發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋工藝孔螺塞的密封機(jī)理及設(shè)計

靳寶宏

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201206）

0 引言

發(fā)動機(jī)通過燃料在其燃燒室內(nèi)部燃燒釋放熱能推動活塞運動來對外輸出動力，同時多余的熱量通過缸體和缸蓋傳遞到發(fā)動機(jī)各個角落。冷卻系統(tǒng)的功能是將缸體和缸蓋的熱量通過冷卻液的循環(huán)帶到發(fā)動機(jī)外面，保證發(fā)動機(jī)工作在正常的溫度區(qū)間?；钊鶑?fù)運動時，各運動組件相對高速運動，潤滑系統(tǒng)的功能為運動組件提供潤滑功能，降低組件零件的磨損。

冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)都是集成在缸體和缸蓋中。其通過預(yù)鑄孔的形式初步成型，通過橫向機(jī)加工的形式將獨立的通道連接成冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。在發(fā)動機(jī)運行過程中，2個系統(tǒng)通道內(nèi)部各自承受著冷卻液和潤滑液的壓力，及燃燒產(chǎn)生的熱變形。

螺塞是密封冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)中的組成部件（見圖1），其要求在發(fā)動機(jī)運行過程中不得有任何泄漏。如何設(shè)計可靠的螺塞，是影響發(fā)動機(jī)性能和耐久性的重要環(huán)節(jié)。

1 螺塞工作狀態(tài)

通常汽油機(jī)的冷卻液溫度約110℃，壓力約200 kPa；潤滑液的溫度為100℃，壓力為400～500 kPa，特別是高壓油道的峰值壓力可達(dá)800 kPa。螺塞通過一定的擰緊扭矩安裝在工藝孔上進(jìn)行密封，故其不僅承受著來自冷卻液和潤滑油的壓力，還要克服由缸體和缸蓋受熱負(fù)荷引起的變形。對螺塞的設(shè)計要求是，密封處不允許有任何液體泄漏。這對螺塞的密封性能提出很大的挑戰(zhàn)。

2 螺塞密封機(jī)理

螺塞的密封主要是通過法蘭處的壓應(yīng)力和其螺紋部分的涂膠來實現(xiàn)?；谳p量化的考量，目前汽油發(fā)動機(jī)的缸體和缸蓋都采用全鋁設(shè)計方案?？紤]到成本問題，螺塞采用低碳鋼設(shè)計方案。

3 螺塞設(shè)計

3.1 法蘭密封設(shè)計

通過合適的擰緊扭矩，將螺塞沿著冷卻液道或油道的內(nèi)螺紋進(jìn)行旋緊，直至螺塞的法蘭壓緊在待密封的工藝孔的法蘭上。在短暫的發(fā)動機(jī)熱試試驗中，法蘭起主要的密封作用。按照螺塞法蘭密封原理，可將螺塞設(shè)計成2種形式：一為帶有鋁材質(zhì)平墊片的螺塞，如圖2a）所示，一為楔形且不帶鋁墊片的螺塞，如圖2b）所示。

圖2 螺塞種類

3.1 .1 帶墊片螺塞

通常，墊片是壓在螺塞法蘭上，與螺塞組成小總成，然后提供給主機(jī)廠，如圖3所示。墊片常用的材質(zhì)是Al3003，其硬度較缸體、缸蓋的鋁材質(zhì)偏軟，墊片的單邊寬度在3 mm以上。這樣保證在擰緊過程中，夾緊力作用在螺塞鋁墊片材質(zhì)上，并在墊片上保持一定的壓應(yīng)力。如果工藝孔有微小的加工缺陷，通過鋁墊圈的變形可以阻止某些缺陷引起的泄漏問題。

圖3 帶墊片的螺塞

工藝孔的內(nèi)螺紋與法蘭之間需要保持一定的垂直度，以保證壓緊過程中，螺塞墊片整個圓周得到均勻的壓應(yīng)力。由于機(jī)加工的復(fù)雜性，這個垂直度很難保證。最好的方法是加工內(nèi)孔時使用成型刀具，通過一次裝夾的方式同時加工內(nèi)孔和法蘭，這樣加工質(zhì)量才會有保證。

3.1.2 楔形不帶墊片螺塞

還有一種螺塞本身不帶墊片，其采用楔形法蘭，與螺塞軸線呈傾角。在擰緊的過程中，螺塞上的法蘭與垂直的工藝孔法蘭貼合并發(fā)生干涉，將工藝孔的直角壓得變形，以此達(dá)到密封的目的，如圖4所示。

圖4 不帶墊片的楔形螺塞

這種螺塞的優(yōu)勢是不僅少了鋁墊片，還取消了壓鋁墊片的工藝，而且加工內(nèi)孔時對垂直度要求不高，保證了內(nèi)孔加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。通常這種設(shè)計僅限于鋁合金的工藝孔，且需要較大擰緊扭矩來達(dá)到讓工藝孔邊緣變形的目的。

3.2 螺紋密封設(shè)計

在發(fā)動機(jī)耐久過程中，由于受到熱應(yīng)力的影響，工作一段時間后，工藝孔的直徑會膨脹，僅靠端面密封無法滿足密封要求；此外，發(fā)動機(jī)運行時，受振動影響，加上加工缺陷，端面密封就顯得脆弱了，而螺紋涂膠可保證螺塞密封的可靠性。

眾所周知，螺紋配合是有間隙的，冷卻液和潤滑油會順著螺紋的螺旋方向流到法蘭處；因此，設(shè)計在螺紋的間隙處填充密封膠，見圖5。目前Precote 85是一種理想的填充材料。它是一種AB型微膠囊，在擰緊過程中被擠破而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而起到密封的效果；同時，它也具備防松的功能，也被大量用在緊固件防松用途上。其使用溫度范圍為-60～170℃，在發(fā)動機(jī)的工作范圍之內(nèi)；其固化時間是6 h。如果安裝完畢要進(jìn)行試驗，需要放置6 h以上。

圖5 涂膠的螺塞

4 影響螺塞密封的其他因素

除了前面提及的影響螺塞密封性能的因素外，內(nèi)螺紋表面質(zhì)量、螺塞擰緊扭矩、螺塞的螺紋表面處理等對螺塞密封也有至關(guān)重要的影響。

4.1 內(nèi)螺紋表面質(zhì)量

螺塞是通過螺紋來連接的，內(nèi)螺紋質(zhì)量的好壞直接影響螺塞涂膠后的密封效果。在螺紋連接中，有時制造部門為了提高刀具的耐久性，使用滾壓加工方式來加工工藝孔的內(nèi)螺紋，這在螺塞應(yīng)用中是不允許的。切削螺紋有很好的牙形，如圖6a）所示；而滾壓螺紋在成形過程中容易形成雙牙尖，如圖6b）所示，在雙牙尖處形成了泄漏通道。

圖6 不同螺紋加工工藝

4.2 螺塞擰緊扭矩

前面提到螺塞是通過一定擰緊扭矩固定在缸體和缸蓋上。擰緊扭矩的大小決定了法蘭上壓應(yīng)力的大小。擰緊扭矩越大，法蘭上的壓應(yīng)力也越大，密封性能越好。由于螺塞是低碳鋼材料，其強(qiáng)度高于內(nèi)螺紋的鋁材，在擰緊扭矩上升到一定值時，內(nèi)螺紋達(dá)到屈服，故最大擰緊扭矩不能高于內(nèi)螺紋的屈服點。圖7為擰緊裝置，圖8為螺塞的擰緊轉(zhuǎn)角-扭矩曲線。需要注意，擰緊曲線不能進(jìn)入屈服階段。

圖7 擰緊連接

圖8螺塞擰緊曲線

圖9 所示為螺塞擰緊扭矩、通道內(nèi)部壓力和通道密封之間的關(guān)系。從圖9中可以明顯看出，隨著內(nèi)部壓力增大，螺塞需要更大的擰緊扭矩才能確保通道密封。

圖9 螺塞擰緊扭矩、內(nèi)部壓力與密封關(guān)系

4.3 螺紋表面處理

螺塞是裸露在發(fā)動機(jī)外面的零件，需要做防腐處理。較低防腐能力的表面處理，會導(dǎo)致螺塞在生命周期內(nèi)腐蝕，進(jìn)而造成泄漏的發(fā)生。常見的螺塞表面處理為電鍍：電鍍鋅或電鍍鋅鎳。

電鍍工藝具有良好的表面均勻性，特別適合涂膠。電鍍鋅厚度在8 μm以上，防腐能力為抗鍍層腐蝕120 h，抗基體腐蝕為240 h，防腐能力較低。電鍍鋅鎳厚度也在8 μm以上，而防腐能力就非常強(qiáng)，抗基體腐蝕能力能達(dá)到1 000 h以上。當(dāng)然，鍍鋅鎳的價格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍍鋅。

5 螺塞密封性試驗設(shè)計

螺塞密封性驗證是要求通過發(fā)動機(jī)臺架試驗和整車道路試驗的。如果在試驗過程中發(fā)生泄漏，必會造成一定的認(rèn)證資源浪費及認(rèn)證時間的緊迫性；故螺塞遞交到主機(jī)廠前，需要供應(yīng)商模擬整車試驗做子系統(tǒng)測試。為此設(shè)計了一種簡單實用的螺塞試驗方法。

5.1 測試條件

測試介質(zhì)：壓縮空氣

測試溫度： （23±2）℃

測試壓力：100～900 kPa±10 kPa

保壓時間：60 s

5.2 測試設(shè)備

測試設(shè)備包括壓力測試裝置 （如圖10所示）、空氣壓縮機(jī)、壓力顯示器，溫度計和計時器。

空氣壓縮機(jī)須能保證提供900 kPa的壓力，以滿足測試壓力的需求。

5.3 測試程序

從正式的螺塞生產(chǎn)線上隨機(jī)抽取3個樣件，涂上密封膠，并按一定擰緊扭矩要求安裝在壓力測試裝置上，靜置6 h；然后將壓力測試裝置置于溫度為 （23±2）℃水中，接通壓縮空氣；根據(jù)螺塞的功能，使壓力達(dá)到規(guī)定值，并保持60 s，檢查是否有泄漏現(xiàn)象。

6 結(jié)論

螺塞是發(fā)動機(jī)冷卻通道和潤滑通道的重要密封元件。如果發(fā)動機(jī)在顧客手中發(fā)生泄漏，維修成本極高。本文給出了一種切實可行的螺塞設(shè)計方案，詳述了螺塞密封的關(guān)鍵點，并提供一種簡單實用的測試方法。目前這些螺塞已大量應(yīng)用于批量生產(chǎn)項目中，密封性能優(yōu)異。