劉志恩+秦樹(shù)炎+王鋒+杜松澤+馮展

摘 要：在對(duì)某汽油機(jī)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)時(shí)，正時(shí)罩蓋腰部與缸體結(jié)合面處出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。建立了汽油機(jī)裝配體三維有限元模型，采用數(shù)值仿真分析結(jié)合面壓試驗(yàn)的方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)緊力工況及熱機(jī)工況下，密封面處的接觸間隙、接觸壓力以及滲油點(diǎn)附近正時(shí)罩蓋、缸體的變形量進(jìn)行分析。預(yù)緊力工況仿真結(jié)果與面壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型可靠，熱機(jī)工況仿真分析結(jié)果表明，滲油現(xiàn)象是由于滲油點(diǎn)附近正時(shí)罩蓋法蘭局部剛度不足，以及螺栓基座位置布置不合理造成。對(duì)滲油點(diǎn)附近正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)局部剛度進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)調(diào)整部分螺栓布置位置后，滲油問(wèn)題得到解決。

關(guān)鍵詞：密封性；有限元；面壓試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TB42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）03-0012-06

Research on Sealing Performance of Gasoline Engine Timing Cover

LIU Zhi-en， QIN Shu-yan， WANG feng， DU Song-ze， FENG zhan

（ Wuhan University of Technology， Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for

Automotive Parts， Wuhan430070， China ）

Abstract： During the durability test of a gasoline engine，oil leakage occurred between the contact surface of timing cover and cylinder. A three-dimensional finite element model of gasoline engine assembly was established， based on the numerical simulation analysis and the method of surface pressure test， the contact clearance， contact pressure and the deformation of the timing cover and cylinder near the oil leakage point are analyzed under the condition of engine preload and heat sealing condition. Compared the simulation results in the cases of preload condition and surface pressure test， the simulation model is proved to be reliable， the simulation results of heat sealing condition， show that the phenomenon of oil leakage is due to the insufficient local stiffness of the cover flange near the oil leakage point and the unreasonable arrangement of the bolt base position. Strengthen the local stiffness of the timing cover structure near the oil leakage point， while adjusting part of the bolt layout position at the same time， the oil leakage problem is solved.

Key Words： Sealing； finite element method； surface pressure test

引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)密封性是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)密封性優(yōu)劣對(duì)其動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性，疲勞耐久性等有重要影響，發(fā)動(dòng)機(jī)密封不良會(huì)導(dǎo)致燃油泄漏從而污染環(huán)境甚至引發(fā)安全事故。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)汽油機(jī)密封面滲油問(wèn)題進(jìn)行了研究，彭旭東等[1]對(duì)密封機(jī)理進(jìn)行了闡述，指出了采用現(xiàn)代數(shù)值模擬仿真技術(shù)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)密封的高穩(wěn)定性、高可靠性、強(qiáng)追隨能力是我國(guó)進(jìn)行密封性研究的重要方向之一；葉偉等[2]通過(guò)修改結(jié)構(gòu)易儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)、優(yōu)化密封膠儲(chǔ)膠槽以及減少缸體與缸蓋裝配后密封面的高度差的方法，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋-缸體-正時(shí)罩蓋三件結(jié)合面處的滲油現(xiàn)象；陳東亞等[3]指出可以通過(guò)CAE技術(shù)計(jì)算密封面張開(kāi)量與滑移量來(lái)判定密封面是否存在滲油風(fēng)險(xiǎn)；蘭銀在等[4]建立了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配體有限元三維模型，采用非線性接觸分析方法，對(duì)氣缸墊密封面的接觸應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明采用非線性接觸邊界條件進(jìn)行有限元分析，能更好的體現(xiàn)氣缸蓋、氣缸墊與機(jī)體接觸面的真實(shí)應(yīng)力，并指出有限元非線性接觸分析法是研究氣缸密封的一種有效途徑。李利平等[5]運(yùn)用有限元理論與ABAQUS分析計(jì)算軟件，并結(jié)合靜態(tài)面壓試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析方法的合理性，分析結(jié)果表明密封圈與缸體的摩擦因數(shù)對(duì)密封性能的影響較小。Ghasemi A等[6]使用有限元的方法對(duì)兩種典型墊片的密封性能進(jìn)行了研究，并指出有限元方法能夠準(zhǔn)確可靠的預(yù)測(cè)的墊片密封壓力，正在成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中密封性分析的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具。

某汽油機(jī)在疲勞耐久試驗(yàn)進(jìn)行到50小時(shí)時(shí)，正時(shí)罩蓋腰部與缸體結(jié)合的密封面處出現(xiàn)滲油，滲油點(diǎn)如圖1所示。在加大部分螺栓擰緊力矩，用汽油清洗密封面并按密封面中心線重新打膠后，滲油問(wèn)題得到一定改善但仍未解決。

本文將工程領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用的有限元分析方法與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)密封性研究技術(shù)相結(jié)合，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配體有限元模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)緊工況和熱機(jī)工況下的密封性進(jìn)行分析，預(yù)緊力工況下密封面處的接觸壓力與靜態(tài)面壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。熱機(jī)工況再現(xiàn)了滲油現(xiàn)象找出了滲油原因，通過(guò)增大滲油點(diǎn)處正時(shí)罩蓋法蘭局部剛度以及調(diào)整螺栓位置，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)密封性問(wèn)題，具備一定的研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 有限元建模及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 有限元模型的建立

有限元網(wǎng)格劃分是計(jì)算的前提條件，高質(zhì)量且數(shù)量合理的網(wǎng)格有利于提高計(jì)算效率同時(shí)減少計(jì)算時(shí)間。將發(fā)動(dòng)機(jī)各部件三維數(shù)模分別導(dǎo)入HYPERMESH中進(jìn)行模型離散，再將各個(gè)部件裝配起來(lái)，為保證計(jì)算精度同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)性能要求，平均網(wǎng)格尺寸取5mm，網(wǎng)格類型為二階四面體單元C3D10M，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件材料屬性見(jiàn)表1：

由于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配體幾何模型復(fù)雜，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行大量幾何清理，對(duì)于關(guān)注的密封區(qū)域，在前期幾何處理時(shí)進(jìn)行公共區(qū)域網(wǎng)格切分，為保證重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域接觸壓力（Cpress）、接觸間隙（Copen）的精度，接觸對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)應(yīng)一一對(duì)應(yīng)。接觸區(qū)域采用摩擦接觸邊界條件，各部件密封面之間接觸方式采用Surface to Surface，摩擦系數(shù)為0.15，螺栓與部件之間采用Tie連接，螺栓預(yù)緊力采用Pre-tension Section進(jìn)行模擬。發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型共有約582萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，341萬(wàn)個(gè)二階四面體網(wǎng)格，建立接觸面及接觸對(duì)627個(gè)。網(wǎng)格質(zhì)量檢查見(jiàn)表2，有限元模型見(jiàn)圖2：

同時(shí)根據(jù)螺栓擰緊力矩-軸向預(yù)緊力計(jì)算公式[7]，見(jiàn)式（1），得到各螺栓軸向預(yù)緊力大小。

式中，M為擰緊力矩；P為軸向預(yù)緊力；R為螺栓頭承力面外徑；r為螺栓承力面內(nèi)徑；f 為螺母與被連接件支承面的摩擦系數(shù)；t 為螺距；d2為螺紋中徑；β為螺紋升角。

1.2 面壓試驗(yàn)及試驗(yàn)仿真對(duì)比

采用Prescale膠片進(jìn)行正時(shí)罩蓋密封面處?kù)o態(tài)面壓試驗(yàn)。Prescale膠片可測(cè)量?jī)捎|面間壓力、壓力分布和壓力平衡，不同的色彩濃度表示的所施壓力大小[8]，通過(guò)感壓紙數(shù)值分析系統(tǒng)能夠得到確切的壓力數(shù)值，無(wú)需特殊設(shè)備或者裝置，成本低測(cè)量速度快，壓力測(cè)試精度可達(dá)到 2%。面壓試驗(yàn)時(shí)首先根據(jù)需要選取合適量程的感壓膠片，本文中選用量程范圍為2.5-10MPa的低壓感壓膠片，將感壓紙剪成所需形狀，按照?qǐng)D3所示將感壓紙平鋪在正時(shí)罩蓋密封面上，用規(guī)定力矩依次擰緊螺栓，靜置5min后，按順序松開(kāi)螺栓，取出感壓膠片，由于感壓試紙對(duì)環(huán)境的濕度和溫度非常敏感，故試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)將溫度控制在25℃，濕度為45%。如圖4中（a）圖所示為正時(shí)罩蓋密封面處?kù)o態(tài)面壓試驗(yàn)結(jié)果，紅色越深表示該處的接觸壓力越大，（b）圖所示為預(yù)緊工況下正時(shí)罩蓋密封面處接觸壓力仿真結(jié)果，紅色表示接觸壓力大，藍(lán)色表示接觸壓力小。對(duì)比圖4兩圖中1-9號(hào)點(diǎn)處接觸壓力可知，面壓試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)緊工況下仿真結(jié)果高度一致，這表明作者建立的整機(jī)有限元模型準(zhǔn)確可靠，能夠滿足工程分析需要以及用于下一步熱機(jī)工況的仿真計(jì)算。

2 密封性熱機(jī)工況分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況復(fù)雜，要較為準(zhǔn)確的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)，首先應(yīng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算，需得到各缸燃燒室內(nèi)的流體溫度場(chǎng)、冷卻系統(tǒng)的熱交換系數(shù)等，很難較為準(zhǔn)確的將發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的溫度場(chǎng)模擬出來(lái)，且由于只需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)罩蓋密封面處的密封性能進(jìn)行分析，只需準(zhǔn)確得到正時(shí)罩蓋以及密封面附近的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)即可，遠(yuǎn)離正時(shí)蓋密封面處部件的溫度場(chǎng)對(duì)密封性分析影響不大。故實(shí)測(cè)正時(shí)罩蓋上關(guān)鍵點(diǎn)的溫度數(shù)值，在仿真計(jì)算中分區(qū)域設(shè)定正時(shí)罩蓋溫度，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱傳導(dǎo)，從而模擬出正時(shí)蓋及密封面附近的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)。

試驗(yàn)采用熱電偶測(cè)量正時(shí)罩蓋上10個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，測(cè)試工況為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況，最終發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在5000轉(zhuǎn)，并持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行30分鐘，測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)如圖5所示，各測(cè)點(diǎn)溫度見(jiàn)表3：

2.2 熱機(jī)工況密封性分析

熱機(jī)工況下密封性能計(jì)算，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)和螺栓預(yù)緊力的工況下進(jìn)行熱機(jī)密封性能的計(jì)算。如圖7所示為熱機(jī)工況下正時(shí)罩蓋密封面處接觸壓力和接觸間隙仿真結(jié)果，圖中線框所示即為滲油位置，表4所列為滲油點(diǎn)位置部分節(jié)點(diǎn)的接觸壓力和接觸間隙數(shù)值，仿真結(jié)果顯示滲油點(diǎn)位置的接觸壓力為零，熱機(jī)仿真結(jié)果與試驗(yàn)中出現(xiàn)的滲油現(xiàn)象能夠相互印證。

3 滲油分析和優(yōu)化方案

3.1 滲油原因分析

正時(shí)罩蓋里主要安裝有正時(shí)鏈條和鏈條張緊機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中正時(shí)鏈條會(huì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，鏈條張緊器為潤(rùn)滑正時(shí)鏈條會(huì)噴出大量機(jī)油，故正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)或局部受力不合理便會(huì)導(dǎo)致密封面處有較大的滲油風(fēng)險(xiǎn)。正時(shí)罩蓋密封面處滲油的原因較多，常見(jiàn)的有螺栓擰緊力矩不夠或是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)力矩衰減，導(dǎo)致密封面接觸不緊密；正時(shí)蓋設(shè)計(jì)存在易儲(chǔ)油的水平結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中機(jī)油堆積在此處，在壓力作用下機(jī)油被擠壓出來(lái)；螺栓布置位置不合理，兩螺栓間距過(guò)大，或是兩螺栓連接中心線偏離密封帶，不利于密封膠壓緊密封。

滲油點(diǎn)處正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)及附近螺栓布置如圖8（a）所示，在加大圖中兩螺栓預(yù)緊力矩并確保發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中兩螺栓均未出現(xiàn)松動(dòng)情況下，滲油現(xiàn)象仍然發(fā)生，說(shuō)明此處螺栓的擰緊力矩大小或運(yùn)行過(guò)程中的力矩衰減并不是導(dǎo)致滲油的原因；滲油點(diǎn)處罩蓋局部結(jié)構(gòu)圓滑過(guò)渡，機(jī)油不會(huì)在此處大量堆積，故此處罩蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。圖8（b）所示為熱機(jī)工況在螺栓擰緊力矩和溫度載荷共同作用下，正時(shí)罩蓋的變形情況，從變形情況可知由于兩螺栓連接中心線偏離密封帶過(guò)遠(yuǎn)，且兩螺栓之間罩蓋法蘭面材料較少局部剛度不足，在較大的螺栓預(yù)緊力和溫度載荷的共同作用下，此處正時(shí)罩蓋出現(xiàn)了較大的局部翹起，這直接導(dǎo)致了此處的罩蓋與缸蓋之間接觸不緊密，從而出現(xiàn)了接觸壓力為0的情況，進(jìn)而導(dǎo)致滲油。

3.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上滲油原因分析，優(yōu)化方案有兩個(gè)思路：

（1） 改變螺栓布置位置，避免出現(xiàn)兩螺栓連接中心線偏離密封面太遠(yuǎn)的情況；

（2） 提高滲油點(diǎn)處正時(shí)罩蓋法蘭局部剛度。

由以上思路并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際情況，提出如下優(yōu)化方案：將滲油點(diǎn)處兩螺栓之間的正時(shí)罩蓋法蘭面加寬，最寬處加寬7mm，且在加寬后的法蘭面中間增加一個(gè)M6螺栓，優(yōu)化方案示意圖如圖9所示：

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行熱機(jī)工況下的密封性能仿真分析，優(yōu)化方案的接觸壓力與接觸間隙云圖同原狀態(tài)對(duì)比如圖10所示。表4所列為幾處關(guān)鍵位置接觸壓力和接觸間隙在優(yōu)化前后的具體數(shù)值。

從仿真結(jié)果上看，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，原滲油點(diǎn)處大部分節(jié)點(diǎn)接觸壓力已從0上升到0.5-8MPa，接觸間隙至少減小了3個(gè)數(shù)量級(jí)。

將此優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用在樣機(jī)上，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)罩蓋、缸蓋、缸體結(jié)合面的滲油狀況不再發(fā)生，滲油問(wèn)題得以解決。

4 結(jié)論

（1）采用摩擦接觸邊界條件對(duì)正時(shí)罩蓋密封面進(jìn)行有限元非線性接觸分析，預(yù)緊力工況有限元仿真結(jié)果與面壓試驗(yàn)感壓膠片所測(cè)得的接觸壓力對(duì)比，獲得了較好地一致性，說(shuō)明用有限元的方法對(duì)密封性進(jìn)行研究準(zhǔn)確可靠。

（2）螺栓跨度及螺栓之間的法蘭剛度是影響正時(shí)罩蓋密封性的關(guān)鍵因素，正時(shí)罩蓋上螺栓布置時(shí)應(yīng)避免兩螺栓連接中心線偏離密封帶，正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)及螺栓布置的數(shù)量、位置、擰緊力矩大小在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之初應(yīng)重點(diǎn)考察。

（3）密封面上的密封膠需承受一定的壓力才能達(dá)到密封效果，壓力目標(biāo)值由所采用的密封膠性能確定，根據(jù)本例情況接觸壓力在2-3Mpa，接觸間隙小于10-10mm時(shí)能夠達(dá)到較好的密封效果。

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