發(fā)動機(jī)密封性是評價發(fā)動機(jī)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，良好的密封和足夠的強(qiáng)度一直是發(fā)動機(jī)整機(jī)可靠性的重要保障。氣缸蓋是發(fā)動機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、機(jī)械載荷和熱負(fù)荷最高的零件之一。

 

在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中經(jīng)常暴露出由于其剛度或強(qiáng)度不足而引起的種種問題。發(fā)動機(jī)的氣缸墊的主要作用是使高溫高壓燃?xì)狻⒗鋮s水和潤滑油不泄露，起密封的作用；并且與氣缸蓋、氣缸套、活塞一起構(gòu)成氣缸容積和燃燒室；氣缸墊在高溫高壓和受熱不均的條件下工作，其強(qiáng)度、密封性能的好壞，直接影響到發(fā)動機(jī)工作的安全性和可靠性，是發(fā)動機(jī)的重要密封部件。在某發(fā)動機(jī)冷熱沖擊試驗中，出現(xiàn)缸體排氣側(cè)漏水故障，急需對缸墊密封性能進(jìn)行預(yù)測研究。

 

目前國內(nèi)對金屬氣缸墊密封的研究較少，本文利用有限元分析軟件，對某汽油發(fā)動機(jī)氣缸密封墊進(jìn)行了建模和計算，分析了汽缸墊上的壓力分布，關(guān)鍵部位的變形，以及結(jié)構(gòu)對缸墊密封性能的影響，然后根據(jù)分析結(jié)果對現(xiàn)有缸墊進(jìn)行了改進(jìn)，對比分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)有明顯改善，最終改進(jìn)缸墊通過發(fā)動機(jī)冷熱沖擊試驗。

 

缸墊幾何結(jié)構(gòu)介紹

氣缸密封墊安裝在機(jī)體與缸蓋之間，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣。氣缸墊除了密封燃燒室、冷卻液機(jī)潤滑油通道，防止漏氣、漏油、漏水之外，還用戶與傳遞機(jī)體與缸蓋之間的作用力，密封墊上冷卻液和潤滑油孔道的布置對整機(jī)的冷卻與潤滑性能有很大的影響，所以在設(shè)計過程中要充分考慮氣缸密封墊與整機(jī)匹配。

 

在本分析中，采用的是金屬墊片，根據(jù)結(jié)構(gòu)和作用來區(qū)分，主要分為缸墊本體、缸口密封圈、水套密封圈、高壓油孔密封圈、回油孔密封圈五個部分，它們的主要作用是構(gòu)造缸墊主體、防止燃燒室漏氣、防止水套漏水和防止高壓油孔及回油孔漏油。缸墊結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。

 

 

缸墊 3D 示意圖（圖1）

 

 

缸墊截面示意圖（圖1）

 

模型建立

缸墊的力學(xué)特性

為準(zhǔn)確計算其壓力分布，測得缸墊缸口密封波紋、水套密封波紋、高壓油孔密封波紋、回油孔密封波紋加載和卸載特性曲線如圖 2 所示。在分析中，將這些曲線通過編輯 AbaqusGASKET單元屬性，賦給缸墊波紋單元。

 

 

圖 2 缸墊波紋壓縮特性曲線

 

計算工況

考慮到缸墊在整個冷熱沖擊試驗過程中的工況，將整個分析分為五步，step‐4 和 step‐5 為將 step‐2 和 step‐3 重復(fù)一個循環(huán)：

lstep‐1 裝配工況

lstep‐2 熱應(yīng)力工況（冷卻水溫 110℃）

lstep‐3 熱應(yīng)力工況（冷卻水溫 25℃）+2 缸最大爆發(fā)壓力

lstep‐4 熱應(yīng)力工況（冷卻水溫 110℃）

lstep‐5 熱應(yīng)力工況（冷卻水溫 25℃）+2 缸最大爆發(fā)壓力

 

邊界條件

約束缸體主軸承座出部分節(jié)點(diǎn) x，y，z 的位移自由度。

 

有限元分析模型

有限元模型包括缸體、缸蓋、缸墊、缸蓋螺栓、氣門閥座和火花塞。缸體、缸蓋接觸及重要部位采用六面體單元，其余采用四面體單元。缸墊、氣門閥座、火花塞采用六面體單元，缸蓋螺栓采用 beam 單元模擬。有限元分析模型見圖 1。

 

 

圖 3 有限元分析模型

 

模型驗證

為驗證模型的有效性，特對有缸墊模型和無缸墊模型進(jìn)行了壓印試驗驗證，圖 4 為缸墊缸蓋側(cè)面壓試驗結(jié)果和仿真裝配工況結(jié)果對比。

 

 

仿真分析結(jié)果 壓印試驗結(jié)果

圖 4 缸墊面壓（缸蓋側(cè)）對比

 

由圖 4 可知，仿真結(jié)果和壓印試驗結(jié)果趨勢基本一致，因此認(rèn)為有限元分析模型時有效的，可以進(jìn)行缸墊的密封性能預(yù)測分析。

 

結(jié)果分析

缸墊螺栓軸向力變化

圖 6 為各工況下螺栓軸力的變化，螺栓軸力變化，對缸墊的密封性能會產(chǎn)生影響，同時考慮到螺栓的強(qiáng)度要求，必須采用允許拉伸軸向力大于螺栓在受熱工況中的最大軸向力，才可滿足設(shè)計要求。在此款發(fā)動機(jī)及，螺栓強(qiáng)度滿足要求。

 

 

圖 6 螺栓軸向力變化

 

缸墊面壓分布

方案一為最初缸墊設(shè)計，方案二在方案一上對水波壓縮高度和寬度進(jìn)行了調(diào)整，同時在缸墊中間層增加了 6 個 stopper。圖 7 為方案一與方案二裝配工況面壓對比結(jié)果。有圖中可以看出，水波排氣側(cè)均有出現(xiàn)壓力不足情況。方案二在水腔波紋和回油孔波紋出面壓較方案一有明顯增加，滿足我們的設(shè)計要求。

 

 

圖 7 step‐1 面壓對比圖

 

在水溫為 110℃熱負(fù)荷工況，缸體缸蓋溫度升高，螺栓軸向力增加，缸墊面壓也會隨之增加，而當(dāng)水溫下降到 25℃度時，水套周圍壁溫迅速下降，缸體缸蓋溫度場發(fā)生變化，螺栓軸向力降低，缸墊密封壓力下降。由圖 8 可以看出，方案一排氣側(cè)水腔和回油孔波紋壓力下降較大，而方案二在冷卻工況仍能保證密封壓力。

 

 

圖 8 step‐3 面壓對比示意圖

 

為了研究有無 stopper 對缸墊密封性能的影響，特將有 stopper 和無 stopper 缸墊（缸墊其它結(jié)構(gòu)均一致）有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對比。方案一與方案二 step‐3 缸蓋變形對比如圖 9 所示，方案二缸蓋整體彎曲變形較方案一小。

 

 

圖 9 step‐3 缸蓋變形對比

 

圖 9 為裝配工況對比結(jié)果，由圖可知無 stopper 較有 stopper，水腔波紋和回油孔波紋面壓均有不同層度的下降，而在水溫為 25℃時工況下降更為明顯，如圖 10 所示。由此可見，有stopper 結(jié)構(gòu)缸墊對其密封性能有很大的影響。

 

 

圖 9 step‐1 面壓對比圖

 

 

圖 10 step‐3 面壓對比示意圖

 

缸墊 headlift 的變化

headlift 為 step‐3 相對 step‐1 波紋變形。圖 12 為方案一與方案二水腔波紋 headlift 對比圖，由圖可知，方案一排氣側(cè)部分節(jié)點(diǎn) headlift 在冷卻水溫為 25℃時線壓下降較方案二明顯。

 

 

圖 12 水腔波紋 headlift 對比圖

 

小結(jié)

1）利用 AbaqusGASKET 提供的專用墊片單元，通過材料定義厚度方向的非線性壓縮特性曲線，可以有效的模擬加載和卸載過程中的材料非線性。

2）通過對缸墊波紋寬度和高度的調(diào)整，增加 stopper，改進(jìn)后的缸墊水腔波紋面壓和線壓有明顯提高。

3）增加 stopper 之后能有效減小缸蓋的變形，增加缸墊面壓。

4）方案一缸墊在發(fā)動機(jī)冷熱沖擊試驗中出現(xiàn)排氣側(cè)漏水故障，改進(jìn)后的方案二通過了發(fā)動機(jī)220h 冷熱沖擊試驗。

 

資料來源：達(dá)索官方