模具再加上碳纖維布、樹脂等材料完成穩(wěn)壓腔實物制作。

3.1 穩(wěn)壓腔模具的加工工藝

數(shù)控加工工藝的制訂關(guān)系到零件加工程序的正確與合理性，并直接影響數(shù)控加工的質(zhì)量、效率。根據(jù)穩(wěn)壓腔三維模型設(shè)計了穩(wěn)壓腔模具，如圖8所示，模具由穩(wěn)壓腔和限流閥兩部分組成，為了便于加工，限流閥只截取部分長度。

圖8 穩(wěn)壓腔模具

選用ABS為材料，通過分析穩(wěn)壓腔模具的幾何結(jié)構(gòu)特征，制定出合理的加工工藝，如表3所示。

表3 穩(wěn)壓腔模具數(shù)控加工工藝表

3.2 基于NX CAM的穩(wěn)壓腔模具數(shù)控編程

根據(jù)數(shù)控加工工藝規(guī)劃，穩(wěn)壓腔模具的數(shù)控自動編程流程如圖9所示。

圖9 穩(wěn)壓腔模具NX編程流程圖

其中，將模具開粗生成的小平面體作為表面半精加工的毛坯體，這個小平面體被稱為IPW(IN Process Workpiece)過程工件[12]，使用IPW加工可避免再次切削已經(jīng)加工過的區(qū)域，提高整體加工效率，如圖10所示。

圖10 IPW使用前后加工時間對比圖

圖中10a圖為未使用IPW的耗時，圖10b圖是使用IPW的耗時。從圖中可以看出使用IPW后加工時間減少了5 min，縮短了工序加工時間，提高了加工效率。

3.3 穩(wěn)壓腔模具數(shù)控銑削仿真

在完成各個工序的切削刀具軌跡編制后，通過刀路仿真，檢查可能出現(xiàn)的過切、撞刀及路徑不合理，并觀察工件表面完成質(zhì)量，以便及時修改編程中參數(shù)。刀具路徑及切削仿真結(jié)果圖如圖11所示。

圖11 穩(wěn)壓腔模具切削仿真結(jié)果

3.4 穩(wěn)壓腔模具加工程序后處理與生成

完成刀具路徑編制后，生成刀位文件，由于機床不能識別刀位文件，需要將刀位文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能夠執(zhí)行的數(shù)控程序代碼文件，這被稱為后處理。生成的工序NC程序代碼，再加以命名后另存為.ptp 格式文件，可作為機床導(dǎo)入文件。

4 穩(wěn)壓腔模具的數(shù)控加工

選用VMC850三軸數(shù)控加工中心，其控制系統(tǒng)采用FANUC 0i-MC系統(tǒng)，穩(wěn)壓腔模具的加工程序通過存儲卡在此機床上在線加工完成。ABS加工時主要考慮溫升與彈性變形兩大問題，且加工刀具一般選用高速鋼、硬質(zhì)合金或金剛石等，因高速鋼刃磨性和韌性較好，因此選用高速鋼加工ABS，同時為了防止切削力過大而引起工件局部過熱和彈性變形，采用以下加工參數(shù)。

粗加工階段，主軸轉(zhuǎn)速為1500 r/min，進給速度為250 mm/min，底面不留余量，側(cè)面余量留0.5 mm。整個粗加工階段耗時約為5 h。

半精加工階段，主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min，進給速度為250 mm/min，余量留0.3 mm。采用基于IPW的半精加工方式，提高了半精加工的效率，整個半精加工階段縮短為1.5 h。

精加工階段，主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min，進給速度為200 mm/min，整個精加工階段耗時3 h。

圖12a為VMC850上加工完成的穩(wěn)壓腔模具。再利用碳纖維布、樹脂等材料通過敷面、抽真空、打磨等成型工藝完成穩(wěn)壓腔實體的制作，碳纖維穩(wěn)壓腔實體如圖12b所示。

圖12 銑削后的穩(wěn)壓腔模具和最終的碳纖維實體

5 結(jié)論

本研究基于Workbench Fluent，以進口錐角和出口錐角為設(shè)計輸入?yún)?shù)，以出口質(zhì)量流量最大為目標(biāo)函數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化，得出在進口錐角為14°，出口錐角為6°時，出口質(zhì)量流量優(yōu)化效果較好。并利用NX CAM模塊編制了穩(wěn)壓腔模具的數(shù)控加工程序，最后在加工中心上加工出穩(wěn)壓腔模具實物。在優(yōu)化設(shè)計過程中運用了響應(yīng)面優(yōu)化方法提高了參數(shù)優(yōu)化效率，在半精加工刀路編制過程中使用NX IPW過程工件，在確保模具加工精確的前提下提高了整體加工效率。

下一階段本研究將對進氣系統(tǒng)其他零件進行編程和加工，測試整個進氣系統(tǒng)在實際工況下的性能，為進氣系統(tǒng)乃至整車的優(yōu)化和改進提供參考。