汽油發(fā)動機缸體主油道堵頭漏油分析與診斷

何將慶，秦亮，廖長青

（寶雞吉利發(fā)動機有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 前言

汽油發(fā)動機缸體主油道漏油是影響發(fā)動機性能和整車性能的重要問題之一。漏油會造成機油壓力下降，過低的機油壓力使得各潤滑副之間不能形成有效的潤滑油膜，加劇潤滑副的磨損，嚴(yán)重的會導(dǎo)致曲軸、連桿軸瓦的燒結(jié)，發(fā)動機抱死、無法啟動。汽車市場上頻繁出現(xiàn)漏油事件，其中很多都是從主油道漏出的，如圖1所示。

主油道漏油一般是堵頭密封不良引起，汽油發(fā)動機主油道堵頭密封形式主要有碗型塞、螺紋堵頭和鋼球三種，根據(jù)不同的工藝孔直徑和油壓選擇合適的密封方式。主油道孔直徑一般為10-20mm，從工藝和成本考慮，普遍采用碗型塞密封。但由于發(fā)動機工作條件惡劣，尤其是堵頭所在缸體表面靠近排氣歧管這個最大熱源，溫度變化很大，熱脹冷縮嚴(yán)重，碗型塞壓入工藝設(shè)計不好很容易導(dǎo)致漏油發(fā)生。

圖1 主油道堵頭漏油

本文深入分析了鋁制缸體主油道碗型塞漏油路徑形成的詳細(xì)過程和原因，并提出了工藝改善對策，力求徹底解決主油道漏油問題。

2 失效模式分析

碗型塞密封原理如圖2所示，通過堵頭（鐵制）和油道孔（鋁制）的過盈配合外加厭氧型密封劑實現(xiàn)主油道密封。原理雖然簡單，但由于壓入好壞一般只能通過破壞檢查判斷，很難發(fā)現(xiàn)，一旦出現(xiàn)就是批量不良。

圖2 碗型塞密封原理

密封不良的失效模式最常見的有4種：堵頭壓偏、堵頭和油孔之間有貫通傷痕、密封劑涂布不良、堵頭或缸體主油道孔尺寸不良。其中最主要、最難解決的是堵頭壓偏造成的失效，占比高達(dá)76%。本文主要對該失效模式進行解析。

2.1 堵頭壓偏原因分析

堵頭正常壓入油道孔時，兩者軸線基本重合，堵頭對整個主油道孔施以均勻地擠壓力。由于堵頭為鐵制件，硬度相對鋁制的油道孔高，壓入時擠壓力造成孔壁變形，形成有效密封。堵頭擠壓孔壁時會在孔壁上產(chǎn)生細(xì)小的刮痕，厭氧型密封劑會滲入其中保證密封，所以正常壓入時不會有漏油發(fā)生。正常壓入的過程如圖3所示。

圖3 堵頭正常壓入

正常壓入形成的壓痕如圖4所示，孔壁壓痕非常均勻。

圖4 堵頭正常壓入形成的壓痕

堵頭壓偏則有兩種情況：第一種是堵頭和主油道孔軸線平行但有較大偏移量（偏心壓入），第二種是堵頭和主油道孔軸線交叉（傾斜壓入）。盡管各主機廠壓入工藝和設(shè)備各有不同，但壓偏的方式基本是這兩種。下面詳細(xì)分析兩種情況下堵頭壓偏的失效過程，如圖5、圖6所示。

圖5 偏芯壓入

圖6 傾斜壓入

從以上兩個過程不難看出：

（1）兩個過程最終表現(xiàn)都是堵頭偏斜入孔，使得原本堵頭外圓和主油道孔壁形成的面密封變成點密封，密封性下降，造成漏油；

（2）傾斜壓入是偏心壓入的后期表現(xiàn)，更易造成漏油。

在發(fā)動機實際運轉(zhuǎn)中，堵頭與缸體結(jié)合處反復(fù)熱脹冷縮，溫差很大，漏油更容易產(chǎn)生。

堵頭壓偏形成的壓痕如圖7所示：

圖7 堵頭壓偏形成的壓痕

仔細(xì)分析圖5壓入過程，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在偏心壓入時，壓入深度和密封性存在一定的關(guān)系。當(dāng)下壓初期的時候，堵頭外圓和孔壁能保證正常的過盈配合，但到達(dá)一定的位置后，由于孔壁和壓頭的作用力，繼續(xù)下壓可能造成堵頭變形，過盈量變小，密封性變差。簡言之，壓入深度并非越深越好，壓入過深，導(dǎo)致過盈量變小、密封性變差的可能性也增大。

由公式：

式中：

e－過盈量

Pf / S－結(jié)合面壓入力

Df－結(jié)合直徑

Ea－彈性模量

Ca－堵頭與孔的尺寸參數(shù)，可查表。

可知，過盈量e與壓入力Pf成正比，而壓入力越大，拔出力相應(yīng)越大，所以拔出力與過盈量正相關(guān)，過盈量越大，密封性越好。

圖8的實驗曲線驗證了壓入深度與拔出力的關(guān)系。從該圖可以看出，壓入深度為 1.7mm的拔出力較壓入深度為0.7mm的拔出力低了 100N。也就是說，壓入深度大小與密封性成反比，表1為壓入深度與拔出力列表。

圖8 壓入深度與拔出力的試驗分布（N=5）

表1 壓入深度與拔出力列表

為了更有效地驗證這一判斷，我們設(shè)計了加速冷熱試驗，對壓入深度和整機漏油的關(guān)系進行實機確認(rèn)。圖9為試驗結(jié)果：

圖9 壓入深度與漏油循環(huán)數(shù)（N=3）

試驗條件如下：

圖10 試驗條件

由圖9可知，壓入深度為0.2mm工件在20個冷熱循環(huán)后才開始滲漏，壓入深度為1.7mm的工件在3個冷熱循環(huán)后即開始滲漏。

通過以上分析，堵頭壓偏導(dǎo)致漏油的原因有2點：

（1）工藝設(shè)計上，壓入深度過大，堵頭和主油道孔壁容易造成較大變形，產(chǎn)生壓偏；

（2）壓入設(shè)備上，經(jīng)常有堵頭和主油道孔軸線不重合，出現(xiàn)偏心或傾斜的狀態(tài)。

2.2 堵頭壓偏對策

為了能預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)壓偏現(xiàn)象，提出以下改善對策：

（1）工藝設(shè)計時，在保證壓入設(shè)備工序能力的基礎(chǔ)上，盡可能減小壓入深度，以便最大限度吸收壓入設(shè)備偏心或傾斜帶來的影響。壓入深度下限設(shè)到0.2mm即可；

（2）對壓入設(shè)備進行良品條件管理，定期校正，保證堵頭和主油道孔在同一軸線上壓入；

（3）壓入設(shè)備追加報警裝置，當(dāng)出現(xiàn)壓偏不良后，設(shè)備能及時報警并停止。由于堵頭壓偏后會對過盈量產(chǎn)生影響，可根據(jù)理論過盈量設(shè)置設(shè)備的高、低壓報警。

3 結(jié)論

通過變更工藝規(guī)格和改善制造壓入設(shè)備，形成了堵頭壓入工序的良品條件，解決了主機廠一直存在的主油道漏油問題。