李志勇 常麗 劉劍峰 武振海

摘要：某柴油機(jī)缸蓋墊在前期通過(guò)了面壓試驗(yàn)確認(rèn)，但在可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)缸蓋墊開(kāi)裂現(xiàn)象。利用Abaqus軟件建立仿真計(jì)算模型，對(duì)不同工況下的缸蓋墊線(xiàn)壓力、波動(dòng)量進(jìn)行分析。結(jié)果表明，原缸蓋墊線(xiàn)壓力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但波動(dòng)量超過(guò)了設(shè)計(jì)限值。隨后提出改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案，進(jìn)行仿真分析，最終通過(guò)缸蓋墊疲勞振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證2種缸蓋墊的仿真計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);氣缸墊;密封性;仿真分析

0?前言

近年來(lái)，隨著國(guó)家汽車(chē)排放法規(guī)的不斷升級(jí)，國(guó)家和政府對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能環(huán)保越來(lái)越重視，也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了更高的要求。目前，車(chē)用柴油機(jī)的缸內(nèi)爆發(fā)壓力已普遍提高到18 MPa以上的水平。由于缸蓋墊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接觸介質(zhì)多樣、環(huán)境溫度變化頻繁，對(duì)缸蓋墊的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)要求非常高[1]，而缸內(nèi)爆壓的提升則直接影響到缸蓋的設(shè)計(jì)。本文利用Abaqus軟件對(duì)不同工況下的缸蓋墊線(xiàn)壓力、波動(dòng)量進(jìn)行分析，優(yōu)化缸蓋墊結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1?缸蓋墊密封性仿真計(jì)算方法

1.1?仿真模型的計(jì)算工況和負(fù)荷

缸蓋墊的密封性仿真計(jì)算模型包括機(jī)體、缸蓋、缸蓋墊、缸套、缸蓋螺栓、氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管，如圖1所示。

缸蓋墊密封性仿真計(jì)算工況包括常溫裝配工況、起動(dòng)初期的冷機(jī)工況、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的熱機(jī)工況和各缸輪流發(fā)火工況[2]。對(duì)于缸蓋墊缸口處的氣體密封分析，研究人員將工況設(shè)置為裝配工況、冷機(jī)工況和各缸輪流發(fā)火工況的組合。此工況組合對(duì)缸蓋墊缸口處的密封性要求最為苛刻，缸口處的線(xiàn)壓力最小。對(duì)于缸蓋墊油水密封處的密封分析，研究人員將工況設(shè)置為裝配工況、熱機(jī)工況和各缸輪流發(fā)火工況的組合。此工況組合對(duì)缸蓋墊油水密封處的密封要求最為苛刻。

考慮到極限條件，上述工況組合中裝配工況的螺栓預(yù)緊力使用的是最小螺栓預(yù)緊力，同時(shí)螺栓預(yù)緊力按10%衰減考慮。另外，研究人員為4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的1缸和4缸設(shè)置了最大缸套沿凸出高度，為2缸和3缸設(shè)置了最小缸套沿凸出高度。熱機(jī)工況缸體、缸蓋的溫度場(chǎng)來(lái)自缸體與缸蓋的流固耦合，研究人員將冷機(jī)工況時(shí)缸體和缸蓋溫度設(shè)置為20 ℃。

1.2?材料特性

缸蓋墊密封性仿真計(jì)算模型各零部件材料的特性主要包括不同溫度下的彈性模量、泊松比、熱導(dǎo)率、密度、熱膨脹系數(shù)等，如表1所示。

缸蓋墊材料為復(fù)合材料，材料特性參數(shù)需要缸口密封、油水密封處的壓縮特性和回彈特性曲線(xiàn)。壓縮率和回彈率是密封墊片極其重要的物理特性指標(biāo)[3]，直接影響墊片材料所在密封位置的密封效果。提高墊片材料壓縮率的方法包括對(duì)金屬密封面粗糙度、平面度和缺陷進(jìn)行填塞。墊片材料的回彈率對(duì)螺栓預(yù)緊力的保持有直接影響。在進(jìn)行墊片數(shù)據(jù)處理時(shí)，研究人員需要根據(jù)缸口密封、油水密封處孔波高差異及缸套沿的凸出高度，對(duì)墊片原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)須注意缸蓋墊各密封位置的接觸順序。

2?原方案仿真分析

2.1?原方案缸蓋墊材料特性

原方案缸蓋墊材料特性如圖2所示，包括缸口、油水孔和螺栓孔的壓縮特性和回彈特性曲線(xiàn)。

2.2?原方案仿真計(jì)算結(jié)果分析

首先提取裝配、熱機(jī)及各缸輪流發(fā)火工況的組合仿真計(jì)算結(jié)果，用來(lái)評(píng)估缸蓋墊油水密封處的密封。分析結(jié)果顯示，油水密封處最小線(xiàn)壓力為35.2 N/mm，出現(xiàn)在裝配、熱機(jī)及1缸發(fā)火工況組合，位置為缸蓋墊1缸螺栓孔處，如圖3所示。一般要求油水密封的最小線(xiàn)壓力為10 N/mm，因此原始方案油水密封處的密封滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

研究人員通過(guò)提取裝配、冷機(jī)及各缸輪流發(fā)火工況的組合仿真計(jì)算結(jié)果，來(lái)評(píng)估缸蓋墊缸口處的氣體密封性。結(jié)果顯示，缸口氣體密封處最小線(xiàn)壓力為91.1 N/mm，出現(xiàn)在裝配、冷機(jī)及2缸發(fā)火工況組合，位置為缸蓋墊1缸和2缸之間的鼻梁區(qū)。設(shè)計(jì)要求缸口處氣體密封的最小線(xiàn)壓力應(yīng)大于5倍的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力。該柴油機(jī)最大設(shè)計(jì)爆壓為18 MPa，因此要求缸口處氣體密封的最小線(xiàn)壓力為90 N/mm。因此，缸口氣體密封處的最小線(xiàn)壓力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

缸蓋墊的波動(dòng)量主要是由各缸輪流發(fā)火產(chǎn)生的爆壓導(dǎo)致的，特別是在冷機(jī)工況下。因此，在提取裝配、冷機(jī)及各缸輪流發(fā)火工況的組合仿真計(jì)算中，可單獨(dú)通過(guò)各缸輪流發(fā)火引起的波動(dòng)量來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，缸口氣體密封處的最大波動(dòng)量為26 μm，出現(xiàn)在2缸發(fā)火時(shí)，位置為缸蓋墊1缸和2缸之間靠近排氣側(cè)處。一般缸蓋墊波動(dòng)量設(shè)計(jì)要求小于20 μm，因此該缸蓋墊的波動(dòng)量不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3?改進(jìn)方案仿真分析

3.1?改進(jìn)設(shè)計(jì)

研究人員根據(jù)對(duì)原方案缸蓋墊的仿真分析結(jié)果，對(duì)原缸蓋墊缸口密封處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，以防止缸蓋墊開(kāi)裂和竄氣。具體改進(jìn)措施包括：（1）降低上下板厚度，將上下板厚度由0.3 mm改為0.2 mm，從而降低油水密封筋強(qiáng)度，將更多軸力分配到缸口以增加缸口部位負(fù)荷;（2）中間板增加翻邊結(jié)構(gòu)、增加斷差，從而降低缸口波形強(qiáng)度，并增加缸口負(fù)荷，使缸口部位壓合更緊，減少缸口波動(dòng)量。原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2?改進(jìn)方案缸蓋墊材料特性

改進(jìn)方案缸蓋墊材料特性如圖5所示，包括缸口、油水孔和螺栓孔的壓縮特性和回彈特性曲線(xiàn)。

3.3?改進(jìn)方案仿真計(jì)算結(jié)果分析

研究人員首先提取了裝配、熱機(jī)及各缸輪流發(fā)火工況的組合仿真計(jì)算結(jié)果。結(jié)果顯示，油水密封處最小線(xiàn)壓力為42 N/mm，出現(xiàn)在裝配、熱機(jī)及1缸發(fā)火工況組合，位置為缸蓋墊1缸螺栓孔處，如圖6所示。改進(jìn)方案滿(mǎn)足油水密封的最小線(xiàn)壓力大于10 N/mm的設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)提取裝配、冷機(jī)及各缸輪流發(fā)火工況的組合仿真計(jì)算結(jié)果顯示，缸口氣體密封處最小線(xiàn)壓力為927 N/mm，和原方案一樣也出現(xiàn)在裝配、冷機(jī)及2缸發(fā)火工況的組合，位置為缸蓋墊1缸和2缸之間的鼻梁區(qū)，缸口氣體密封滿(mǎn)足線(xiàn)壓力設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)提取缸蓋墊的波動(dòng)量計(jì)算結(jié)果顯示，缸口氣體密封處最大波動(dòng)量為11.5 μm，出現(xiàn)在2缸發(fā)火時(shí)，位置為缸蓋墊1缸和2缸之間靠近排氣側(cè)處，滿(mǎn)足波動(dòng)量設(shè)計(jì)要求。

4?試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)效果，研究人員對(duì)原方案和改進(jìn)方案進(jìn)行了缸口振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為振幅20 μm、頻率23 Hz、溫度200 ℃、振動(dòng)次數(shù)為1 000萬(wàn)次。試驗(yàn)人員首先將試驗(yàn)件放入疲勞試驗(yàn)機(jī)中壓緊墊片，然后升溫至200 ℃，按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)每進(jìn)行100萬(wàn)次后，將試驗(yàn)件取出觀察有無(wú)裂紋。試驗(yàn)結(jié)果顯示，原方案進(jìn)行到400萬(wàn)次出現(xiàn)裂紋，改進(jìn)方案進(jìn)行了1 000萬(wàn)次未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，改進(jìn)方案滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。原方案和改進(jìn)方案的試驗(yàn)件對(duì)比情況如圖7所示。

經(jīng)過(guò)缸口振動(dòng)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證后，將改進(jìn)方案試驗(yàn)件在柴油機(jī)上進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有再出現(xiàn)缸蓋墊開(kāi)裂現(xiàn)象。

5?結(jié)論

研究人員根據(jù)某柴油機(jī)缸蓋墊的故障現(xiàn)象，利用仿真計(jì)算軟件Abaqus搭建仿真計(jì)算模型，對(duì)原方案缸蓋墊密封性進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果顯示原方案缸蓋墊缸口密封處波動(dòng)量超出設(shè)計(jì)限值。

結(jié)合原方案缸蓋墊密封性的仿真計(jì)算結(jié)果，研究人員對(duì)原缸蓋墊缸口密封處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果顯示改進(jìn)方案滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，研究人員對(duì)2種方案進(jìn)行了缸口振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在振幅20 μm的條件下原方案進(jìn)行400萬(wàn)次開(kāi)裂，改進(jìn)方案進(jìn)行1 000萬(wàn)次未開(kāi)裂，改進(jìn)方案滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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