排气歧管热变形问题研究

摘要随着排放法规的逐步加严，发动机排气温度也逐渐升高，某发动机排气歧管采用了高镍奥氏体球铁，试验后发现难拆卸问题。通过对失效件的检测分析发现靠近排气歧管出口的两缸法兰相互收缩较为严重，正对排气歧管出口的进气法兰还发生了扭转变形。通过CAE分析方法确认了排气歧管进气法兰收缩问题是由于材料高温蠕变导致的。通过试验验证的方法，确认了排气歧管结构优化方案能减小进气法兰收缩变形，能解决难拆卸问题。

关键词发动机；排气歧管；变形；螺栓孔

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0063-02

随着排放法规的逐步加严，越来越多的先进技术被批量应用，发动机排气温度也逐渐升高。目前，采用增压技术后的汽油发动机的排气温度已经达到甚至超过900℃，这对发动机排气歧管的材料选择提出了更高的要求。

高镍奥氏体球铁具有良好的高温力学性能，因此被普遍应用于增压发动机的排气歧管上。国外早在20世纪末就已经有发动机排气歧管采用该材料。常用的材料牌号有ISO标准中的牌号JSA/X Ni35Si5Cr2和美国ASTM标准中的牌号D-5S，两者化学成分十分相近。这两种奥氏体球墨铸铁，高温下抗氧化能力特别优越，耐高温特性可达到920℃。但是，由于其中的Ni的含量很高，价格昂贵，而且如进一步提高作业温度，则热变形量增大。

某增压发动机采用了高镍奥氏体球铁作为排气歧管的材料，初期设计计算时仅对排气歧管的热强度进行了分析评估，未考虑热变形问题。通过耐久性测试发现排气歧管进气法兰收缩变形，排气歧管螺栓孔直接与排气歧管双头螺柱卡死，导致排气歧管难拆卸，如图1所示。

由于发动机在寿命期内，可能有部分发动机因维修需要，将涉及到拆卸排气歧管，因此该问题必须找到相应的解决方案。为了快速找到解决方案，开展了详细的调查分析和试验验证。

图1排气歧管螺栓孔与螺柱卡死

1失效件检测分析

1.1 失效件尺寸检测

由于排气歧管进气法兰发生了收缩变形，导致螺栓孔与螺柱卡死，因此首先对排气歧管螺栓孔的相互位置进行检测，检测结果见表1。

通过检测可以发现螺栓孔2和3的孔间距离及螺栓孔9和10的孔间距离缩短较多。螺栓孔2，3，9，10所在的进气法兰离排气歧管出口最近，也是发生收缩变形最大的区域。螺栓孔2，10所在的进气法兰正对排气歧管出口，该进气法兰还发生了扭转变形。

表1螺栓孔的相互位置尺寸检测结果

孔间距离 理论值 实测值 变形量

1-2 67.3 67.382 0.082

2-3 41.7 40.248 -1.452

3-4 83 82.457 -0.543

4-5 47.6 47.588 -0.012

5-6 63.9 63.886 -0.014

7-8 81.7 81.737 0.037

8-9 83 82.484 -0.516

9-10 83 82.050 -0.950

1.2 失效件微观检测

为确认失效件的成分和金相是否满足要求，对失效件进行了取样，通过成分分析发现C含量为1.86%，Si含量为4.91%，Mn含量为0.54%，P含量为0.026%，S含量为0.006%，Cr含量为2.17%，Ni含量为34.19%，Cu含量为0.007%，Mg含量为0.12%，化学成分均在合格范围。

通过排气歧管进气法兰的显微组织分析发现石墨球化率为2级，石墨球径大小为7级，基体为奥氏体和碳化物。显微组织如图2所示。

通过失效件的微观检测，可以确认各技术指标均正常。

图2显微组织图片

2CAE计算分析

通过建立排气歧管的计算分析模型，对排气歧管进行了热变形分析，首次分析结果显示排气歧管进气法兰为伸长变形，这与试验结果明显矛盾，于是分析差异原因，发现该收缩变形可能是由于高温蠕变导致的。

高温蠕变是指材料在长时间的高温和一定的载荷下，产生的变形和时间的关系。由于施加的载荷不同，高温蠕变可以分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温扭转蠕变等。

计算模型中初步将高温蠕变因数考虑后，进行分析计算，结果显示考虑高温蠕变后排气歧管法兰发生了收缩变形，如图3所示。该结果趋势上已经与试验结果一致了，由此可以明确该热变形的主要原因是由于高温蠕变导致的。基于现有的测试数据很少，短时间内，很难搭建准确的计算模型，因此放弃了通过CAE计算分析的方法对比各优化方案的准确的变形量，选择了直接试验验证的方式进行优化改进。

图3考虑高温蠕变后的收缩变形

3方案验证与结论

3.1 扩大螺栓孔直径

零部件在高温作用下很难做到不变形，而排气歧管如果发生一定量的变形后，法兰面的密封功能不失效，也是可以满足使用要求的。

扩大螺栓孔的目的就是允许排气歧管的法兰面发生一定量的变形。假如排气歧管的热变形到一定程度，就稳定了，不再变化了，那么该方案就能解决排气歧管试验后难拆卸的问题。

结合失效件的检测数据，将孔9设置为排气歧管定位孔，其直径为8.5 mm。将其他的螺柱安装孔直径由9.5 mm扩大为11 mm，这样两孔之间的相互距离缩短量不超过1.6 mm，理论上就应该可以轻松的拆卸。

通过200小时额定功率试验，对发动机进行拆解发现排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案失败了。

3.2 螺栓孔径向开槽

在扩大螺栓孔直径的基础上，将除定位孔9以外的其他螺栓孔增加径向开槽结构，开槽方向定为螺柱容易散热的方向。该方案的目的是希望通过径向开槽，来增加螺柱的散热，保证螺柱在工作时能提供足够的夹紧力，从而抑制排气歧管热变形。

通过试验验证，发动机排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案也失败了。

3.3 排气歧管材料中加Mo

在扩大螺栓孔直径的基础上，改变现有排气歧管的合金成分，在原材料中增加1%含量的Mo。该方案的目的是希望通过增加1%含量的Mo来提高排气歧管的耐高温特性。

通过试验验证，发动机排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案也失败了。

3.4 排气歧管结构优化

通过上述3个优化方案的试验验证，结果均以失败告终。因此，不得不更为系统和全面的考虑其他的优化方案。

通过原始方案和3个优化方案的验证结果，可以看出通过简单的变更已经很难解决该问题。于是提出了通过结构优化，来提高结构强度，从而抑制排气歧管收缩变形的想法。由于排气歧管结构的调整最大的问题是排气歧管的热强度是否满足要求。更改后的方案很有可能出现热强度不满足要求的情况，如果直接试验验证很有可能出现排气歧管局部开裂的问题。为了避免该问题的发生，又利用了CAE分析的手段对优化后的模型进行热强度计算。

通过对失效件的检测数据进行分析，可知靠近排气歧管出口的两缸法兰相互收缩较为严重，正对排气歧管出口的进气法兰还发生了扭转变形。因此，提出了增加进气法兰面厚度和在排气歧管各支管间增加加强筋的优化方案，各螺栓孔按照扩大螺栓孔直径的方案执行。原始方案和优化方案的对比如图4所示。

图4原始方案和优化方案的对比

通过CAE分析计算，发动机排气歧管满足热强度要求。于是开始制作手工样件进行试验测试，通过试验验证发现200小时额定功率试验后排气歧管能正常拆卸，将发动机恢复后继续试验，发动机累计完成500小时试验后对发动机进行拆解，发现排气歧管仍然能正常拆卸，且未发生开裂问题。因此，可以判定该方案能解决排气歧管难拆卸问题。

通过对模具的更改，得到最终的工装件，通过各种耐久性测试，均未发现排气歧管难拆卸问题，因此，该方案作为最终的批量生产方案得以实施。

4结论

文章通过对发动机试验后排气歧管进气法兰收缩问题进行了分析，并通过CAE计算分析的手段，确认了排气歧管进气法兰收缩问题是由于材料发生了高温蠕变导致的。由于测试数据较少，短时间内很难搭建考虑高温蠕变的CAE准确计算模型，因此选择了试验验证的方式，对各优化方案进行逐个验证。

通过对4个优化方案的试验验证，确认了排气歧管结构优化方案能减小排气歧管进气法兰收缩变形，能解决排气歧管难拆卸问题。

参考文献

[1]张国栋，游杰刚，刘海啸，等.镁质耐火材料高温蠕变特性的研究现状[J].耐火与石灰，2008（2）.

[2]李传栻.排气歧管材料更新换代的概况[J].现代铸铁，2011（S2）.

[3]崔晓鹏，刘海峰，王成刚，等.汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向[J].铸造，2008（10）.

[4]李红庆，杨万里，刘国庆，等.内燃机排气歧管热应力分析[J].内燃机工程，2005（5）.

[5]毛文群.发动机排气歧管结构的优化设计[J].机床与液压，2013（6）.

作者简介

张育春（1981-），男，四川广汉人，硕士研究生，主要从事发动机设计开发。

endprint

摘要随着排放法规的逐步加严，发动机排气温度也逐渐升高，某发动机排气歧管采用了高镍奥氏体球铁，试验后发现难拆卸问题。通过对失效件的检测分析发现靠近排气歧管出口的两缸法兰相互收缩较为严重，正对排气歧管出口的进气法兰还发生了扭转变形。通过CAE分析方法确认了排气歧管进气法兰收缩问题是由于材料高温蠕变导致的。通过试验验证的方法，确认了排气歧管结构优化方案能减小进气法兰收缩变形，能解决难拆卸问题。

关键词发动机；排气歧管；变形；螺栓孔

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0063-02

随着排放法规的逐步加严，越来越多的先进技术被批量应用，发动机排气温度也逐渐升高。目前，采用增压技术后的汽油发动机的排气温度已经达到甚至超过900℃，这对发动机排气歧管的材料选择提出了更高的要求。

高镍奥氏体球铁具有良好的高温力学性能，因此被普遍应用于增压发动机的排气歧管上。国外早在20世纪末就已经有发动机排气歧管采用该材料。常用的材料牌号有ISO标准中的牌号JSA/X Ni35Si5Cr2和美国ASTM标准中的牌号D-5S，两者化学成分十分相近。这两种奥氏体球墨铸铁，高温下抗氧化能力特别优越，耐高温特性可达到920℃。但是，由于其中的Ni的含量很高，价格昂贵，而且如进一步提高作业温度，则热变形量增大。

某增压发动机采用了高镍奥氏体球铁作为排气歧管的材料，初期设计计算时仅对排气歧管的热强度进行了分析评估，未考虑热变形问题。通过耐久性测试发现排气歧管进气法兰收缩变形，排气歧管螺栓孔直接与排气歧管双头螺柱卡死，导致排气歧管难拆卸，如图1所示。

由于发动机在寿命期内，可能有部分发动机因维修需要，将涉及到拆卸排气歧管，因此该问题必须找到相应的解决方案。为了快速找到解决方案，开展了详细的调查分析和试验验证。

图1排气歧管螺栓孔与螺柱卡死

1失效件检测分析

1.1 失效件尺寸检测

由于排气歧管进气法兰发生了收缩变形，导致螺栓孔与螺柱卡死，因此首先对排气歧管螺栓孔的相互位置进行检测，检测结果见表1。

通过检测可以发现螺栓孔2和3的孔间距离及螺栓孔9和10的孔间距离缩短较多。螺栓孔2，3，9，10所在的进气法兰离排气歧管出口最近，也是发生收缩变形最大的区域。螺栓孔2，10所在的进气法兰正对排气歧管出口，该进气法兰还发生了扭转变形。

表1螺栓孔的相互位置尺寸检测结果

孔间距离 理论值 实测值 变形量

1-2 67.3 67.382 0.082

2-3 41.7 40.248 -1.452

3-4 83 82.457 -0.543

4-5 47.6 47.588 -0.012

5-6 63.9 63.886 -0.014

7-8 81.7 81.737 0.037

8-9 83 82.484 -0.516

9-10 83 82.050 -0.950

1.2 失效件微观检测

为确认失效件的成分和金相是否满足要求，对失效件进行了取样，通过成分分析发现C含量为1.86%，Si含量为4.91%，Mn含量为0.54%，P含量为0.026%，S含量为0.006%，Cr含量为2.17%，Ni含量为34.19%，Cu含量为0.007%，Mg含量为0.12%，化学成分均在合格范围。

通过排气歧管进气法兰的显微组织分析发现石墨球化率为2级，石墨球径大小为7级，基体为奥氏体和碳化物。显微组织如图2所示。

通过失效件的微观检测，可以确认各技术指标均正常。

图2显微组织图片

2CAE计算分析

通过建立排气歧管的计算分析模型，对排气歧管进行了热变形分析，首次分析结果显示排气歧管进气法兰为伸长变形，这与试验结果明显矛盾，于是分析差异原因，发现该收缩变形可能是由于高温蠕变导致的。

高温蠕变是指材料在长时间的高温和一定的载荷下，产生的变形和时间的关系。由于施加的载荷不同，高温蠕变可以分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温扭转蠕变等。

计算模型中初步将高温蠕变因数考虑后，进行分析计算，结果显示考虑高温蠕变后排气歧管法兰发生了收缩变形，如图3所示。该结果趋势上已经与试验结果一致了，由此可以明确该热变形的主要原因是由于高温蠕变导致的。基于现有的测试数据很少，短时间内，很难搭建准确的计算模型，因此放弃了通过CAE计算分析的方法对比各优化方案的准确的变形量，选择了直接试验验证的方式进行优化改进。

图3考虑高温蠕变后的收缩变形

3方案验证与结论

3.1 扩大螺栓孔直径

零部件在高温作用下很难做到不变形，而排气歧管如果发生一定量的变形后，法兰面的密封功能不失效，也是可以满足使用要求的。

扩大螺栓孔的目的就是允许排气歧管的法兰面发生一定量的变形。假如排气歧管的热变形到一定程度，就稳定了，不再变化了，那么该方案就能解决排气歧管试验后难拆卸的问题。

结合失效件的检测数据，将孔9设置为排气歧管定位孔，其直径为8.5 mm。将其他的螺柱安装孔直径由9.5 mm扩大为11 mm，这样两孔之间的相互距离缩短量不超过1.6 mm，理论上就应该可以轻松的拆卸。

通过200小时额定功率试验，对发动机进行拆解发现排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案失败了。

3.2 螺栓孔径向开槽

在扩大螺栓孔直径的基础上，将除定位孔9以外的其他螺栓孔增加径向开槽结构，开槽方向定为螺柱容易散热的方向。该方案的目的是希望通过径向开槽，来增加螺柱的散热，保证螺柱在工作时能提供足够的夹紧力，从而抑制排气歧管热变形。

通过试验验证，发动机排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案也失败了。

3.3 排气歧管材料中加Mo

在扩大螺栓孔直径的基础上，改变现有排气歧管的合金成分，在原材料中增加1%含量的Mo。该方案的目的是希望通过增加1%含量的Mo来提高排气歧管的耐高温特性。

通过试验验证，发动机排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案也失败了。

3.4 排气歧管结构优化

通过上述3个优化方案的试验验证，结果均以失败告终。因此，不得不更为系统和全面的考虑其他的优化方案。

通过原始方案和3个优化方案的验证结果，可以看出通过简单的变更已经很难解决该问题。于是提出了通过结构优化，来提高结构强度，从而抑制排气歧管收缩变形的想法。由于排气歧管结构的调整最大的问题是排气歧管的热强度是否满足要求。更改后的方案很有可能出现热强度不满足要求的情况，如果直接试验验证很有可能出现排气歧管局部开裂的问题。为了避免该问题的发生，又利用了CAE分析的手段对优化后的模型进行热强度计算。

通过对失效件的检测数据进行分析，可知靠近排气歧管出口的两缸法兰相互收缩较为严重，正对排气歧管出口的进气法兰还发生了扭转变形。因此，提出了增加进气法兰面厚度和在排气歧管各支管间增加加强筋的优化方案，各螺栓孔按照扩大螺栓孔直径的方案执行。原始方案和优化方案的对比如图4所示。

图4原始方案和优化方案的对比

通过CAE分析计算，发动机排气歧管满足热强度要求。于是开始制作手工样件进行试验测试，通过试验验证发现200小时额定功率试验后排气歧管能正常拆卸，将发动机恢复后继续试验，发动机累计完成500小时试验后对发动机进行拆解，发现排气歧管仍然能正常拆卸，且未发生开裂问题。因此，可以判定该方案能解决排气歧管难拆卸问题。

通过对模具的更改，得到最终的工装件，通过各种耐久性测试，均未发现排气歧管难拆卸问题，因此，该方案作为最终的批量生产方案得以实施。

4结论

文章通过对发动机试验后排气歧管进气法兰收缩问题进行了分析，并通过CAE计算分析的手段，确认了排气歧管进气法兰收缩问题是由于材料发生了高温蠕变导致的。由于测试数据较少，短时间内很难搭建考虑高温蠕变的CAE准确计算模型，因此选择了试验验证的方式，对各优化方案进行逐个验证。

通过对4个优化方案的试验验证，确认了排气歧管结构优化方案能减小排气歧管进气法兰收缩变形，能解决排气歧管难拆卸问题。

参考文献

[1]张国栋，游杰刚，刘海啸，等.镁质耐火材料高温蠕变特性的研究现状[J].耐火与石灰，2008（2）.

[2]李传栻.排气歧管材料更新换代的概况[J].现代铸铁，2011（S2）.

[3]崔晓鹏，刘海峰，王成刚，等.汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向[J].铸造，2008（10）.

[4]李红庆，杨万里，刘国庆，等.内燃机排气歧管热应力分析[J].内燃机工程，2005（5）.

[5]毛文群.发动机排气歧管结构的优化设计[J].机床与液压，2013（6）.

作者简介

张育春（1981-），男，四川广汉人，硕士研究生，主要从事发动机设计开发。

endprint

摘要随着排放法规的逐步加严，发动机排气温度也逐渐升高，某发动机排气歧管采用了高镍奥氏体球铁，试验后发现难拆卸问题。通过对失效件的检测分析发现靠近排气歧管出口的两缸法兰相互收缩较为严重，正对排气歧管出口的进气法兰还发生了扭转变形。通过CAE分析方法确认了排气歧管进气法兰收缩问题是由于材料高温蠕变导致的。通过试验验证的方法，确认了排气歧管结构优化方案能减小进气法兰收缩变形，能解决难拆卸问题。

关键词发动机；排气歧管；变形；螺栓孔

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0063-02

随着排放法规的逐步加严，越来越多的先进技术被批量应用，发动机排气温度也逐渐升高。目前，采用增压技术后的汽油发动机的排气温度已经达到甚至超过900℃，这对发动机排气歧管的材料选择提出了更高的要求。

高镍奥氏体球铁具有良好的高温力学性能，因此被普遍应用于增压发动机的排气歧管上。国外早在20世纪末就已经有发动机排气歧管采用该材料。常用的材料牌号有ISO标准中的牌号JSA/X Ni35Si5Cr2和美国ASTM标准中的牌号D-5S，两者化学成分十分相近。这两种奥氏体球墨铸铁，高温下抗氧化能力特别优越，耐高温特性可达到920℃。但是，由于其中的Ni的含量很高，价格昂贵，而且如进一步提高作业温度，则热变形量增大。

某增压发动机采用了高镍奥氏体球铁作为排气歧管的材料，初期设计计算时仅对排气歧管的热强度进行了分析评估，未考虑热变形问题。通过耐久性测试发现排气歧管进气法兰收缩变形，排气歧管螺栓孔直接与排气歧管双头螺柱卡死，导致排气歧管难拆卸，如图1所示。

由于发动机在寿命期内，可能有部分发动机因维修需要，将涉及到拆卸排气歧管，因此该问题必须找到相应的解决方案。为了快速找到解决方案，开展了详细的调查分析和试验验证。

图1排气歧管螺栓孔与螺柱卡死

1失效件检测分析

1.1 失效件尺寸检测

由于排气歧管进气法兰发生了收缩变形，导致螺栓孔与螺柱卡死，因此首先对排气歧管螺栓孔的相互位置进行检测，检测结果见表1。

通过检测可以发现螺栓孔2和3的孔间距离及螺栓孔9和10的孔间距离缩短较多。螺栓孔2，3，9，10所在的进气法兰离排气歧管出口最近，也是发生收缩变形最大的区域。螺栓孔2，10所在的进气法兰正对排气歧管出口，该进气法兰还发生了扭转变形。

表1螺栓孔的相互位置尺寸检测结果

孔间距离 理论值 实测值 变形量

1-2 67.3 67.382 0.082

2-3 41.7 40.248 -1.452

3-4 83 82.457 -0.543

4-5 47.6 47.588 -0.012

5-6 63.9 63.886 -0.014

7-8 81.7 81.737 0.037

8-9 83 82.484 -0.516

9-10 83 82.050 -0.950

1.2 失效件微观检测

为确认失效件的成分和金相是否满足要求，对失效件进行了取样，通过成分分析发现C含量为1.86%，Si含量为4.91%，Mn含量为0.54%，P含量为0.026%，S含量为0.006%，Cr含量为2.17%，Ni含量为34.19%，Cu含量为0.007%，Mg含量为0.12%，化学成分均在合格范围。

通过排气歧管进气法兰的显微组织分析发现石墨球化率为2级，石墨球径大小为7级，基体为奥氏体和碳化物。显微组织如图2所示。

通过失效件的微观检测，可以确认各技术指标均正常。

图2显微组织图片

2CAE计算分析

通过建立排气歧管的计算分析模型，对排气歧管进行了热变形分析，首次分析结果显示排气歧管进气法兰为伸长变形，这与试验结果明显矛盾，于是分析差异原因，发现该收缩变形可能是由于高温蠕变导致的。

高温蠕变是指材料在长时间的高温和一定的载荷下，产生的变形和时间的关系。由于施加的载荷不同，高温蠕变可以分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温扭转蠕变等。

计算模型中初步将高温蠕变因数考虑后，进行分析计算，结果显示考虑高温蠕变后排气歧管法兰发生了收缩变形，如图3所示。该结果趋势上已经与试验结果一致了，由此可以明确该热变形的主要原因是由于高温蠕变导致的。基于现有的测试数据很少，短时间内，很难搭建准确的计算模型，因此放弃了通过CAE计算分析的方法对比各优化方案的准确的变形量，选择了直接试验验证的方式进行优化改进。

图3考虑高温蠕变后的收缩变形

3方案验证与结论

3.1 扩大螺栓孔直径

零部件在高温作用下很难做到不变形，而排气歧管如果发生一定量的变形后，法兰面的密封功能不失效，也是可以满足使用要求的。

扩大螺栓孔的目的就是允许排气歧管的法兰面发生一定量的变形。假如排气歧管的热变形到一定程度，就稳定了，不再变化了，那么该方案就能解决排气歧管试验后难拆卸的问题。

结合失效件的检测数据，将孔9设置为排气歧管定位孔，其直径为8.5 mm。将其他的螺柱安装孔直径由9.5 mm扩大为11 mm，这样两孔之间的相互距离缩短量不超过1.6 mm，理论上就应该可以轻松的拆卸。

通过200小时额定功率试验，对发动机进行拆解发现排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案失败了。

3.2 螺栓孔径向开槽

在扩大螺栓孔直径的基础上，将除定位孔9以外的其他螺栓孔增加径向开槽结构，开槽方向定为螺柱容易散热的方向。该方案的目的是希望通过径向开槽，来增加螺柱的散热，保证螺柱在工作时能提供足够的夹紧力，从而抑制排气歧管热变形。

通过试验验证，发动机排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案也失败了。

3.3 排气歧管材料中加Mo

在扩大螺栓孔直径的基础上，改变现有排气歧管的合金成分，在原材料中增加1%含量的Mo。该方案的目的是希望通过增加1%含量的Mo来提高排气歧管的耐高温特性。

通过试验验证，发动机排气歧管仍然拆卸困难，因此该方案也失败了。

3.4 排气歧管结构优化

通过上述3个优化方案的试验验证，结果均以失败告终。因此，不得不更为系统和全面的考虑其他的优化方案。

通过原始方案和3个优化方案的验证结果，可以看出通过简单的变更已经很难解决该问题。于是提出了通过结构优化，来提高结构强度，从而抑制排气歧管收缩变形的想法。由于排气歧管结构的调整最大的问题是排气歧管的热强度是否满足要求。更改后的方案很有可能出现热强度不满足要求的情况，如果直接试验验证很有可能出现排气歧管局部开裂的问题。为了避免该问题的发生，又利用了CAE分析的手段对优化后的模型进行热强度计算。

通过对失效件的检测数据进行分析，可知靠近排气歧管出口的两缸法兰相互收缩较为严重，正对排气歧管出口的进气法兰还发生了扭转变形。因此，提出了增加进气法兰面厚度和在排气歧管各支管间增加加强筋的优化方案，各螺栓孔按照扩大螺栓孔直径的方案执行。原始方案和优化方案的对比如图4所示。

图4原始方案和优化方案的对比

通过CAE分析计算，发动机排气歧管满足热强度要求。于是开始制作手工样件进行试验测试，通过试验验证发现200小时额定功率试验后排气歧管能正常拆卸，将发动机恢复后继续试验，发动机累计完成500小时试验后对发动机进行拆解，发现排气歧管仍然能正常拆卸，且未发生开裂问题。因此，可以判定该方案能解决排气歧管难拆卸问题。

通过对模具的更改，得到最终的工装件，通过各种耐久性测试，均未发现排气歧管难拆卸问题，因此，该方案作为最终的批量生产方案得以实施。

4结论

文章通过对发动机试验后排气歧管进气法兰收缩问题进行了分析，并通过CAE计算分析的手段，确认了排气歧管进气法兰收缩问题是由于材料发生了高温蠕变导致的。由于测试数据较少，短时间内很难搭建考虑高温蠕变的CAE准确计算模型，因此选择了试验验证的方式，对各优化方案进行逐个验证。

通过对4个优化方案的试验验证，确认了排气歧管结构优化方案能减小排气歧管进气法兰收缩变形，能解决排气歧管难拆卸问题。

参考文献

[1]张国栋，游杰刚，刘海啸，等.镁质耐火材料高温蠕变特性的研究现状[J].耐火与石灰，2008（2）.

[2]李传栻.排气歧管材料更新换代的概况[J].现代铸铁，2011（S2）.

[3]崔晓鹏，刘海峰，王成刚，等.汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向[J].铸造，2008（10）.

[4]李红庆，杨万里，刘国庆，等.内燃机排气歧管热应力分析[J].内燃机工程，2005（5）.

[5]毛文群.发动机排气歧管结构的优化设计[J].机床与液压，2013（6）.

作者简介

张育春（1981-），男，四川广汉人，硕士研究生，主要从事发动机设计开发。

endprint