發(fā)動機氣缸墊密封失效分析及設計優(yōu)化

孫祺翔 李萌之 孫亞東 余樹翠 肖 翔 劉玉銘

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

汽油發(fā)動機氣缸墊位于氣缸體和氣缸蓋之間，靠多個高強度的氣缸蓋螺栓提供夾緊力，密封發(fā)動機燃燒室、高壓油道、低壓油道、冷卻水通道和鏈輪箱等[1]。

氣缸墊在高溫高壓和脈沖負荷條件下工作，因其密封的流體（燃氣、潤滑油和冷卻水）的物理性能和化學性能差別極大，使得其所處的環(huán)境極其惡劣[2]。

隨著發(fā)動機采用增壓技術(shù)和向小型化方向推進，發(fā)動機氣缸壓力、氣缸蓋螺栓預緊力、氣缸蓋溫度都相應提高[3]，對氣缸墊的密封提出了更高的要求，導致發(fā)動機工作過程中常常產(chǎn)生密封失效問題。

本文以某型號發(fā)動機氣缸墊滲油問題為失效案例，經(jīng)過系統(tǒng)排查，確認失效原因為氣缸墊局部支撐結(jié)構(gòu)強度不足。通過對氣缸墊局部支撐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，經(jīng)過有限元分析，研究了不同氣缸墊局部支撐高度對密封壓力及氣缸蓋提升量的影響，確認了最優(yōu)局部支撐高度，并通過了臺架耐久試驗。

1 問題背景

某型號發(fā)動機在進行冷熱沖擊試驗過程中，在發(fā)動機進氣側(cè)，氣缸體與氣缸蓋的結(jié)合面發(fā)生了滲油問題。滲油失效如圖1 所示。

圖1 滲油失效

通過確認臺架發(fā)動機狀態(tài)及試驗參數(shù)，發(fā)現(xiàn)試驗過程及參數(shù)均無異常，排除了結(jié)合面以外其他零部件存在滲油問題。

2 問題排查與分析

2.1 滲油問題確認

根據(jù)發(fā)動機進氣側(cè)氣缸體與氣缸蓋的結(jié)合面出現(xiàn)滲油問題，為確認滲油位置，在發(fā)動機機油中加入顯影劑，清理結(jié)合面滲油痕跡。繼續(xù)運行發(fā)動機1h，觀察氣缸體與氣缸蓋的結(jié)合面，發(fā)現(xiàn)相同位置滲油問題復現(xiàn)。通過熒光燈觀察，滲油位置油跡存在熒光反應，確認該處氣缸墊密封失效，存在滲油問題。如圖2 所示。

圖2 滲油問題復現(xiàn)

2.2 滲油問題排查

2.2.1 氣缸墊排查

針對故障發(fā)動機氣缸墊滲油問題，對拆機過程進行了重點跟蹤，發(fā)現(xiàn)在進氣側(cè)的回油道位置，氣缸墊局部支撐存在較為明顯的壓痕，且壓痕不連續(xù)，如圖3 所示。

圖3 故障發(fā)動機進氣側(cè)氣缸墊局部支撐壓痕

對故障發(fā)動機氣缸墊局部支撐尺寸進行檢測發(fā)現(xiàn)，耐久試驗后，進氣側(cè)回油道位置，氣缸墊局部支撐存在明顯的變形，高度由0.15 mm 降低至0.1 mm，具體如圖4 所示。

圖4 經(jīng)過耐久試驗氣缸墊局部支撐高度變化

2.2.2 氣缸體排查

對故障發(fā)動機試驗前后氣缸體頂面滲油位置的平面度、粗糙度、波紋度進行檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 氣缸體頂面滲油位置的表面質(zhì)量檢測結(jié)果 μm

對故障機發(fā)動機氣缸體的本體硬度、機械性能進行檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 氣缸體本體硬度、機械性能的檢測結(jié)果

2.2.3 氣缸蓋排查

對故障發(fā)動機試驗前后氣缸蓋底面滲油位置的平面度、粗糙度、波紋度進行檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3 氣缸蓋底面滲油位置表面質(zhì)量的檢測結(jié)果 μm

對故障發(fā)動機氣缸蓋本體硬度、機械性能進行檢測，檢測結(jié)果見表4。

表4 氣缸蓋本體硬度、機械性能的檢測結(jié)果

2.2.4 氣缸蓋螺栓排查

故障發(fā)動機氣缸蓋螺栓序號的對應位置如圖5所示。

圖5 氣缸蓋螺栓位置序號示意圖

對故障發(fā)動機氣缸蓋螺栓裝機、拆機力矩進行排查，排查結(jié)果見表5。對故障發(fā)動機氣缸蓋螺栓的機械性能進行檢測，檢測結(jié)果見表6。

表5 氣缸蓋螺栓裝機、拆機力矩排查結(jié)果

表6 氣缸蓋螺栓機械性能的檢測結(jié)果

2.3 排查結(jié)果總結(jié)

通過對故障發(fā)動機相關(guān)零部件的排查分析，發(fā)現(xiàn)氣缸體、氣缸蓋、氣缸蓋螺栓均無異常。

經(jīng)過對故障發(fā)動機氣缸墊進行排查分析，發(fā)現(xiàn)氣缸墊現(xiàn)有的局部支撐為半筋密封結(jié)構(gòu)，筋寬×筋高=1.2 mm×0.15 mm，該尺寸在臺架試驗后存在明顯的變形，筋高下降明顯。在冷熱沖擊試驗過程中，氣缸墊局部支撐高度的降低加大了氣缸體、氣缸蓋的相對變形量，大大降低了氣缸墊局部支撐附近密封筋的抗疲勞能力，在較長時間的循環(huán)沖擊負荷及熱變形的雙重作用下，導致氣缸墊滲油失效。

3 優(yōu)化及驗證

3.1 優(yōu)化方案

對氣缸墊局部支撐進行優(yōu)化設計，由原先的條狀支撐設計調(diào)整為點狀支撐設計，目的是加強氣缸墊局部支撐的強度，保證在冷熱沖擊試驗過程中氣缸墊局部支撐不變形。優(yōu)化設計如圖6 所示。

圖6 氣缸墊點狀局部支撐示意圖

3.2 CAE 分析

為了保證氣缸墊局部支撐對密封筋的密封壓力和氣缸蓋提升量產(chǎn)生影響，對不同局部支撐高度的氣缸墊進行有限元分析，以確認最優(yōu)局部支撐高度。氣缸墊局部支撐取樣點示意圖如圖7 所示。

圖7 局部支撐優(yōu)化位置取樣點示意圖

不同氣缸墊局部支撐高度下密封筋的密封壓力 分析如圖8 所示。

圖8 不同氣缸墊局部支撐高度下密封筋的密封壓力分析

不同氣缸墊局部支撐高度下，不同取樣點密封筋的密封壓力分析結(jié)果見表7。

表7 不同取樣點密封壓力分析結(jié)果 MPa

不同氣缸墊局部支撐高度下氣缸蓋提升量分析如圖9 所示。

圖9 不同氣缸墊局部支撐高度下氣缸蓋提升量分析

不同氣缸墊局部支撐高度下，不同取樣點氣缸

蓋提升量分析結(jié)果見表8。

表8 不同取樣點氣缸蓋提升量分析結(jié)果 μm

基于CAE 分析結(jié)果，在保證密封筋的密封壓力情況下，選擇較小的氣缸蓋提升量方案。綜合評估以上有限元分析結(jié)果，優(yōu)選局部支撐高度為0.08 mm的方案。

3.3 試驗驗證結(jié)果

氣缸墊局部支撐優(yōu)化后，進行臺架冷熱沖擊驗證試驗。發(fā)動機拆機后點狀支撐連續(xù)且清晰，如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后氣缸墊局部支撐壓痕

耐久試驗后，進氣側(cè)回油道位置，氣缸墊局部支撐高度基本無變化，一致性良好，如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化后經(jīng)過耐久試驗氣缸墊局部支撐高度變化

臺架冷熱沖擊驗證試驗結(jié)果表明，氣缸墊局部支撐優(yōu)化措施有效。

4 結(jié)論

本文的氣缸墊局部支撐優(yōu)化設計對降低氣缸體和氣缸蓋的初始變形、降低變形較大位置的密封筋密封壓力，改善密封筋疲勞性能都有積極作用?？梢缘贸鲆韵聨c結(jié)論：

1）氣缸墊局部支撐設計需保證強度，只有足夠的強度才能保證局部支撐的有效性及持久性，減小氣缸體、氣缸蓋變形量及保護局部支撐附近的密封筋。

2）通過有限元分析的方法，可以得出最優(yōu)局部支撐高度，既能保證密封筋的密封壓力，也能保證氣缸蓋提升量。