沈小棟　馬京衛(wèi)　高　原　高　運(yùn)（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

乘用車柴油機(jī)氣缸蓋裂紋失效分析及解決措施

沈小棟1，2馬京衛(wèi)1，2高原1，2高運(yùn)1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

乘用車用某四缸渦輪增壓柴油機(jī)在試驗過程中出現(xiàn)氣缸蓋裂紋問題。為解決此問題，首先對裂紋形態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)而對可能造成裂紋的原因逐一排查，再通過仿真分析、對標(biāo)分析、試驗驗證等方法對問題真因進(jìn)行確認(rèn)。結(jié)果表明：氣缸蓋整體剛度低及局部結(jié)構(gòu)薄弱導(dǎo)致裂紋處疲勞安全系數(shù)低為裂紋產(chǎn)生的原因。針對氣缸蓋裂紋問題，制定了提高氣缸蓋整體結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的更改措施。經(jīng)過仿真分析和試驗驗證，確認(rèn)更改措施可以有效避免氣缸蓋裂紋的發(fā)生。

柴油機(jī)氣缸蓋裂紋失效分析解決措施

引言

乘用車用某四缸增壓柴油機(jī)在發(fā)動機(jī)臺架試驗過程中出現(xiàn)排氣管冒白煙，曲軸箱通風(fēng)口竄水現(xiàn)象，拆解發(fā)動機(jī)發(fā)現(xiàn)缸蓋（鋁合金材質(zhì)）排氣道內(nèi)存在冷卻液，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)三缸排氣道與上部水套間出現(xiàn)裂紋。造成氣缸蓋裂紋問題的原因較多，涉及到氣缸蓋的鑄造質(zhì)量和設(shè)計結(jié)構(gòu)等因素，需要通過理論分析［1］、仿真計算及試驗驗證進(jìn)行根本原因的確定。

1　問題調(diào)查

該發(fā)動機(jī)在200 h全速全負(fù)荷試驗運(yùn)行到96 h時，出現(xiàn)排氣管冒白煙，曲軸箱通風(fēng)口竄水現(xiàn)象。拆解發(fā)動機(jī)發(fā)現(xiàn)，氣缸蓋一、二、三缸排氣道內(nèi)積有冷卻液，見圖1。進(jìn)而對氣缸蓋進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)三缸排氣道與上部水套之間出現(xiàn)裂紋，見圖2。

對裂紋進(jìn)行斷口分析，具體表征現(xiàn)象如下：

1）斷口低倍照片及斷裂源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)位置見圖3。

從圖中可以看出，由斷裂源向外擴(kuò)展棱線特征明顯。

2）斷裂源區(qū)高倍形貌見圖4，斷裂源區(qū)附近檢出鑄造氣孔缺陷見圖5，能譜掃描源區(qū)檢出大量C、O等元素，源區(qū)積碳氧化明顯，見圖6。

3）擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋特征明顯見圖7。

圖1　排氣道內(nèi)積留冷卻液

圖2　三缸氣道截面（裂紋位置）

圖3　斷面低倍照片4×

圖4　斷裂源SEM照片500×

圖5　斷裂源區(qū)附近氣孔1000×

圖6　斷裂源區(qū)能譜譜圖

圖7　擴(kuò)展區(qū)照片1000×

斷口分析結(jié)果顯示：

1）裂紋為疲勞裂紋。

2）疲勞源位于水套側(cè)。

3）疲勞源附近存在鑄造氣孔（此氣孔直徑約0.1 mm，屬于針孔度范疇，為鑄鋁零部件固有缺陷，工藝上無法避免，符合我院標(biāo)準(zhǔn)文件要求，故認(rèn)為此處非導(dǎo)致裂紋的因素）。

4）裂紋內(nèi)存在積碳（與排氣道相通所致，對本問題解決無參考價值）。

2　氣缸蓋裂紋原因分析

2.1零部件質(zhì)量排查

首先，需要判定制造過程中，是否存在導(dǎo)致此失效的鑄造缺陷，故對解剖氣缸蓋壁厚進(jìn)行排查。

解剖后發(fā)現(xiàn)底板厚度實際檢測值為12 mm，但設(shè)計值為10 mm；排氣道上部壁厚檢測值為8 mm，設(shè)計值為6 mm，見圖8。

圖8　氣缸蓋壁厚檢查

壁厚檢測結(jié)果顯示，氣缸蓋壁厚不符合設(shè)計要求［2］，分析原因為鑄造時水套砂芯定位不合理，導(dǎo)致漂芯2 mm。水套砂芯上浮后，將減小水套頂板厚度，存在影響氣缸蓋螺栓軸力傳遞的風(fēng)險。

進(jìn)而對氣缸蓋裂紋處的金相組織進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見圖9。

圖9　裂紋區(qū)域顯微組織照片

照片顯示，α固溶體基體上分布著粒狀、短桿狀共晶硅，無粗大針狀Fe相。符合我司標(biāo)準(zhǔn)要求，材料金相組織無異常。

同時，對氣缸蓋硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果為108HBW，符合設(shè)計要求。

綜上，對氣缸蓋鑄造質(zhì)量檢測結(jié)果顯示：

1）氣缸蓋局部壁厚不合格。

根據(jù)氣缸蓋剖切檢查結(jié)果，氣缸蓋毛坯供方對氣缸蓋鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，提供了合格樣件進(jìn)行臺架試驗。但氣缸蓋在試驗過程中再次在同一部位出現(xiàn)裂紋問題，故排除鑄造質(zhì)量不合格為此處裂紋問題的原因。進(jìn)而，對氣缸蓋設(shè)計進(jìn)行分析排查。

2.2產(chǎn)品設(shè)計排查

氣缸蓋受力主要有3方面來源：1）氣缸蓋螺栓擰緊后施加在氣缸蓋螺栓安裝面上的軸力。2）燃燒室內(nèi)氣體劇烈燃燒施加在氣缸蓋燃燒室表面和氣門頭部的爆發(fā)壓力。3）氣缸蓋內(nèi)部溫度不均勻分布導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力［3］。

本次發(fā)生的裂紋位于排氣道上部，此裂紋距離氣缸蓋螺栓安裝面距離近，故螺栓軸力對此部位的影響需要重點關(guān)注。裂紋遠(yuǎn)離氣缸蓋高溫區(qū)域（燃燒室區(qū)域），故基本可以判定本裂紋與溫度梯度大導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力無關(guān)，但具體情況，需要經(jīng)CAE分析后再進(jìn)行確認(rèn)。同時，此裂紋形態(tài)顯示為高周疲勞裂紋，在缸蓋主要受力來源里面，缸內(nèi)爆壓對氣缸蓋施加的力呈周期性變化，且作用于氣缸蓋上面的次數(shù)多，符合導(dǎo)致缸蓋結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的原因預(yù)期。

根據(jù)以上分析，逐一對缸蓋CAE分析結(jié)果進(jìn)行排查。

首先，對氣缸蓋受螺栓軸力作用下，裂紋處受力情況進(jìn)行排查，排查結(jié)果見圖10。

圖10　螺栓軸力作用下裂紋區(qū)受力圖（單位MPa）

由圖10可知，僅在氣缸蓋螺栓力的作用下，裂紋位置受力值為187MPa，小于材料的抗拉極限295 MPa，但大于材料的屈服強(qiáng)度180 MPa。因螺栓裝配力為穩(wěn)定的力，所以此處按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行評估，故認(rèn)為螺栓軸力作用不會導(dǎo)致裂紋問題發(fā)生。

然后，在氣缸蓋螺栓軸力作用的基礎(chǔ)上，增加熱載荷（溫度分布不一致產(chǎn)生的應(yīng)力），對裂紋處的受力狀態(tài)進(jìn)行分析排查，結(jié)果見圖11。

菲律賓首都馬尼拉這座歷史悠久的城市，其建城史的精彩程度不亞于中國的南京、西安等文化名城。而菲律賓很多城市和海島就是在亞洲古文明的基礎(chǔ)上，融合西班牙、美國的西洋文明，最終形成了中西合璧的飲食文化，因此菲律賓菜又被譽(yù)為“東南亞菜里的奇葩”，是在菲律賓以外的地方無法復(fù)制的。

由圖11可知，在氣缸蓋螺栓軸力及熱載荷綜合作用下，裂紋位置的受力僅為178 MPa，小于材料的抗拉極限295 MPa和屈服極限180 MPa。對比圖10發(fā)現(xiàn)，在氣缸蓋螺栓軸力和熱載荷的綜合作用下，裂紋區(qū)的受力最大值變小，但整體呈上升趨勢。此時的受力值均小于材料強(qiáng)度，故認(rèn)為此狀態(tài)下不會導(dǎo)致裂紋問題發(fā)生。

接著，在保留上兩個作用力的基礎(chǔ)上，增加缸內(nèi)爆發(fā)壓力的作用，對裂紋處的受力狀態(tài)進(jìn)行分析排查，結(jié)果見圖12。

圖11　增加熱載荷后裂紋區(qū)受力圖（單位MPa）

圖12　累加缸內(nèi)爆壓后裂紋區(qū)受力圖（單位MPa）

由圖12可知，在氣缸蓋受所有力的綜合作用下，裂紋區(qū)域的受力為266 MPa，大于材料的屈服極限180 MPa?？紤]到爆發(fā)壓力交替作用的性質(zhì)，故認(rèn)為此處風(fēng)險較大。

進(jìn)而，對此處的疲勞安全系數(shù)計算結(jié)果進(jìn)行評估，見圖13。

圖13　裂紋區(qū)的疲勞因子

由圖13可知，裂紋區(qū)的疲勞安全系數(shù)都小于標(biāo)準(zhǔn)值1.1，顯示此區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋的風(fēng)險極大，與試驗狀態(tài)一致。

綜上所述，故認(rèn)為此裂紋為疲勞安全系數(shù)不合格所致。為了增加此處的疲勞系數(shù)，降低氣缸蓋產(chǎn)生疲勞裂紋的風(fēng)險，我們從缸蓋的局部結(jié)構(gòu)和整體剛度兩方面著手，制作了多個方案進(jìn)行多輪計算分析，最終達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3　整改方案介紹

3.1整體剛度優(yōu)化

首先，因為裂紋位置距離氣缸蓋螺栓安裝面近，故對氣缸蓋螺栓安裝面周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行對標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)高負(fù)荷柴油機(jī)氣缸蓋在缸蓋螺栓孔進(jìn)排氣方向用一個橫梁筋進(jìn)行連接，見圖14。

圖14　橫梁連接缸蓋螺栓安裝面

此橫梁具有將氣缸蓋螺栓軸力傳遞到中間豎壁的作用。同時，可以減小氣缸蓋因熱應(yīng)力、缸內(nèi)爆發(fā)壓力導(dǎo)致的進(jìn)排氣側(cè)方向變形。從而可以改善排氣道上部裂紋區(qū)域受力的負(fù)荷，減小裂紋發(fā)生的風(fēng)險。

在工程實際應(yīng)用過程中，因為其他的結(jié)構(gòu)限制，可能在氣缸蓋進(jìn)排氣氣缸蓋螺栓安裝面之間不能布置一個完整的橫筋，為達(dá)到同樣的效果，我們可以選擇在氣缸蓋螺栓安裝面下部設(shè)置斜筋的形式達(dá)到同樣的目的，見圖15。

根據(jù)以上對標(biāo)結(jié)果，對問題發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后結(jié)構(gòu)見圖16。

因在氣缸蓋凸輪軸室底部進(jìn)氣側(cè)設(shè)置有鑄造用的砂芯放氣孔，故氣缸蓋的加筋方案采用：排氣側(cè)氣缸蓋螺栓墊片安裝面至缸蓋中央筋處增加橫梁；進(jìn)氣側(cè)氣缸蓋螺栓安裝面下部增加兩條斜筋。采用此種結(jié)構(gòu)，盡可能地擴(kuò)大氣缸蓋螺栓軸力的分布區(qū)域，降低裂紋區(qū)域的受力。

圖15　氣缸蓋螺栓安裝面下部斜筋

圖16　調(diào)整后缸蓋結(jié)構(gòu)

圖17　變更前水套頂板壁厚圖

此處變更主要為進(jìn)一步分散氣缸蓋螺栓軸力，另一方面也增加了氣缸蓋的整體剛度。

因為柴油機(jī)負(fù)荷高，目前主流乘用車廠輕型柴油機(jī)的氣缸蓋螺栓一般都采用M12規(guī)格，氣缸蓋螺栓孔壁厚一般設(shè)置為9.5 mm，且盡量避免在氣缸蓋螺栓安裝面下部設(shè)置空腔結(jié)構(gòu)。但故障發(fā)動機(jī)在氣缸蓋螺栓安裝面下部設(shè)置有凸輪軸室回油通道，見圖19。

圖18　變更后水套頂板壁厚圖

3.2局部剛度優(yōu)化

對缸蓋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)后，為進(jìn)一步降低裂紋區(qū)域的失效風(fēng)險，首先，根據(jù)局部結(jié)構(gòu)對標(biāo)，對氣缸蓋水套頂板的厚度進(jìn)行調(diào)整，為降低導(dǎo)管壓裝產(chǎn)生的應(yīng)力對裂紋區(qū)域的影響，同時對導(dǎo)管孔壁厚進(jìn)行調(diào)整，變更前狀態(tài)見圖17，變更后狀態(tài)見圖18。

圖19　氣缸蓋螺栓安裝面下部設(shè)置回油孔

導(dǎo)致氣缸蓋局部安全系數(shù)低，見圖20。

更改措施為優(yōu)化回油道結(jié)構(gòu)，保證氣缸蓋螺栓安裝面一周的壁厚都滿足9.5 mm，更改后的狀態(tài)見圖21。

最后，根據(jù)前期氣缸蓋設(shè)計經(jīng)驗，為改善局部的疲勞安全系數(shù)，對裂紋部位的鑄造圓角尺寸進(jìn)行了調(diào)整，由原先的R4.5更改至R7。

3.3整改后方案計算分析

對整改后的氣缸蓋數(shù)模進(jìn)行缸體缸蓋耦合分析，疲勞安全系數(shù)計算結(jié)果見圖22。

裂紋位置處受力分析見圖23。

圖20　局部安全系數(shù)低示意圖

圖21　優(yōu)化后油道及螺栓壁厚狀態(tài)示意圖

圖22　整改后疲勞安全系數(shù)

計算結(jié)果顯示：

1）整改后裂紋區(qū)疲勞安全系數(shù)大于1.42，高于我公司要求的1.1。

2）裂紋處最大受力由更改前的266 MPa降至100 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度180 MPa。

綜上，認(rèn)為經(jīng)過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，此處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足氣缸蓋的使用需求，可以避免裂紋的復(fù)發(fā)。

制作更改后狀態(tài)氣缸蓋進(jìn)行臺架試驗驗證，裂紋問題未復(fù)發(fā)，證明整改有效。至此，此問題解決完成。

圖23　裂紋處受力圖

4　結(jié)論

通過對發(fā)動機(jī)氣缸蓋裂紋狀態(tài)的分析，鑄造質(zhì)量的排查，工作負(fù)荷加載后失效部位的計算分析及標(biāo)桿對比評估，確定缸蓋整體剛度低及局部結(jié)構(gòu)薄弱導(dǎo)致疲勞安全系數(shù)低為裂紋產(chǎn)生的原因。經(jīng)過本次裂紋問題的整改，對乘用車柴油機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)作出以下建議：

1）氣缸蓋螺栓安裝面周邊需設(shè)置橫梁筋或斜筋；

2）氣缸蓋水套頂板的厚度建議設(shè)置成8 mm以上；

3）與頂板連接的圓角建議設(shè)置為R7；

4）排氣導(dǎo)管孔的外側(cè)壁厚建議加厚處理；

5）氣缸蓋螺栓孔避讓不小于9.5 mm，且不建議對氣缸蓋螺栓安裝面底部壁厚進(jìn)行調(diào)整。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996

2朱仙鼎.中國內(nèi)燃機(jī)工程師手冊［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000

3陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2002

Analysis and Solution to the Crack of Cylinder Head of Diesel Engines for Passenger Cars

Shen Xiaodong1，2，Ma Jingwei1，2，Gao Yuan1，2，Gao Yun1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

This paper shows a problem of cylinder head crack occurring on a four-cylinder diesel engine. To solve this problem，firstly，it's necessary to inspect the form of the crack.Secondly，we need to find out the possible reasons which could cause the cracks.Finally，find out the reason by means of simulation analysis/benchmark and test verification.The test results indicate，the structure rigidity of the entire cylinder head is insufficient and local strength is weak，that caused fatigue safety factor unacceptable，which leads to the crack.Aiming to solve this crack issue，we enhanced the structure rigidity of the cylinder head and optimized the regional structure.At last，we got obvious benefits from this kind of solution verified by test results.

Diesel engine，Cylinder head，Crack，F(xiàn)ailure analysis，Solution

TK426

A

2095-8234（2016）04-0030-06

2016-06-07）

沈小棟（1988-），男，本科，主要研究方向發(fā)動機(jī)氣缸蓋設(shè)計。