某發(fā)動機(jī)缸蓋碗型塞密封失效分析及解決案例研究

黃金華，范慶先，賀禮，李強(qiáng)，孫蕭，趙福成

某發(fā)動機(jī)缸蓋碗型塞密封失效分析及解決案例研究

黃金華1,2，范慶先1,2，賀禮1,2，李強(qiáng)1,2，孫蕭1,2，趙福成1,2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

碗型塞又名堵塞，因碗型塞的結(jié)構(gòu)相對簡單，可靠性高，價格便宜，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)。通過碗型塞與孔的過盈配合，及密封膠雙重作用進(jìn)行密封，碗型塞作為發(fā)動機(jī)常見的水道，油道密封方式，常見問題主要為漏液，因其結(jié)構(gòu)簡單，漏液問題根因也常常容易忽視；文章主要圍繞發(fā)動機(jī)碗型塞漏水問題整改進(jìn)行了理論分析和試驗驗證，為問題解決提供參考。

發(fā)動機(jī)；碗型塞；漏液；密封

1 引言

碗型塞密封是汽車發(fā)動機(jī)常見的密封方式，廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)水道、油道密封。碗型塞的密封需要設(shè)計匹配、生產(chǎn)工藝、零件質(zhì)量綜合因素保證，因此在量產(chǎn)過程中，不可避免地會出現(xiàn)密封失效的問題。碗型塞密封失效導(dǎo)致的“三漏”問題，是市場客戶及主機(jī)廠都無法接受的。本文針對某款發(fā)動機(jī)缸蓋水道碗型塞密封失效原因進(jìn)行了分析及整改。

2 問題背景

發(fā)動機(jī)組裝下線進(jìn)行臺架熱試后，出現(xiàn)了批量的缸蓋水道碗型塞密封處滲液現(xiàn)象，攻關(guān)解決此問題。

3 問題分析排查

3.1 故障確認(rèn)

缸蓋碗型塞在熱試后出現(xiàn)滲漏，如下圖。泄漏區(qū)域初步確認(rèn)鎖定為7點(diǎn)鐘方向。為進(jìn)一步確定故障現(xiàn)象，擦拭后，滲漏缸蓋后端清洗干凈，噴顯影后熱試運(yùn)行1000s后觀察，確認(rèn)漏點(diǎn)在7-8點(diǎn)鐘位置，與首發(fā)故障吻合，如圖1。

圖1 漏液圖示

3.2 碗型塞密封結(jié)構(gòu)及原理

發(fā)動機(jī)所使用的碗型塞為Ｑ722系列標(biāo)準(zhǔn)碗型塞（如下圖2）。它與安裝孔的配合符合QC／T388-1999的要求[1]。

圖2 Ｑ722系列碗型塞

碗型塞與缸蓋孔為過盈配合，碗型塞選型為Q72226[2]（φ26（+0.30/+0.35），匹配缸蓋孔φ26H8（0/+0.033）尺寸，通過過盈量保證宏觀密封。

微觀密封方式采用密封膠密封。碗型塞密封截面為錐面，碗型塞的有效密封區(qū)域為直徑較大的一端，如圖3。密封膠涂在密封有效區(qū)域?qū)崿F(xiàn)微觀密封。

圖3 碗型塞

3.3 問題排查[3]

基于密封原理，依次對碗型塞壓裝狀態(tài)，切割后的密封區(qū)域狀態(tài)，零件質(zhì)量、設(shè)計校核進(jìn)行排查分析。

圖4 問題排查

3.3.1碗型塞壓裝狀態(tài)確認(rèn)

測量密封失效的碗型塞不同區(qū)域壓裝深度，不同區(qū)域內(nèi)深度差值超過了0.5mm。目測存在明顯的壓偏。如圖5：

圖5 失效案例壓裝尺寸

進(jìn)一步加大樣本量測試，抽檢5臺缸蓋。壓偏量散差較大，部分超過了0.5mm。如圖6：

圖6 抽檢分布

碗型塞壓裝過程中應(yīng)受力均勻，保證壓裝后狀態(tài)盡可能不產(chǎn)生傾斜與形變。需排查碗型塞壓裝后狀態(tài)不良的因素。

通過監(jiān)控碗型塞壓力機(jī)壓裝曲線，如下圖7。壓裝壓裝過程中有明顯的偏心找正過程。合理范圍內(nèi)地對中度散差不會造成壓裝失效。

圖7 壓裝曲線

校核碗型塞受力面與壓力工裝壓頭的配合，間隙為0.385mm-0.615mm。此外，壓頭與碗型塞底面配合為點(diǎn)接觸，需改善為仿行壓頭（圖8），優(yōu)化為面接觸。

圖8 壓頭工裝

3.3.2密封膠狀態(tài)確認(rèn)

拆解后發(fā)現(xiàn)碗型塞密封膠不連續(xù)，且密封膠區(qū)域靠近內(nèi)側(cè)。該碗形塞是錐形密封，涂膠位置離孔口倒角遠(yuǎn)（實測3mm），膠無法大面積填充到密封面，起不到彌補(bǔ)間隙密封的作用。

該碗形塞是錐形密封，涂膠位置離孔口倒角遠(yuǎn)（實測3mm），膠無法大面積填充到密封面，起不到彌補(bǔ)間隙密封的作用。校核涂膠位置需往外調(diào)整2mm后可改善。

此外，缸蓋碗型塞孔經(jīng)過清洗機(jī)后，殘留的清洗液油脂會導(dǎo)致密封膠間斷，達(dá)因筆測試缸蓋孔清洗效果不連續(xù)。需增加除脂工藝，優(yōu)化膠線不連續(xù)問題，如圖9。

圖9 膠線不連續(xù)

3.3.3零部件質(zhì)量問題排查

3.3.3.1 缸蓋孔尺寸排查

收集及測量缸蓋碗型塞孔尺寸加工過程數(shù)據(jù)，多方向測試，測試尺寸數(shù)據(jù)合格，過程能力＞1.33.無風(fēng)險。

圖10 過程能力數(shù)據(jù)

3.3.3.2 碗型塞尺寸排查

對影響密封的碗型塞尺寸、性能項進(jìn)行檢測分析，檢測結(jié)果合格，其尺寸檢測結(jié)果見表1：

表1 尺寸檢測結(jié)果

其機(jī)械性能檢測結(jié)果見表2：

表2 機(jī)械性能

3.3.4設(shè)計校核

過盈量校核：

碗型塞選型為Q72226（dφ26（+0.30/+0.35），匹配缸蓋孔φ26H8（0/+0.033）尺寸，過盈量為0.267-0.35。

根據(jù)汽車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)QC/T 388-1999中Q722碗型塞片的要求，底孔采用H8級（基孔制），碗型塞和孔配合尺寸根據(jù)表格中尺寸控制。目前碗型塞的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計吻合，參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。對標(biāo)本公司其他平臺標(biāo)準(zhǔn)型碗型塞，φ26的直徑采用相同的尺寸設(shè)計。如表3：

表3 碗型塞配合

密封膠型號校核：

碗型塞選用的密封膠為樂泰648，樂泰648是一款厭氧膠，具有快速固化，高強(qiáng)度，適合壓入配合特點(diǎn)，用于連續(xù)工作溫度達(dá)175℃的場合。樂泰648是相關(guān)性能如下：

表4 樂泰648性能

校核開發(fā)階段溫度場數(shù)據(jù)，缸蓋水道區(qū)域最高溫度為125℃。前期開發(fā)耐久試驗已驗證完成，密封膠型號滿足使用要求。

3.4 失效原因總結(jié)

①碗型塞壓裝工裝結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致碗型塞壓偏；

②涂膠位置不合理導(dǎo)致膠線的有效密封區(qū)域較?。?/p>

③未除脂導(dǎo)致膠線不連續(xù)。

4 優(yōu)化與驗證

4.1 碗型塞壓入工裝優(yōu)化

參照碗型塞的結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化后，工裝與碗型塞兩側(cè)間隙0.095-0.035mm。工裝與碗型塞底面為面接觸。保證壓裝力均勻，減小側(cè)向力，優(yōu)化碗型塞壓偏。

優(yōu)化后的碗型塞壓入工裝如下圖11：

圖11 仿形壓頭工裝

4.2 涂膠位置優(yōu)化

通過尺寸鏈計算，為保證密封膠在密封區(qū)域的分布。涂膠位置調(diào)整為2mm。整改后，驗證對比壓裝后的涂膠位置，大幅度改善。

4.3 除脂工藝通過增加人工除脂優(yōu)化

改善密封膠不連續(xù)問題，整改后效果如下圖12。

圖12 整改后膠線

4.4 整改效果確認(rèn)

上述整改措施實施后，跟蹤9000件生產(chǎn)熱試后未發(fā)生一起漏水失效，故障率下降為0，整改措施有效。

5 結(jié)語

碗型塞的密封受過盈量，壓裝后的碗型塞狀態(tài)、涂膠狀態(tài)綜合保證。需要通過設(shè)計合理匹配/零部件質(zhì)量合格、工裝工藝的合理來實現(xiàn)。

設(shè)計匹配方面：標(biāo)準(zhǔn)碗型塞參照汽車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選用，配合采用基孔制設(shè)計；碗型塞材料選擇同樣有標(biāo)準(zhǔn)，需選用不低于工作強(qiáng)度要求。密封膠選擇需滿足環(huán)境溫度、適合壓裝工藝，也可以通過對標(biāo)其他成熟平臺確定。

工藝方面：在碗型塞壓入過程中，要壓裝力均勻，實現(xiàn)壓入后碗型塞無明顯傾斜。其中，工裝結(jié)構(gòu)是很重要的影響因素。

零部件質(zhì)量是保證密封的充分條件，通過對故障件測量結(jié)果分析，同時增加同批次產(chǎn)品的檢測數(shù)量的手段。根據(jù)過程能力及數(shù)據(jù)結(jié)果鎖定產(chǎn)品是否存在風(fēng)險。

當(dāng)碗型塞密封失效時，圍繞上述三個方面，可以快速鎖定原因，整改驗證，消除風(fēng)險。

[1] QC/T 388-1999.中華人民共和國專業(yè)標(biāo)準(zhǔn),碗型塞片.

[2] 李洪德.汽車常用的標(biāo)準(zhǔn)件資料手冊[M].吉林:科學(xué)技術(shù)出版社, 2000.

[3] 秦學(xué)海.發(fā)動機(jī)碗形塞處漏油問題分析及解決方法[C].2016中國汽車工程學(xué)會年會論文集.

Study on the Failure Analysis and Solved Cases of Bowl Plug Sealing of Engine Cylinder Head

Huang Jinhua1,2, Fan Qingxian1,2, He Li1,2, Li Qiang1,2, Sun Xiao1,2, Zhao Fucheng1,2

（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）

Bowl plug, also known as plug, is widely used in internal combustion engines because of its relatively simple structure, high reliability and low price. Sealing is accomplished through the interference fit between the bowl plug and the hole and sealant. As a common sealing mode of engine cooling water jacket and oil channel, a common problem bowl plug is liquid leakage. Because of its simple structure, the root cause of liquid leakage problem is often overlooked.This paper is mainly about theoretical analysis and experimental verification on the leakage problem of engine bowl plug, and to provide references for problem solving.

Engine;Bowl plug;Liquid leakage;Sealing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.043

U464

A

1671-7988(2021)03-141-04

U464

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黃金華（1988-），男，湖北，?？?，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，主要從事發(fā)動機(jī)整機(jī)開發(fā)工作。