孫祺翔 李萌之 孫亞?wèn)| 余樹翠 肖 翔 劉玉銘

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊位于氣缸體和氣缸蓋之間，靠多個(gè)高強(qiáng)度的氣缸蓋螺栓提供夾緊力，密封發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷條件下工作，因其密封的流體（燃?xì)?、?rùn)滑油和冷卻水）的物理性能和化學(xué)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(dòng)機(jī)采用增壓技術(shù)和向小型化方向推進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力、氣缸蓋螺栓預(yù)緊力、氣缸蓋溫度都相應(yīng)提高[3]，對(duì)氣缸墊的密封提出了更高的要求，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中常常產(chǎn)生密封失效問(wèn)題。

本文以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊滲油問(wèn)題為失效案例，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)排查，確認(rèn)失效原因?yàn)闅飧讐|局部支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。通過(guò)對(duì)氣缸墊局部支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)有限元分析，研究了不同氣缸墊局部支撐高度對(duì)密封壓力及氣缸蓋提升量的影響，確認(rèn)了最優(yōu)局部支撐高度，并通過(guò)了臺(tái)架耐久試驗(yàn)。

1 問(wèn)題背景

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)，氣缸體與氣缸蓋的結(jié)合面發(fā)生了滲油問(wèn)題。滲油失效如圖1 所示。

圖1 滲油失效

通過(guò)確認(rèn)臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)及試驗(yàn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)均無(wú)異常，排除了結(jié)合面以外其他零部件存在滲油問(wèn)題。

2 問(wèn)題排查與分析

2.1 滲油問(wèn)題確認(rèn)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)氣缸體與氣缸蓋的結(jié)合面出現(xiàn)滲油問(wèn)題，為確認(rèn)滲油位置，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中加入顯影劑，清理結(jié)合面滲油痕跡。繼續(xù)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)題復(fù)現(xiàn)。通過(guò)熒光燈觀察，滲油位置油跡存在熒光反應(yīng)，確認(rèn)該處氣缸墊密封失效，存在滲油問(wèn)題。如圖2 所示。

圖2 滲油問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

2.2 滲油問(wèn)題排查

2.2.1 氣缸墊排查

針對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊滲油問(wèn)題，對(duì)拆機(jī)過(guò)程進(jìn)行了重點(diǎn)跟蹤，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)氣缸墊局部支撐壓痕

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊局部支撐尺寸進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，耐久試驗(yàn)后，進(jìn)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(guò)耐久試驗(yàn)氣缸墊局部支撐高度變化

2.2.2 氣缸體排查

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后氣缸體頂面滲油位置的平面度、粗糙度、波紋度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)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(cè)結(jié)果 μm

對(duì)故障機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的本體硬度、機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 氣缸體本體硬度、機(jī)械性能的檢測(cè)結(jié)果

2.2.3 氣缸蓋排查

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后氣缸蓋底面滲油位置的平面度、粗糙度、波紋度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)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(cè)結(jié)果 μm

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋本體硬度、機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 氣缸蓋本體硬度、機(jī)械性能的檢測(cè)結(jié)果

2.2.4 氣缸蓋螺栓排查

故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋螺栓序號(hào)的對(duì)應(yīng)位置如圖5所示。

圖5 氣缸蓋螺栓位置序號(hào)示意圖

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋螺栓裝機(jī)、拆機(jī)力矩進(jìn)行排查，排查結(jié)果見表5。對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋螺栓的機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表6。

表5 氣缸蓋螺栓裝機(jī)、拆機(jī)力矩排查結(jié)果

表6 氣缸蓋螺栓機(jī)械性能的檢測(cè)結(jié)果

2.3 排查結(jié)果總結(jié)

通過(guò)對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)異常。

經(jīng)過(guò)對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊進(jìn)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(tái)架試驗(yàn)后存在明顯的變形，筋高下降明顯。在冷熱沖擊試驗(yàn)過(guò)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)沖擊負(fù)荷及熱變形的雙重作用下，導(dǎo)致氣缸墊滲油失效。

3 優(yōu)化及驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化方案

對(duì)氣缸墊局部支撐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由原先的條狀支撐設(shè)計(jì)調(diào)整為點(diǎn)狀支撐設(shè)計(jì)，目的是加強(qiáng)氣缸墊局部支撐的強(qiáng)度，保證在冷熱沖擊試驗(yàn)過(guò)程中氣缸墊局部支撐不變形。優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 氣缸墊點(diǎn)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(duì)密封筋的密封壓力和氣缸蓋提升量產(chǎn)生影響，對(duì)不同局部支撐高度的氣缸墊進(jìn)行有限元分析，以確認(rèn)最優(yōu)局部支撐高度。氣缸墊局部支撐取樣點(diǎn)示意圖如圖7 所示。

圖7 局部支撐優(yōu)化位置取樣點(diǎn)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(diǎn)密封筋的密封壓力分析結(jié)果見表7。

表7 不同取樣點(diǎn)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(diǎn)氣缸

蓋提升量分析結(jié)果見表8。

表8 不同取樣點(diǎn)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(píng)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(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

氣缸墊局部支撐優(yōu)化后，進(jìn)行臺(tái)架冷熱沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)后點(diǎn)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(yàn)后，進(jìn)氣側(cè)回油道位置，氣缸墊局部支撐高度基本無(wú)變化，一致性良好，如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化后經(jīng)過(guò)耐久試驗(yàn)氣缸墊局部支撐高度變化

臺(tái)架冷熱沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)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(shè)計(jì)對(duì)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(diǎn)結(jié)論：

1）氣缸墊局部支撐設(shè)計(jì)需保證強(qiáng)度，只有足夠的強(qiáng)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(hù)局部支撐附近的密封筋。

2）通過(guò)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。