汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊失效原因分析及設(shè)計(jì)預(yù)防研究

高躍，胡斌

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊位于缸體和缸蓋之間，靠多個(gè)高強(qiáng)度的缸蓋螺栓提供夾緊力，密封發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)燃燒室、高壓油道、低壓油道、冷卻液通道和鏈輪箱等。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)燃燒室的最大爆發(fā)壓力可達(dá)8～15 MPa，最高溫度可達(dá)2 000～2 500 K。在這種苛刻的工作環(huán)境下，必須保證缸體與缸蓋及各部分之間的密封可靠。缸墊失效可能導(dǎo)致燃燒氣體竄入冷卻液通道，造成冷卻液溫度報(bào)警；氣缸與氣缸之間竄氣；還可能造成油水混合以及機(jī)油或者冷卻液泄漏等問題。這些問題都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不同程度的損壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。

氣缸墊一般為多層金屬片密封，其多層金屬片上有模具沖壓的全凸筋和半凸筋，缸口位置還設(shè)有增厚層，可以增大分配在缸口位置的密封力。在氣缸墊的四周往往也有增厚凸筋，主要起到補(bǔ)償缸蓋變形的作用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)缸體和缸蓋上各個(gè)泄漏通道的密封，需要缸蓋螺栓提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。一般每個(gè)缸口周圍分布不少于四個(gè)或以上的螺栓，要求螺栓的預(yù)緊力大小適當(dāng)且分布均勻。如果預(yù)緊力過小，則分布在缸口位置的密封力就小，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)高溫高壓燒氣會(huì)從一個(gè)氣缸竄入相鄰氣缸或者冷卻液通道，造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞、冷卻液溫度報(bào)警等。在設(shè)計(jì)氣缸墊時(shí)，需要選擇適合等級(jí)的螺栓提供適當(dāng)?shù)膴A緊力，通過合理的螺栓裝配工藝來保證裝配質(zhì)量，從而保證密封的可靠性。

通過模擬分析來檢查上述提到的影響氣缸墊的各方面重要因素，可以減少樣件在實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)上發(fā)生不必要的失效和損失，節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本。

1 氣缸墊失效的原因分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋開裂或局部變形

目前發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋都有冷卻水套，其水流的路徑和速率相當(dāng)重要。它的設(shè)計(jì)要運(yùn)用流體力學(xué)和傳熱學(xué)的概念來進(jìn)行，以期達(dá)到良好的換熱性能，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性。假如冷卻通道設(shè)計(jì)不合理，可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)早燃、爆震、氣門結(jié)膠、缸體和缸蓋開裂等。

缸體和缸蓋的主要失效模式之一是熱疲勞，其原因是：發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中熱負(fù)荷變化大，工作時(shí)缸蓋燃燒室面與水套面的溫差很大。熱膨脹時(shí)被約束，燃燒室面發(fā)生很大的壓縮應(yīng)力，冷卻時(shí)發(fā)生拉伸應(yīng)力，在這種交變的熱應(yīng)力狀態(tài)下可能會(huì)導(dǎo)致缸體和缸蓋的開裂等失效。

氣缸墊的凸筋具有一定高度和寬度，氣缸墊的密封是靠凸筋被缸體和缸蓋面壓縮一定行程后的產(chǎn)生的回彈力來實(shí)現(xiàn)的。由于缸體和缸蓋的機(jī)加工表面的平面度要求一般為0.1 mm，如果缸體和缸蓋局部變形過大，則結(jié)合面之間的“間隙”可能超過氣缸墊的凸筋高度，這樣也就失去了回彈力，從而導(dǎo)致氣缸墊失效[1]。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋表面質(zhì)量問題

目前量產(chǎn)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其缸墊的缸體側(cè)和缸蓋側(cè)為通過“絲網(wǎng)印刷”涂覆的液態(tài)氟橡膠，其厚度通常在20 μm左右，氟橡膠涂層主要是起微密封作用。由于鑄鋁件不可避免的會(huì)出現(xiàn)縮孔或者劃痕等缺陷，采用適當(dāng)厚度的氟橡膠涂層可以填充這些結(jié)合表面的缺陷，防止微泄漏。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的布置和螺栓力問題

螺栓通過擰緊過程來實(shí)現(xiàn)夾緊力，當(dāng)螺栓擰緊到一定程度時(shí)，被連接件受到壓縮，同時(shí)螺栓受到拉伸，如圖1所示。

圖1螺栓受力分析以及螺栓扭矩和夾緊力關(guān)系圖

螺栓全部布置在缸蓋上，每缸基本采用四螺栓布置，相連螺栓中心連線不得切割氣缸和跨越空缺部，以免缸孔變形和密封力分布不合理。

受螺栓連接中接觸面摩擦系數(shù)、螺紋處摩擦系數(shù)、螺栓裝配緊固速度、螺紋精度、擰緊工具和螺栓處塑性變形或彈性變形等因素影響，其夾緊力實(shí)際值上下不一，夾緊力過大導(dǎo)致螺栓拉斷或者被夾件(例如缸蓋)壓潰等現(xiàn)象，夾緊力過小導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中氣缸墊密封壓力不足而引起泄漏等失效。

1.4 氣缸墊設(shè)計(jì)問題

氣缸墊需要同時(shí)密封高溫高壓燃?xì)?、冷卻液和機(jī)油三種流體，它們的溫度、壓力、黏度、極性都相差很大，而且燃燒氣體的物理、化學(xué)熱變化也非常頻繁。要保證氣缸墊密封可靠，其難點(diǎn)在于：

(1)三種流體的狀態(tài)相差很大，各自要求的密封面壓力差別非常大；

(2)三種流體的理化性質(zhì)大不相同，材料的選擇也較狹窄；

(3)缸墊尺寸大，要想使其全部有適當(dāng)?shù)拿鎵悍植?，環(huán)抱被密封的流體形成連續(xù)的密封環(huán)帶，必須同時(shí)處理好缸體、缸蓋及其緊固螺栓等的設(shè)計(jì)；

(4)缸墊需要補(bǔ)償上面提到的缸體和缸蓋加工表面的平面度和粗糙度，避免發(fā)生接觸面泄漏；

(5)缸墊需要在缸蓋螺栓軸向夾緊力衰減的情況下保證密封[2]。

2 預(yù)防氣缸墊失效的有效措施

2.1 保證缸蓋的強(qiáng)度和冷卻液通道設(shè)計(jì)的合理性

缸蓋的設(shè)計(jì)要求包括：處理好各個(gè)燃燒室、氣門、進(jìn)排氣道、火花塞、噴油器和缸蓋螺栓等的空間布置；合理設(shè)計(jì)和布置缸蓋冷卻水套，組織好冷卻，防止各個(gè)部位溫度不均，發(fā)生不正常燃燒和熱疲勞開裂；結(jié)構(gòu)剛性好，工作時(shí)變形和跳動(dòng)量小，保證與缸體的結(jié)合面密封良好；其結(jié)構(gòu)要考慮好鑄造分型、芯頭支承、避免金屬堆積造成鑄件疏松、縮孔和過大殘余應(yīng)力。

2.2 保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋表面質(zhì)量

氣缸墊依靠表面的氟橡膠涂層來應(yīng)對(duì)缸體與缸蓋表面的缺陷，由于“絲網(wǎng)印刷”的工藝限制，其最大厚度雖然可以達(dá)到40 μm，但考慮到成本和質(zhì)量穩(wěn)定性，通常設(shè)計(jì)厚度不超過25 μm。這就對(duì)缸體和缸蓋密封區(qū)域的表面質(zhì)量提出了較高的要求。缸體與缸蓋一般采用鑄鐵或者鑄鋁材料制成毛胚，經(jīng)過機(jī)加工形成氣缸墊的接觸面。為了識(shí)別缸體和缸蓋的表面縮孔和粗糙度是否超差等問題，對(duì)于缸體和缸蓋表面的要求如下文所述。

2.2.1縮孔

通過透明密封看板對(duì)密封區(qū)域進(jìn)行標(biāo)示，密封看板是根據(jù)氣缸墊密封凸筋的位置以及輪廓度尺寸共同疊加制作而成。定義在密封區(qū)域內(nèi)，非連接縮孔直徑0.05～0.25 mm為可接受?？s孔直徑在0.25～0.50 mm之間，且相鄰縮孔之間距離大于2.0～3.0 mm，為可接受范圍。

2.2.2粗糙度

機(jī)加工之后的密封區(qū)域粗糙度要求如下：

Rz1max=15 μm Max.; Wt=20 μm Max.；或者Ra=1.8 μm Max.； Rt/Ry=20 μm Max.； Wt=20 μm Max。

2.3 科學(xué)規(guī)劃發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的布置和裝配工藝

缸蓋螺栓的設(shè)計(jì)，要求螺栓的預(yù)緊力大小適合和預(yù)緊力分布均勻，這就要求螺栓合理的布置和可靠的裝配工藝。在一定的螺栓扭矩作用下，其50%扭矩消耗在螺栓頭部的摩擦力中，40%消耗在螺紋副的摩擦力上，只有10%左右產(chǎn)生夾緊力，螺栓產(chǎn)生的夾緊力和設(shè)計(jì)輸入的扭矩如圖1所示。合理的扭矩施加方法對(duì)缸蓋螺栓夾緊力的分布有著非常重大的影響[3]。

同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓工作環(huán)境的關(guān)系，必須能夠承受發(fā)動(dòng)機(jī)在較大爆發(fā)壓力下的循環(huán)交變應(yīng)力。對(duì)其強(qiáng)度和精度要求非常高，螺栓的機(jī)械性能等級(jí)一般要求在10.9級(jí)及以上，螺紋精度在4h級(jí)及以上，同軸度、垂直度公差也有很高的要求。受螺栓結(jié)合面摩擦系數(shù)等諸多因素的影響，即使在同一種工藝情況下，不同批次缸蓋螺栓的預(yù)緊力偏差也較大，導(dǎo)致目前常規(guī)的扭矩法擰緊工藝不能滿足氣缸墊的設(shè)計(jì)要求。為消除這些影響，可以采用扭矩—轉(zhuǎn)角法擰緊工藝。該工藝中，螺栓被擰緊進(jìn)入屈服區(qū)域，此后螺栓由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危浞掷寐菟ǖ牟牧闲阅?，確保發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量的穩(wěn)定可靠，如圖2所示。

圖2缸蓋螺栓擰緊過程受力曲線圖

2.4 利用模擬分析來提高氣缸墊設(shè)計(jì)有效性

氣缸墊的密封主要由兩方面構(gòu)成，其一為表面的氟橡膠涂層，起到微密封作用；其二是金屬層經(jīng)過沖壓形成的凸筋壓縮形成足夠的密封力，密封冷卻液、機(jī)油和燃燒室氣體等。

氣缸墊的凸筋失效主要為凸筋開裂、凸筋耐久后殘留高度過低、凸筋沒有密封發(fā)動(dòng)機(jī)油道水道等，其與凸筋分布、凸筋寬度、凸筋高度、支撐筋設(shè)計(jì)有密切關(guān)系。

典型的氣缸墊的結(jié)構(gòu)截面圖如圖3所示，上面兩層為功能層，其表面被沖壓出半筋和全筋，最下面和缸體接觸的一層為保護(hù)層，起到微密封缸體表面微小縮孔的作用。缸墊可以理解為圖4中的彈簧模型，不同寬度和高度的凸筋即為不同的彈簧剛度，這樣凸筋承擔(dān)的密封力也不同，同時(shí)承受疲勞應(yīng)力程度也不同。

圖3氣缸墊凸筋截面圖

圖4氣缸墊凸筋彈簧模型

確定氣缸墊圖紙和數(shù)模之后，進(jìn)行模擬計(jì)算(CAE)，CAE計(jì)算的輸入必須有缸蓋螺栓的夾緊力和衰減百分比。模擬計(jì)算氣缸墊上所有類型凸筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(L-D Curve)，這些曲線與凸筋的高度和寬度一一對(duì)應(yīng)，如圖5所示。

圖5氣缸墊某類型凸筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

氣缸墊模擬計(jì)算的輸出需要包括以下三個(gè)方面：

(1)凸筋各位置的缸蓋舉升量(Head Lift)；

(2)凸筋各位置的密封力(Line Load)；

(3)凸筋各位置的疲勞性(Bead Fatigue)。

其中缸蓋舉升量的結(jié)果不但和氣缸墊的凸筋類型、寬度和高度以及分布有關(guān)，還和缸蓋結(jié)構(gòu)、缸蓋螺栓的分布和螺栓夾緊力相關(guān)，其輸出結(jié)果如圖5和圖6所示。每個(gè)位置的缸蓋舉升量必須小于氣缸墊凸筋高度的變形量，這樣才能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的各個(gè)工況過程中，凸筋各位置均有密封力，從而不會(huì)導(dǎo)致氣缸墊泄漏或者竄氣等失效。

圖6第三缸點(diǎn)火時(shí)氣缸墊各位置的缸蓋舉升量

圖7不同氣缸點(diǎn)火后氣缸墊各位置的缸蓋舉升量

同時(shí)CAE也可以根據(jù)氣缸墊密封凸筋的類型和分布、螺栓載荷的分布等模擬計(jì)算出各個(gè)工況下的密封力(如圖8～圖9所示)，其優(yōu)勢(shì)在于可以在各實(shí)物樣件未完成的情況下初步判斷氣缸墊的設(shè)計(jì)是否合理，可以早期預(yù)測(cè)各類型臺(tái)架試驗(yàn)下的密封力大小以及分布是否合理。

圖8冷態(tài)安裝時(shí)壓力分布

圖9第四缸點(diǎn)火后壓力分布

隨著模擬分析技術(shù)的不斷提高以及與試驗(yàn)驗(yàn)證過程中采集的數(shù)據(jù)不斷修正，還可以計(jì)算出凸筋耐久試驗(yàn)以后的疲勞性能(如圖10所示)，預(yù)測(cè)是否會(huì)導(dǎo)致氣缸墊開裂所導(dǎo)致的失效等問題。這樣不僅可以提前判斷氣缸墊凸筋的設(shè)計(jì)是否合理，還節(jié)省了大量的重復(fù)驗(yàn)證的時(shí)間和成本。

圖10氣缸墊凸筋疲勞模擬分析輸出圖

3 氣缸墊的試驗(yàn)

氣缸墊樣件通過模具制造出來后，必須通過一套完整的開發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)。一般來說，氣缸墊開發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)主要包含以下幾個(gè)方面[4]：富士面壓試驗(yàn)、鉛塊試驗(yàn)、缸蓋舉升試驗(yàn)、凸筋疲勞試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)。

3.1 富士面壓試驗(yàn)

通常使用富士面壓紙來快速表征發(fā)動(dòng)機(jī)裝配狀態(tài)下的氣缸墊各個(gè)位置的壓力。根據(jù)要查看的凸筋類型，在氣缸墊與缸蓋、缸體結(jié)合面之間放入高壓或者中壓面壓紙(缸口全波紋凸筋處選用高壓面壓紙，其余位置選用中壓面壓紙)，按照發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋裝配要求，按規(guī)定順序和規(guī)定擰緊要求擰緊缸蓋螺栓，靜置10 min后，可以看到面壓紙上有不同程度顯色反映，通過富士掃描儀可以讀出冷態(tài)時(shí)墊片各個(gè)位置所受的壓力(見圖11)。目前密封最小經(jīng)驗(yàn)壓力一般為：

A：燃燒氣體：30～50 N/mm

B：冷卻液： 8～12 N/mm

C：低壓油道：8～12 N/mm

D：高壓油道：18～25 N/mm

圖11氣缸墊的面壓試驗(yàn)示意圖

3.2 鉛塊試驗(yàn)

此試驗(yàn)是用來檢查氣缸墊在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配狀態(tài)下被缸體和缸蓋夾緊后的壓縮厚度與設(shè)計(jì)要求是否一致。試驗(yàn)方法為在氣缸墊的不同位置打一些小孔，在孔中放入可壓縮的微珠，按照發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋裝配要求，按規(guī)定順序和規(guī)定擰緊要求擰緊缸蓋螺栓，然后拆下缸蓋測(cè)量微珠的剩余高度，即為此位置的氣缸墊壓縮厚度。通常每個(gè)缸口附近的全波紋凸筋一圈需要布置3個(gè)以上微珠，墊片的四周遠(yuǎn)離螺栓位置需要多布置一些微珠，這樣有利于后續(xù)其他試驗(yàn)的更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)輸入。

3.3 缸蓋舉升量試驗(yàn)

此試驗(yàn)是為了測(cè)定缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃時(shí)的變形量。方法如下：將缸蓋側(cè)面做“打點(diǎn)”標(biāo)識(shí)，按照發(fā)動(dòng)機(jī)裝配要求安裝缸體、氣缸墊和缸蓋，然后通過火花塞位置向每個(gè)氣缸內(nèi)充入等同于最大爆發(fā)壓力的壓縮氣體，通過高速攝像機(jī)觀察得到的缸蓋標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置的偏移量，即為舉升量(如圖12所示)。通常在螺栓夾緊力弱的區(qū)域舉升量大，需要更高的波紋凸筋來密封。缸蓋的舉升量數(shù)據(jù)可以作為CAE計(jì)算冷態(tài)結(jié)果的修正輸入，還可以計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中缸蓋變化對(duì)凸筋波紋密封力的衰減影響。

圖12缸蓋舉升量示意圖

3.4 凸筋疲勞試驗(yàn)

為了提前檢驗(yàn)氣缸墊在發(fā)動(dòng)機(jī)耐久循環(huán)過程中是否會(huì)發(fā)生凸筋開裂的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)凸筋的疲勞性做單獨(dú)試驗(yàn)。一般單獨(dú)取氣缸墊的某一種凸筋(缸口位置的全波紋凸筋優(yōu)先測(cè)試)進(jìn)行試驗(yàn)。將缸蓋舉升量試驗(yàn)中得到的行程值作為疲勞試驗(yàn)的振幅，在振動(dòng)模擬臺(tái)架上壓縮循環(huán)1 000萬次后查看凸筋是否發(fā)生開裂。有時(shí)，此試驗(yàn)在高溫環(huán)境下進(jìn)行，以模擬氣缸墊的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)

完成上述氣缸墊試驗(yàn)之后，還需要通過完整的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證，包含全負(fù)荷耐久試驗(yàn)、高低溫冷熱沖擊耐久試驗(yàn)、高低溫深度熱沖擊耐久試驗(yàn)等。

全負(fù)荷耐久試驗(yàn)一般是指發(fā)動(dòng)機(jī)全速全負(fù)荷情況下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等同于整車全壽命時(shí)間的耐久試驗(yàn)。此試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)油溫和水溫處于高溫狀態(tài)下，并且缸內(nèi)爆發(fā)壓力最大，充分的考核了氣缸墊極端耐受情況。

高低溫冷熱沖擊耐久試驗(yàn)是指發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫由外接大水箱(有加熱和冷卻功能)控制，其在很短的時(shí)間內(nèi)讓水溫從室溫上升至90℃繼而又下降到室溫，考察缸體和缸蓋在冷熱交變過程中的變形是否可以被氣缸墊的凸筋密封。同時(shí)缸蓋螺栓夾緊力也會(huì)在此交變過程中有一定衰減，也會(huì)惡化氣缸墊的密封性能。這個(gè)試驗(yàn)通常持續(xù)3個(gè)月，對(duì)氣缸墊的密封能力是極大的考驗(yàn)。

為了進(jìn)一步查看氣缸墊在低溫下的密封性能，還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度從極低的溫度快速上升至最高溫度，循環(huán)一定的次數(shù)來查看氣缸墊密封性能。整車的耐久試驗(yàn)、冬季試驗(yàn)和夏季試驗(yàn)也是對(duì)氣缸墊的密封性和可靠性進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)論

在開發(fā)過程中可以利用模擬分析(CAE)方法指導(dǎo)氣缸墊上密封凸筋的設(shè)計(jì)，降低和均衡缸蓋各區(qū)域變形量。選擇適當(dāng)?shù)呐ぞ丶愚D(zhuǎn)角擰緊工藝，確定合理的螺栓夾緊力。可利用密封看板，100%檢測(cè)生產(chǎn)線上缸體和缸蓋的表面質(zhì)量，確保氣缸墊在發(fā)動(dòng)機(jī)和整車全壽命過程中起到良好的密封作用。同時(shí)可以利用富士面壓試驗(yàn)、鉛塊試驗(yàn)和凸筋疲勞等試驗(yàn)確保氣缸墊可以完全通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)以及整車耐久試驗(yàn)。