發(fā)動機缸蓋墊片的發(fā)展和研究

謝蘇江，陳蓉蓉

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引言

發(fā)動機作為汽車和動力機械的心臟，其密封效果直接影響發(fā)動機長期穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的發(fā)動機密封主要包括一般的中低溫、中低壓的油、氣、液密封，高溫度、高壓力波動的氣缸密封及高溫、低壓、高諧波振動的排氣管密封。

發(fā)動機缸蓋墊片位于氣缸蓋與氣缸體之間，其功用是保證缸體和缸蓋結(jié)合面處有良好的密封，保證燃燒室的密封，同時防止發(fā)動機漏水和漏油。發(fā)動機工作過程中，缸內(nèi)壓力大、排氣溫度高，熱應力和壓應力變化頻繁，工作條件惡劣。于此同時，缸蓋和缸體隨著這些變化發(fā)生壓縮、拉伸、繞曲、振動等，這些都需要缸蓋墊片來承受、調(diào)整和補償，以保證發(fā)動機正常工作。發(fā)動機缸蓋墊片密封作為整個發(fā)動機密封的核心，起到密封燃氣、冷卻液、機油、外部灰塵等多種介質(zhì)的作用，同時承受著不斷變化的高溫、高壓和載荷，一旦發(fā)生失效，將導致漏氣、漏水、燒蝕等后果，嚴重影響發(fā)動機的工作[1]。

1 發(fā)動機缸蓋墊片結(jié)構(gòu)和發(fā)展

1.1 缸蓋墊片結(jié)構(gòu)發(fā)展情況

發(fā)動機缸蓋墊片的材料、結(jié)構(gòu)和密封機理的每一步發(fā)展無不與發(fā)動機排放標準的加嚴、發(fā)動機爆發(fā)壓力的提高及可靠耐久要求不斷提高息息相關[2]。發(fā)動機缸蓋墊片的結(jié)構(gòu)形式從最初的單層銅板墊片到石棉、非石棉、石墨復合板墊片，再到多層、單層金屬墊片，發(fā)展到現(xiàn)在的單層金屬和橡膠結(jié)合及單層和多層金屬混合設計的墊片。目前發(fā)動機缸蓋墊片按其結(jié)構(gòu)形式來區(qū)分，主要有三大類型：石墨復合板缸蓋墊片、復合板缸蓋墊片和金屬缸蓋墊片[3]。

非金屬及其與金屬復合缸蓋墊片盡管具有較好的適應性，但機械性能和耐熱性能較差，易變形，持久密封性能難以保證[4]。金屬缸蓋墊片一般以多層金屬板鉚接、激光焊接等方式組合而成。從層數(shù)上可分為多層金屬墊片(≥2層金屬板)、單層金屬墊片及單層和多層金屬復合設計的墊片。其壓緊厚度極易控制，耐久可靠、厚度均勻、熱傳導性好，可以減少缸蓋與缸體的壓緊負載、缸蓋與缸體的結(jié)構(gòu)變形，以及減少螺栓扭矩的損失。此外，金屬缸蓋墊片具有很高的剛性，尤其適用于結(jié)構(gòu)緊湊的發(fā)動機缸蓋和缸體密封。因此，金屬缸蓋墊片得到越來越多的應用。圖1是發(fā)動機缸蓋墊片種類隨著時間的變化情況，很顯然，金屬缸蓋墊片應用比例上升非常明顯，其余都呈下降趨勢。

1.2 金屬缸蓋墊片的主要結(jié)構(gòu)

金屬缸蓋墊片主要由功能層、限位層和距離層構(gòu)成，以適應更高的燃燒壓力及熱負荷要求，其結(jié)構(gòu)[2]如圖2所示。功能層是缸蓋墊片實現(xiàn)密封功能的主要結(jié)構(gòu)，其上分布著全波紋和半波紋的凸筋結(jié)構(gòu)；距離層一般位于缸蓋墊片的中間，用來調(diào)整氣缸墊的厚度，以滿足發(fā)動機壓縮比的要求；限位層通常布置在氣缸口，用來調(diào)整缸蓋墊片面壓的分布；全波紋凸筋為密封缸內(nèi)高溫高壓燃氣的主要結(jié)構(gòu)；半波紋凸筋為密封冷卻液和潤滑油的主要結(jié)構(gòu)；非金屬涂層用于彌補缸體和缸蓋表面的微觀不平度，提供可靠而有效的微觀密封。

全波紋凸筋和半波紋凸筋是缸蓋墊片上最主要的密封結(jié)構(gòu)，也是最容易出現(xiàn)損壞的部位，主要布置在功能層上。缸蓋墊片工作時，會受到來自缸體、缸蓋多個方向的力作用。根據(jù)作用力和反作用力的原理，缸蓋墊片同時會產(chǎn)生反作用力作用于缸蓋和缸體，起到密封作用。全波紋凸筋的作用力要大于半波紋凸筋的作用力，因而全波紋凸筋布置在對密封要求更為嚴格的氣缸口周圍，半波紋凸筋布置在缸體和缸蓋的水腔和油道周圍。

2 金屬缸蓋墊片性能研究進展

發(fā)動機金屬缸蓋墊片的性能研究主要包括試驗研究和數(shù)值模擬2部分。試驗研究主要以缸蓋墊片的壓縮回彈性能和密封性能為主，并通過面壓紙進行面壓分布試驗來分析缸蓋墊片應力的分布情況。數(shù)值模擬則主要是從各個影響密封性能的因素出發(fā)，通過有限元等數(shù)值仿真技術研究預緊或者其他工況下影響密封的主要原因，以便對缸蓋墊片進行失效分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進。

2.1 金屬缸蓋墊片的試驗研究

連接系統(tǒng)一般需要具有良好壓縮回彈性能的墊片，以確保表面形成初始密封，并通過墊片的彈性回復來減小墊片和上下表面間的微小間隙、增大介質(zhì)泄漏阻力來達到密封的效果。因此，連接的密封性能很大程度上取決于墊片的壓縮回彈特性。傳統(tǒng)的發(fā)動機缸蓋墊片壓縮回彈性能研究方法與一般的密封板材壓縮回彈性能研究類似。鄧海金等[5]從循環(huán)往復的試驗條件出發(fā)，研究了柔性石墨缸蓋墊片復合板材在不同壓縮應力下的壓縮回彈特性，獲得了復合板材壓縮率與回彈率的最佳配合。而對于金屬缸蓋墊片，目前大多采用變形控制試驗，研究不同變形量下墊片的壓縮回彈曲線(如圖3所示)，以獲得金屬缸蓋墊片的彈性模量，從而進行相應的數(shù)值分析并確定適宜的壓緊載荷。除此之外，采用感壓試紙可以直觀方便地測定缸蓋墊片上的面壓分布(如圖4所示)，來確定組件的應力狀態(tài)，使得螺栓預緊力、接觸壓力等體現(xiàn)得更加明顯，有助于整個組件和系統(tǒng)的測試。這在缸蓋墊片的試驗研究中已獲得了廣泛應用。

在發(fā)動機運行過程中，即使少量的氣體泄漏也會影響發(fā)動機的整體性能，因此缸蓋墊片的密封性能至關重要。但是，由于發(fā)動機缸蓋墊片結(jié)構(gòu)的復雜性，目前對其密封性能的研究十分缺乏，大多只能進行出廠的型式檢驗及實際的發(fā)動機臺架試驗，沒有完善的缸蓋墊片試驗標準和專用的試驗臺架。

目前，對于發(fā)動機缸蓋墊片的試驗研究大部分是在常溫環(huán)境下進行的，而且是靜態(tài)試驗，不能代表缸蓋墊片真實工作狀態(tài)。建立合理的試驗研究平臺和試驗標準，制定系統(tǒng)可靠的評定和預測規(guī)范是缸蓋墊片試驗研究的關鍵。

2.2 金屬缸蓋墊片的數(shù)值分析

除了試驗研究之外，對于發(fā)動機金屬缸蓋墊片，國內(nèi)外更多以數(shù)值模擬為主要研究手段。以有限元分析軟件為平臺，采用靜態(tài)仿真和準動態(tài)性能仿真，計算分析缸蓋墊片與缸蓋、缸體接觸面上的接觸壓力，密封墊上功能元件的受力情況，密封墊的密封性能，密封墊的抗撕裂性能(疲勞壽命)，密封所需要的最小螺栓預緊力等。

LI J、LEE C C等[6-7]采用有限元分析(FEA)方法模擬缸蓋墊片上的接觸壓力分布，及在不同負載條件下，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)面積導入相應的壓縮回彈曲線，最后在螺栓預緊力的條件下，分析多層金屬缸蓋墊片的密封性能。結(jié)果表明，缸蓋墊片的密封效率取決于壓緊螺栓的擰緊扭矩。與此同時，KUMAR D V、DISHAW R D等[8-9]采用有限元數(shù)值計算方法，研究了不同載荷條件下，如冷裝、熱裝、冷起動和熱起動時，缸蓋墊片接觸壓力的分布和缸蓋應力。也得出相同結(jié)論，即在不考慮缸蓋溫度分布引起的熱應力情況下，缸蓋墊片的密封效率取決于壓緊螺栓的預緊力。指出為了避免發(fā)動機排出的氣體影響發(fā)動機在運行過程中的整體性能，適當?shù)穆菟A緊力和墊片設計是提高墊片密封效率的關鍵因素。然而，當考慮熱負荷時，KUMAR D V等認為墊片上的最大接觸壓力的位置不定。

數(shù)值模擬獲得的缸蓋墊片應力和應變分布情況如圖5所示。圖中顏色越深說明應力和應變越高。相應的試驗驗證主要包括功能元件試驗和整體組件試驗兩大部分。其中功能元件試驗由靜態(tài)試驗、靜態(tài)熱負荷試驗和動態(tài)試驗組成，而整體組件試驗則以壓感試紙測試(面壓分布測試)、組件測試、發(fā)動機臺架測試、整車測試為主。缸蓋墊片仿真分析和面壓試驗的結(jié)果如圖6所示。圖中顏色越深說明面壓越高。通過這些數(shù)值模擬分析可以對缸蓋墊片的受力、變形和密封機理有較好的認識，對于缸蓋墊片的失效分析、縮短缸蓋墊片產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品性能具有重大幫助。

發(fā)動機缸蓋墊片的有限元研究方法中，有部分是通過改變壓紋等優(yōu)化結(jié)構(gòu)來提升缸蓋墊片密封性能的。圖7所示是通過改變結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。葛玉霞、張洪超等[10-11]通過模擬整體密封結(jié)構(gòu)，計算缸蓋墊片與缸體、缸蓋的密封接觸壓力，得出全壓紋截面上的作用力明顯大于半壓紋截面的作用力，并得出全壓紋布置適合對密封要求更為嚴格的缸口周圍密封的結(jié)論。黃鳳琴等[12]得出了缸蓋墊片密封性能主要取決于螺栓預緊力與壓紋結(jié)構(gòu)，調(diào)整缸蓋墊片波紋寬度和高度、增加限位結(jié)構(gòu)后，缸蓋墊片水腔波紋面壓和線壓有明顯提高，并且能有效減小缸蓋變形，增加缸蓋墊片面壓。同樣針對凸筋結(jié)構(gòu)，王玲芳[13]等加入了冷、熱環(huán)境因素，同時考慮預緊力的衰減情況與試驗對標，運用有限元方法得出，缸蓋墊片設計是否合理對面壓分布影響最大。其次，當溫度升高后，由于熱膨脹系數(shù)的差異，缸體與缸蓋之間的間隙增大，需要墊片來彌補。在發(fā)動機設計中，要盡量降低缸體溫度，不僅有利于密封，而且有利于減少高、低循環(huán)疲勞和缸套變形。盧學文等[14]基于非線性求解法，利用有限元軟件對某款發(fā)動機變凸筋結(jié)構(gòu)金屬缸蓋墊片的密封性進行研究，建立了缸體、缸蓋墊片、缸蓋螺栓等完整的簡化模型，得出結(jié)論：變凸筋結(jié)構(gòu)會影響缸蓋墊片應力、應變分布，凸筋高度增加會增大局部應力，凸筋寬度收窄會減小局部應變。由此可見，目前的有限元分析主要針對凸筋結(jié)構(gòu)改變來優(yōu)化性能；但是，對于凸筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化程度及其能達到什么樣的密封性能要求均只能定性分析。

3 結(jié)論

隨著排放標準的提高、發(fā)動機性能參數(shù)和可靠耐久性要求的增加，金屬墊片已成為發(fā)動機缸蓋墊片的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，國內(nèi)目前對缸蓋墊片的研究相對比較缺乏，企業(yè)在缸蓋墊片的設計、生產(chǎn)和選用主要以經(jīng)驗為主，缺乏從整機角度對缸蓋墊片進行開發(fā)和設計；同時，對于金屬缸蓋墊片的性能研究目前尚不夠深入，缺乏合理的試驗標準和評價機制，這在一定程度上制約了發(fā)動機密封水平的提高和發(fā)展。因此，需要建立合理實用的發(fā)動機缸蓋墊片性能試驗方法和評定準則乃至設計選用準則，從而在缸蓋墊片的設計、生產(chǎn)、選用、檢驗等各環(huán)節(jié)有合理的試驗標準和質(zhì)量評定準則。這對發(fā)動機金屬缸蓋墊片的發(fā)展和發(fā)動機整體水平的提高都具有一定的意義。