某柴油機(jī)齒輪室墊片密封失效分析與優(yōu)化

潘亮

(上海新動力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

隨著用戶對內(nèi)燃機(jī)性能要求的不斷提高及環(huán)保排放法規(guī)要求的日益嚴(yán)苛，很多內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，使得內(nèi)燃機(jī)性能得到了極大改善，升功率有了大幅提高，但同時內(nèi)燃機(jī)缸體和缸蓋需要承受更大的爆發(fā)壓力及更高的工作溫度。這些變化給內(nèi)燃機(jī)氣缸密封系統(tǒng)的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)[1]。

1 氣缸蓋墊片結(jié)構(gòu)

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)缸體結(jié)構(gòu)形式不同，氣缸蓋墊片分為整體式和分體式兩種形式。其中，分體式氣缸蓋墊片包括氣缸蓋墊片和齒輪室墊片。圖1為整體式氣缸蓋墊片，圖2為分體式氣缸蓋墊片。齒輪室墊片位于氣缸蓋與齒輪室之間，其功能是保證氣缸蓋和齒輪室結(jié)合面具備良好的密封性能。如果齒輪室墊片密封性能不好，柴油機(jī)在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生漏油故障。

圖1 整體式氣缸蓋墊片

圖2 分體式氣缸蓋墊片

2 漏油故障

某6缸柴油機(jī)采用了分體式氣缸蓋墊片。在耐久性試驗中，該柴油機(jī)運(yùn)行至57 h時，發(fā)現(xiàn)氣缸蓋和齒輪室結(jié)合面出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，如圖3所示。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，齒輪室墊片橡膠出現(xiàn)了斷裂破損，且中間位置的橡膠已與金屬骨架脫離(圖4)。查閱拆機(jī)檢測記錄發(fā)現(xiàn)，氣缸蓋螺栓扭矩、齒輪室螺栓扭矩均正常，齒輪室與缸體高度落差正常。追溯該批次墊片的制造工藝記錄，橡膠批次和性能、金屬骨架上膠工藝、金屬骨架尺寸等均正常。查閱耐久性試驗記錄，臺架耐久性試驗運(yùn)行工況正常，柴油機(jī)功率和扭矩均未發(fā)生變化。根據(jù)圖4中齒輪室墊片失效情況初步判定，由于齒輪室墊片橡膠被擠出氣缸蓋惰輪齒腔，因此出現(xiàn)了部分墊片壓空的情況。在柴油機(jī)運(yùn)行時，齒輪室墊片沿壓空位置發(fā)生破裂，進(jìn)而出現(xiàn)了漏油故障。

圖3 氣缸蓋和齒輪室結(jié)合面漏油現(xiàn)象

圖4 拆下氣缸蓋后的齒輪室墊片

針對該漏油問題，進(jìn)行了以下分析：① 通過齒輪室墊片面壓試驗和壓緊厚度試驗，分析氣缸蓋與齒輪室結(jié)合面的面壓分布情況，并判斷齒輪室的變形趨勢；② 抽檢該批次氣缸蓋，檢測惰輪齒腔寬度，了解實際加工情況，通過計算齒輪室墊片、齒輪室、氣缸體及氣缸蓋之間的尺寸鏈，研究分析尺寸鏈的分布情況。

3 原因分析

在內(nèi)燃機(jī)工作時，由于混合氣燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)壓力作用，氣缸蓋會發(fā)生位移，并因熱膨脹產(chǎn)生一定的變形，使氣缸體與氣缸蓋之間形成了間隙。該間隙被稱為“氣缸蓋抬升量”[2]。因此，齒輪室墊片需要滿足氣缸蓋抬升量及齒輪室與機(jī)體高度落差的密封要求。

3.1 面壓試驗和壓緊厚度試驗

使用低面壓紙和同批次齒輪室墊片在該柴油機(jī)上進(jìn)行了靜態(tài)面壓測試，如圖5所示。測試結(jié)果顯示，面壓壓線連續(xù)，面壓值較高，其最高面壓值達(dá)到了11.95 MPa。

圖5 齒輪室墊片的面壓試驗

使用鉛絲和同批次齒輪室墊片在該柴油機(jī)上進(jìn)行了壓緊厚度試驗。壓緊厚度試驗的檢測點(diǎn)如圖6所示，各檢測點(diǎn)的壓縮率見表1。試驗結(jié)果顯示，齒輪室墊片橡膠總體壓縮率較高，特別是在螺栓孔附近，橡膠壓縮率高達(dá)50%，遠(yuǎn)高于齒輪室墊片橡膠壓縮率為30%的承受值。

圖6 齒輪室墊片壓緊厚度試驗

表1 壓緊厚度試驗結(jié)果

通過面壓試驗和壓緊厚度試驗，發(fā)現(xiàn)齒輪室墊片橡膠處于高壓縮狀態(tài)，特別是螺栓孔附近的橡膠。橡膠長時間處于高壓縮狀態(tài)會導(dǎo)致其使用壽命縮短，在工作一段時間后甚至?xí)适芊庑阅埽跇O端情況下還會出現(xiàn)墊片被壓潰的情況。因此，在滿足氣缸蓋抬升量及齒輪室與機(jī)體高度落差密封要求的同時，建議降低橡膠墊片的設(shè)計高度，避免出現(xiàn)極限壓縮率的情況。

3.2 氣缸蓋抽檢

氣缸蓋惰輪齒腔外側(cè)加工面以機(jī)加工面為基準(zhǔn)，其尺寸控制精度要求較高；而內(nèi)側(cè)則是以毛坯面為基準(zhǔn)，其尺寸控制精度較低。圖7為生產(chǎn)現(xiàn)場抽檢的15件同批次氣缸蓋惰輪齒腔寬度情況。經(jīng)過測量，雖然寬度公差均處于公差范圍內(nèi)，但其最大值達(dá)到21.65 mm，接近均偏公差帶的上限。

圖7 同批次氣缸蓋惰輪齒腔寬度抽檢情況

3.3 尺寸鏈計算

對齒輪室墊片的關(guān)聯(lián)尺寸進(jìn)行了尺寸鏈計算，如圖8所示。計算所涉及到的零部件包括齒輪室墊片、齒輪室墊片定位銷、齒輪室、齒輪室定位銷、氣缸體、氣缸蓋定位銷和氣缸蓋。其中，氣缸蓋惰輪齒腔外側(cè)機(jī)加工面的尺寸鏈計算按照圖紙標(biāo)注尺寸公差進(jìn)行；惰輪齒輪室腔內(nèi)側(cè)毛坯面的尺寸鏈計算參考《鑄件通用技術(shù)條件》(企標(biāo)Q/SC 362.1)，按照鑄件尺寸公差等級CT 8進(jìn)行。計算結(jié)果顯示，齒輪室墊片橡膠有7.5%的概率超出氣缸蓋惰輪齒腔寬度尺寸，存在橡膠壓空風(fēng)險。建議在氣缸蓋惰輪齒輪室腔內(nèi)側(cè)的加工過程中增加刀具，并修正公差。

圖8 齒輪室墊片的尺寸鏈計算

4 解決措施及試驗驗證

根據(jù)上述柴油機(jī)齒輪室墊片漏油故障的評估分析，得出齒輪室墊片橡膠壓縮率及氣缸蓋惰輪齒腔尺寸浮動是導(dǎo)致齒輪室墊片發(fā)生漏油失效的關(guān)鍵因素。因此，需要從降低齒輪室墊片橡膠壓縮率及控制氣缸蓋惰輪齒腔尺寸浮動等方面采取措施。

4.1 齒輪室墊片優(yōu)化

目前，齒輪室墊片本體采用厚度為1.2 mm的鍍鋅板材料，橡膠材料為乙烯-丙烯酸酯(AEM)，其厚度為2.6 mm。通過對標(biāo)市場上同類機(jī)型的齒輪室墊片，提出了以下優(yōu)化方案：齒輪室墊片本體采用厚度為0.3 mm的不銹鋼材料；橡膠采用氟橡膠材料，采用2種過渡結(jié)構(gòu)，其厚度分別由2.0 mm過渡到2.1 mm和2.2 mm；在螺栓孔附近增加限位墊圈，防止橡膠被過度壓縮。通過改進(jìn)金屬骨架和橡膠的材質(zhì)和厚度，橡膠極限壓縮率由55.5%降至45.7%。此外，還改進(jìn)了橡膠與金屬骨架的連接方式，增加了連接面積，提高了黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)一步提升了齒輪室墊片的可靠性，如圖9所示。

4.2 氣缸蓋惰輪齒腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于氣缸蓋惰輪齒腔內(nèi)側(cè)為毛坯面，其尺寸公差較大。因此，通過增加刀具修正惰輪齒腔寬度，防止橡膠出現(xiàn)壓空情況(圖10)。通過對齒輪室墊片相關(guān)聯(lián)的尺寸進(jìn)行尺寸鏈計算，齒輪室墊片橡膠僅有0.000 1%的概率會超出氣缸蓋惰輪齒腔內(nèi)側(cè)面(圖11)，幾乎不存在橡膠壓空的風(fēng)險。

圖1 1齒輪室墊片尺寸鏈計算

在對齒輪室墊片及氣缸蓋惰輪齒腔進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行了耐久性試驗。在耐久性試驗進(jìn)行前，首先對相關(guān)零部件進(jìn)行了關(guān)鍵尺寸的檢測，并對裝配過程進(jìn)行全程記錄，確保零部件裝配的一致性。在試驗過程中，嚴(yán)格按照試驗大綱進(jìn)行操作。在試驗后，逐個拆機(jī)查看齒輪室墊片橡膠是否出現(xiàn)破損或出現(xiàn)與金屬骨架脫離的現(xiàn)象。經(jīng)過多輪耐久性試驗，在氣缸蓋和齒輪室結(jié)合面并未發(fā)現(xiàn)漏油情況。經(jīng)過進(jìn)一步檢測分析，試驗結(jié)果均為合格。這說明該優(yōu)化方案有效。相關(guān)試驗結(jié)果見表2。

表2 齒輪室墊片及氣缸蓋惰輪齒腔優(yōu)化后的耐久性試驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對某柴油機(jī)在臺架耐久性試驗中出現(xiàn)多次齒輪室墊片漏油問題，通過試驗數(shù)據(jù)分析、面壓試驗、壓實厚度試驗和尺寸鏈計算等，系統(tǒng)分析了漏油故障原因，提出了改進(jìn)方案，對改進(jìn)方案進(jìn)行了驗證，并得出以下結(jié)論。

(1)在氣缸蓋和齒輪室之間通過增加輔助螺栓提升齒輪室墊片密封性能時，需要經(jīng)過面壓試驗和墊片橡膠壓縮高度試驗進(jìn)行驗證，螺栓孔附近橡膠不允許出現(xiàn)極限壓縮情況。

(2)與原設(shè)計相比，優(yōu)化后的齒輪室墊片不僅使螺栓孔附近橡膠壓縮率降低約10%，還改進(jìn)了橡膠與金屬骨架的連接方式，增加了連接面積，提高了黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)一步提升了齒輪室墊片的可靠性。

(3)氣缸蓋和齒輪室之間的密封涉及的零部件較多，在設(shè)計齒輪室墊片時需要進(jìn)行完整的尺寸鏈計算。不僅齒輪室墊片本身需要滿足可靠性要求，相關(guān)零部件尺寸公差也要控制在合理范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)橡膠壓空等問題。