氣門油封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化*

雷 剛 譚 巍 樊 偉 范冬冬

(1.重慶理工大學汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室 重慶 400054； 2.浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江寧波 315336)

氣門油封是發(fā)動機總成中的重要零部件，其密封性能對發(fā)動機的總體性能有著重要影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機整機性能不斷提高，氣門桿速度不斷提升，這對氣門油封的密封性能提出了更加嚴苛的要求。行業(yè)標準對氣門油封的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計給出推薦值，但是油封細部參數(shù)的設(shè)計仍然依靠油封生產(chǎn)企業(yè)結(jié)合自身的設(shè)計經(jīng)驗來確定，這樣將會導(dǎo)致相同規(guī)格、相同材料的氣門油封由于不同企業(yè)細部設(shè)計的差別，在密封性能和使用壽命上表現(xiàn)出較大的差異。

以往對油封密封性能的研究已經(jīng)形成一系列研究成果[1-6]。目前對于油封密封性能的研究主要是通過建立油封的有限元模型，或者通過臺架實驗進行測量。李莉英[7]對氣門油封進行彈性模量測定、徑向力測定和壽命實驗等，并對設(shè)計參數(shù)進行總結(jié)，計算了油膜厚度，以驗證氣門油封唇口的最佳參數(shù)。呂迪[8]分析了影響氣門油封機油泄漏量的要素，建立了有限元模型對其中一些要素進行模擬仿真，并設(shè)計臺架試驗進行對比驗證。張付英等[9]研究了彈簧勁度系數(shù)、過盈量等對唇形油封密封性能的影響。上述的研究大多考慮的是單一結(jié)構(gòu)參數(shù)對油封密封性能的影響規(guī)律，并未考慮多個油封參數(shù)共同作用下的油封密封性能。因此，針對多結(jié)構(gòu)參數(shù)共同影響下油封密封性能的研究和優(yōu)化，是非常有必要的。

本文作者以初始氣門油封為基礎(chǔ)，基于正交試驗設(shè)計原理，對氣門油封油面角、氣面角、過盈量、彈簧剛度、唇口圓角半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行正交試驗方案設(shè)計，利用有限元方法模擬分析氣門油封唇口接觸壓力分布，進而計算得到最大接觸壓力和單位周長徑向力2個密封性能指標；通過極差分析，確定氣門油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對油封接觸壓力和徑向力影響的主次順序，并以油封最大接觸壓力和最小單位周長徑向力為目標函數(shù)優(yōu)化氣門油封結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得滿足目標函數(shù)的最優(yōu)氣門油封結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

1 氣門油封幾何模型

文中研究的油封模型為發(fā)動機氣門油封，其幾何模型如圖1所示。油封總成由橡膠本體，金屬骨架和壓緊彈簧3部分組成。氣門油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括油面唇角α、氣面唇角β、安裝過盈量δ、油封唇口圓角半徑r和壓緊彈簧的彈簧剛度k。氣門油封初始設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 油封幾何模型

在氣門油封設(shè)計之初，油封與氣門桿之間會有一定的過盈量，油封依靠唇口的橡膠變形與氣門桿形成初始的接觸狀態(tài)來獲得密封。金屬骨架的作用是用來支撐油封，保證油封有一個良好裝配狀態(tài)。橡膠老化會導(dǎo)致油封徑向力衰減，而壓緊彈簧可以補償油封接觸所需要的徑向力，從而提高油封的使用壽命。

2 氣門油封結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗設(shè)計

依據(jù)正交試驗設(shè)計原理[10]，將氣門油封油面唇角α、氣面唇角β、安裝過盈量δ、唇口圓角半徑r、彈簧剛度k5個參數(shù)定義為設(shè)計因素，氣門油封參數(shù)參照GB/T 34028—2017《發(fā)動機氣門導(dǎo)桿往復(fù)油封及性能試驗方法》中推薦范圍值進行確定。分析氣門油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對油封最大接觸壓力和單位周長徑向力等接觸性能參數(shù)的影響，并以最大接觸壓力和最小單位周長徑向力為目標值，尋求油封結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。正交試驗設(shè)計方案因素水平參數(shù)如表2所示，其中字母A～E表示正交試驗因素，數(shù)字1～4代表各試驗因素水平值。根據(jù)正交試驗的因素及各因素的水平值，選擇5因素4水平的L16(54)正交試驗表進行試驗方案的排列組合，正交試驗方案如表3所示。

表2 正交試驗因素及水平

表3 L16(54)正交試驗方案

3 有限元分析模型

結(jié)合表3油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗設(shè)計方案和有限元分析方法，對氣門油封進行有限元模型的建立。采用有限元分析軟件模擬16種方案下帶簧氣門油封的密封狀態(tài)，計算獲得各方案油封接觸壓力和接觸寬度，進一步計算得到油封最大接觸壓力和單位周長徑向力數(shù)值大小。

3.1 氣門油封網(wǎng)格劃分

發(fā)動機氣門油封由橡膠本體、金屬骨架和壓緊彈簧3部分組成，在不考慮油封偏心安裝時，油封結(jié)構(gòu)在幾何結(jié)構(gòu)、約束條件和載荷施加上都表現(xiàn)為軸對稱。因此，在油封建模時選擇建立油封結(jié)構(gòu)的子午面模型，對子午面模型進行網(wǎng)格劃分，然后用有限元軟件進行計算。橡膠部分、壓緊彈簧、金屬骨架采用四邊形軸對稱減縮積分單元，氣門桿和氣門導(dǎo)管按照解析剛體建立模型。經(jīng)過試驗，網(wǎng)格劃分的數(shù)量和大小對仿真結(jié)果沒有影響。

為了能對氣門油封壓緊彈簧進行模擬，在創(chuàng)建油封模型時對壓緊彈簧結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的簡化處理，以便在分析中盡可能模擬壓緊彈簧的作用。簡化后的彈簧模型呈圓管狀，用圓管的等效彈性模量E來表征彈簧剛度k的數(shù)值。具體推導(dǎo)過程[11-12]如下：

F=k·ΔL

(1)

(2)

(3)

σ=E·ε

(4)

(5)

式中:F為彈簧拉力(N)；k為彈簧勁度系數(shù)(N/mm)；ΔL為彈簧拉伸變形量(mm);L為彈簧原長(mm)；ε為拉伸應(yīng)變；σ為拉伸應(yīng)力(N/mm2);S為圓管橫截面積(mm2)。

氣門油封網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 油封網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 材料模型

橡膠屬于超彈性材料，在力學性能上表現(xiàn)出強烈的非線性特性，橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通常采用應(yīng)變能密度函數(shù)來描述。橡膠應(yīng)變在150%以內(nèi)變形，兩參數(shù)的Mooney-Rivlin 模型能夠很好地描述橡膠材料的力學性能，此模型與試驗數(shù)據(jù)也有很好的一致性[13]。兩參數(shù)的Mooney-Rivlin 模型[14]描述如下：

U=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(6)

式中：U為單位體積的應(yīng)變能；C01、C10為材料系數(shù);I1、I2為一階、二階應(yīng)變不變量。

用于氣門油封橡膠本體材料為氟橡膠(FKM),硬度為Shore A 72。根據(jù)FKM橡膠的硬度，經(jīng)過計算得到橡膠材料系數(shù)C10=0.812 MPa，C01=0.203 MPa。氣門油封內(nèi)包金屬骨架材料為碳鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3；氣門桿和氣門導(dǎo)管按照剛體處理。

3.3 接觸設(shè)置和邊界條件

氣門油封系統(tǒng)在模擬分析過程中，需要建立氣門桿和油封唇口的接觸、氣門導(dǎo)管與油封的接觸、油封與彈簧的接觸對才能保證力的傳遞。3組接觸均采用面-面接觸的方式，切向摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3。

約束氣門油封底部的全部自由度。在代表氣門導(dǎo)管的解析剛體上施加沿Y方向的位移值，大小為8 mm,在代表氣門桿的解析剛體上施加沿Y方向的位移值，大小為10 mm。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 初始油封有限元分析結(jié)果

待Abaqus計算完后，截取到的應(yīng)力云圖如圖3所示。將Abaqus中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin后，得到的接觸應(yīng)力在接觸寬度上的分布如圖4所示。

圖3 初始油封接觸壓力云圖(MPa)

圖4 接觸壓力沿Y軸向分布

由圖3所示接觸應(yīng)力云圖可以看出，初始油封的大部分接觸區(qū)域的接觸壓力都在0.7 MPa以上，而最大接觸壓力達到了2.9 MPa左右。對于無壓或低壓(0.3 MPa)油封環(huán)境來說，初始油封的接觸壓力明顯大于油壓,所以能夠起到良好的密封作用。由圖4所示接觸壓力沿Y軸向分布可以看出，油封唇接觸壓力呈現(xiàn)不均勻分布，接觸壓力最大值位置靠近油側(cè)。副唇的設(shè)計可以防止灰塵進入密封唇口。

4.2 正交試驗方案的有限元分析結(jié)果

表4匯總了氣門油封正交試驗16種方案的接觸寬度、最大接觸壓力和單位周長徑向力分析結(jié)果。

表4 正交試驗分析結(jié)果

5 正交試驗結(jié)果分析

為了研究氣門油封結(jié)構(gòu)參數(shù)對油封密封性能的影響規(guī)律，選取油封唇口最大接觸壓力pmax和單位周長徑向力Fr2個性能指標，分析油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對2個性能指標影響的主次順序；并以最大接觸壓力和最小單位周長徑向力作為優(yōu)化目標，尋求油封結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合。

5.1 試驗數(shù)據(jù)極差分析

極差分析(直觀分析)：通過極差的大小來評價各因素對試驗指標影響的程度。極差值表示第i列因素各水平平均指標值的最大值與最小值之差,即

Ri=max{kij}-min{kij}

(7)

式中：i為正交試驗因素數(shù)(A～E)；j為各因素水平數(shù)(1～4)；ki為任意列上水平號為i時所對應(yīng)的試驗指標和的算術(shù)平均值[15]。

為了探尋油封結(jié)構(gòu)參數(shù)對油封密封性能的影響規(guī)律，研究油封諸多結(jié)構(gòu)因素對油封最大接觸壓力pmax和單位周長徑向力Fr的影響順序，尋求最優(yōu)的油封結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，需要對正交試驗方案分析數(shù)據(jù)進行極差分析。經(jīng)過分析計算，極差分析結(jié)果如表5所示。

表5 各因素極差分析結(jié)果

極差值通過試驗因素水平的改變，來反映目標值變化的波動情況，進而分析出各因素對目標性能的重要程度。因素的重要性與極差值的大小呈正相關(guān)，極差值越大，說明因素對目標性能的影響程度越大，通過極差的分析就可以反映出油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對油封靜態(tài)密封性能影響的主次順序。從極差分析結(jié)果可以看出，影響氣門油封最大接觸壓力的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序依次為：E、A、B、D、C，影響單位周長徑向力的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序依次為：E、 B、C、A、D。由此可見，因素E(即油封唇口圓角半徑)對油封唇口最大接觸壓力和單位周長徑向力的影響程度都為最大；因素B(即氣面角)對單位周長徑向力有較顯著的影響；因素A(即油面角)對油封唇口最大接觸壓力有較強的影響，但對單位周長徑向力影響較??；因素D(即彈簧剛度)對單位周長徑向力和最大接觸壓力影響均較小。

5.2 氣門油封最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案確定

為了探究氣門油封最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，以最大接觸壓力和最小單位周長徑向力為優(yōu)化目標，計算出同一水平下各因素的數(shù)值均值，獲取各因素最優(yōu)水平組合，再結(jié)合極差分析結(jié)果，確定出滿足優(yōu)化目標的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。最大接觸壓力均值和單位周長徑向力均值如圖5、6所示。2個優(yōu)化目標的各因素最佳水平如表6所示。

圖5 最大接觸壓力均值

圖6 單位周長徑向力均值

表6 各因素最優(yōu)水平數(shù)

由表6可知，每個因素對于最大平均接觸壓力和最小單位周長徑向力2個優(yōu)化目標的最優(yōu)水平并不完全相同。結(jié)合圖5、6極差分析結(jié)果，則可以確定出各因素對2個優(yōu)化目標的最優(yōu)水平組合為：油面角α=43°，氣面角β=23°，過盈量δ=0.1 mm，彈簧剛度k=0.792 N/mm，唇口圓角半徑r=0.1 mm。

5.3 油封最優(yōu)方案的優(yōu)化結(jié)果分析

由正交試驗方案得到的最優(yōu)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)組合對氣門油封進行建模分析，計算得到優(yōu)化后的氣門油封最大接觸壓力和單位周長徑向力，并與初始油封密封性能評價指標進行比較，突出優(yōu)化后氣門油封密封性能的提升。圖7所示為油封優(yōu)化后的接觸壓力云圖，圖8所示為其接觸壓力在接觸寬度上的分布。

圖7 優(yōu)化后油封唇口接觸壓力云圖(MPa)

圖8 優(yōu)化后油封唇口接觸壓力沿Y軸向分布

對比圖7、8和圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后油封的唇口壓力分布最大處的接觸壓力比初始油封要明顯更大，說明優(yōu)化后油封的密封性能要明顯提高；同時優(yōu)化后油封的接觸寬度要明顯短于初始油封的接觸寬度，說明優(yōu)化后油封的磨損情況將會減輕。具體計算結(jié)果如表7所示。

表7 初始油封與優(yōu)化油封性能對比

根據(jù)表7計算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的氣門油封在最大接觸壓力上比初始油封增加了85.61%，對于無壓油封或油壓小于0.3 MPa的油封來說，最大接觸壓力大于油壓即可保證油封的靜態(tài)密封性能。油封的徑向力亦稱抱軸力，徑向力過大，將會加劇油封唇口磨損，嚴重影響油封的使用。從表7可看出，優(yōu)化后的油封單位周長徑向力比初始油封減少了20.54%，在保證油封密封性的前提下，大大改善了油封唇口的磨損情況，提高了油封的使用壽命。

6 結(jié)論

(1)正交試驗及極差分析結(jié)果表明：油封結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大接觸壓力影響的主次順序依次為唇口圓角半徑、油面唇角、氣面唇角、彈簧剛度、安裝過盈量；對單位周長徑向力影響的主次順序依次為唇口圓角半徑、氣面唇角、安裝過盈量、油面唇角、彈簧剛度。由此可見，油封唇口圓角半徑對油封唇口最大接觸壓力和單位周長徑向力的影響程度都為最大；氣面角對單位周長徑向力有較顯著的影響；油面角對油封唇口最大接觸壓力有較強的影響，但對單位周長徑向力影響較?。粡椈蓜偠葘挝恢荛L徑向力和最大接觸壓力影響均較小。

(2)以最大接觸壓力和最小單位周長徑向力為優(yōu)化目標，獲得了氣門油封最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：油面角α=43°，氣面角β=23°，過盈量δ=0.1 mm，彈簧剛度k=0.792 N/mm，唇口圓角半徑r=0.1 mm。優(yōu)化后的氣門油封最大接觸壓力比初始油封增加了85.61%，單位周長徑向力降低了20.54%。

(3)文中以氣門油封為研究對象，進行結(jié)構(gòu)參數(shù)對唇口接觸特性研究與優(yōu)化，研究方法同樣適用于其他不同規(guī)格的油封，對油封的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化都能起到一定的參考意義。