高躍，胡斌

(泛亞汽車(chē)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(wèn)題。這些問(wèn)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?chē)植疾簧儆谒膫€(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(guò)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(guò)合理的螺栓裝配工藝來(lái)保證裝配質(zhì)量，從而保證密封的可靠性。

通過(guò)模擬分析來(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(mén)結(jié)膠、缸體和缸蓋開(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)大，則結(jié)合面之間的“間隙”可能超過(guò)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(wèn)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(guò)“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(wèn)題

螺栓通過(guò)擰緊過(guò)程來(lái)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(xiàn)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(guò)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(guò)小導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(wèn)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(mén)、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(kāi)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(mǎn)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(guò)程受力曲線(xiàn)圖

2.4 利用模擬分析來(lái)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(guò)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(kāi)裂、凸筋耐久后殘留高度過(guò)低、凸筋沒(méi)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(lèi)型凸筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(L-D Curve)，這些曲線(xiàn)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(lèi)型凸筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)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(lèi)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(guò)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(kāi)裂所導(dǎo)致的失效等問(wèn)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(guò)模具制造出來(lái)后，必須通過(guò)一套完整的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，氣缸墊開(kāi)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(chē)試驗(yàn)。

3.1 富士面壓試驗(yàn)

通常使用富士面壓紙來(lái)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(lèi)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(guò)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(jiàn)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(lái)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(guò)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(guò)高速攝像機(jī)觀(guān)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(lái)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(guò)程中是否會(huì)發(fā)生凸筋開(kāi)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(wàn)次后查看凸筋是否發(fā)生開(kāi)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(chē)試驗(yàn)

完成上述氣缸墊試驗(yàn)之后，還需要通過(guò)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(chē)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(guò)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(guò)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(lái)查看氣缸墊密封性能。整車(chē)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(kāi)發(fā)過(guò)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?？衫妹芊饪窗?，100%檢測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)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(chē)全壽命過(guò)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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)以及整車(chē)耐久試驗(yàn)。