C210N轎車發動機排氣波紋管內高壓成形分析

摘 要：本文分析了C210N轎車發動機排氣波紋管的內高壓成形技術，波紋管作為排氣系統關鍵部件，具有柔韌性、耐腐蝕性和耐高溫性等特點。內高壓成形技術能精確塑造波紋管形狀，提高強度和柔韌性，實現一次成形，提升生產效率。該技術還增強了波紋管的密封性能和耐久性，適應了高溫、高壓和振動等復雜工況。文章對C210N轎車排氣波紋管的材料選擇及有限元分析進行了闡述，得出中間波紋區域變形量最大，并通過有限元分析得到合適的成形工藝參數。

關鍵詞：波紋管 內高壓成形 有限元分析 工藝

在汽車制造領域，排氣系統的重要性不言而喻。而其中，波紋管作為關鍵部件之一，其特點主要包括：1.柔韌性：能夠適應汽車在行駛過程中的振動和運動，減少因部件剛性連接導致的損壞風險；2.耐腐蝕性：可抵御排氣系統中廢氣的腐蝕作用；3.耐高溫性：能在高溫（通常大于900℃）的排氣環境下保持性能穩定。其作用主要包括：1.吸收振動，有效減少發動機運轉產生的振動傳遞到車身，提升駕乘舒適性；2.補償位移，彌補發動機與車身之間因熱脹冷縮等因素產生的相對位移；3.降低噪聲，對排氣氣流起到一定的緩沖作用，從而降低排氣噪聲；4.連接過渡，在排氣系統的不同部件之間提供靈活的連接和過渡。因此其制造工藝的先進與否直接影響著整個排氣系統的性能和質量。近年來，內高壓成形技術在汽車排氣系統波紋管的生產中得到了廣泛應用。

內高壓成形是一種創新的制造工藝，它為波紋管的制造帶來了諸多優勢。通過該技術，能夠精確地塑造出波紋管復雜而獨特的形狀。與傳統工藝相比，內高壓成形的波紋管具有更高的強度和更好的柔韌性。在具體的內高壓成形過程中，高壓液體被注入管坯內部，在模具的作用下，管坯按照設計要求發生變形，從而形成具有特定形狀和尺寸的波紋管。這種工藝可以實現一次成形，大大提高了生產效率，同時也減少了后續加工的工序和成本。

汽車排氣系統波紋管的內高壓成形技術還有助于提升其密封性能。良好的密封可以確保廢氣有效排出，減少泄漏對環境和車輛性能的影響。并且，該技術能夠制造出更加緊湊的波紋管結構，為汽車整體布局提供了更大的靈活性。此外，內高壓成形能夠使波紋管更好地適應排氣系統中的高溫、高壓和振動等復雜工況。它增強了波紋管的耐久性，延長了其使用壽命，從而保障了汽車的長期穩定運行。隨著汽車工業的不斷發展和進步，對于排氣系統波紋管的要求也在持續提高。內高壓成形技術將繼續發揮重要作用，不斷推動汽車排氣系統性能的優化和升級，為汽車行業的高質量發展貢獻力量。

汽車上常見的內高成形零件主要包括：排氣管總成（圖1）的排氣歧管、排氣尾管、波紋管等。其他采用內高壓成形工藝制造的零件，如異型連接管等如圖2。

1 產品選材

本次分析采用的零件為C210N排氣管總成上的其中一個零件，熱端與冷端連接軟管，即波紋管（圖3），其管坯原始厚度為0.25mm。

2 材料選擇

考慮到波紋管的高溫使用環境，本次分析采用鐵素體不銹鋼1Cr15，其具有良好的耐高溫性能、耐腐蝕性和強度，是較為常見的波紋管材料。

3 有限元分析

有限元分析可以幫助工程師提前預測和解決可能出現的問題，優化內高壓成形工藝，提高產品質量和生產效率。同時，不同的分析軟件可能在具體操作上會有所差異，但基本原理和步驟是相似的。

3.1 本次分析采用殼體單元分析，主要分析程為

（1）模型建立：創建波紋管及相關模具的三維幾何模型，包括管坯、模具等。

（2）材料定義：選擇合適的材料模型并定義材料的力學性能參數，如屈服強度、彈性模量等。

（3）網格劃分：將模型劃分為合適的網格單元，以確保分析的準確性和計算效率。

（4）邊界條件設置：設定內高壓的加載曲線、模具的約束條件以及可能的摩擦條件等。

（5）初始狀態定義：確定管坯的初始幾何形狀和狀態。

（6）分析求解：運行有限元軟件進行內高壓成形過程的模擬計算，求解變形、應力、應變、厚度變化等結果。

（7）結果評估：查看和分析得到的變形形狀、壁厚分布、應力分布等結果，評估成型質量和可能出現的問題，如過度減薄、起皺等。

（8）優化設計：根據分析結果對模具設計、工藝參數等進行調整和優化，以獲得更好的成型效果。

（9）迭代驗證：重復上述步驟進行多次迭代，直到獲得滿意的設計和工藝方案。

由于前期對主要工藝參數壓力未知，因此在加載時需要考慮不同壓力成型工藝的對比，以選擇出最佳的壓力參數，用于后續生產中。初步定義成型壓力由50MPa至110MPa，間隔20MPa，共4組數據。

3.2 不同成型壓力下的波紋管有限元分析結果

根據具統計結果，輸出隨壓力變化下的應力、變形、厚度曲線如下。

根據以上結果看出，隨著成型壓力增加，應力逐漸增加，變形量逐漸減小，厚度逐漸減薄，但是在成型壓力增加到一定長度以后，以上3個值幾乎趨于穩定，當壓力增加到90MPa后變化不大，趨于穩定，同時應力值小于材料拉伸強度，不會產生裂紋。說明此時管坯與模具已經貼合，繼續增加成型壓力對成型結果影響不大，同時考慮到增加成型壓力會降低經濟性，因此，該波紋管的成型壓力設定為90MPa即可滿足要求，此時最大應力357.9MPa，最大變形量21.28mm，小厚度0.2268mm，最大減薄率9.3%。

4 結語

通過對C210N轎車發動機排氣波紋管內高壓成形零件的分析，得出以下結論。

中間波紋區域變形量最大，與此同時減薄率也最大；采用鐵素體不銹鋼1Cr15能夠滿足該波紋管的內高壓成形要求；通過有限元分析模擬，得到較為合適的成型工藝參數，成形壓力為90MPa。

基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目《汽車三元催化器端蓋內高壓成形研究》，（項目編號：2024KY1279）。

參考文獻：

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