吳江

(廣汽三菱汽車(chē)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

當(dāng)前人們對(duì)汽車(chē)舒適性和穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的核心模塊，其相關(guān)品質(zhì)是導(dǎo)致客戶(hù)抱怨的重要因素。排氣歧管密封墊片作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)成部件，其性能好壞是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要因素之一，在開(kāi)發(fā)前期需重點(diǎn)關(guān)注。針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管墊片振動(dòng)異響問(wèn)題，對(duì)排氣歧管墊片原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改善，通過(guò)增加加強(qiáng)筋及凸點(diǎn)提升墊片剛度。但改進(jìn)后試樣在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)后出現(xiàn)裂紋，車(chē)輛使用中無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋與排氣歧管在高溫惡劣環(huán)境下的密封條件，會(huì)導(dǎo)致密封失效而發(fā)生漏氣密封性能不良等重大安全隱患，需繼續(xù)進(jìn)行改善。該文通過(guò)分析墊片產(chǎn)生裂紋的原因提出相應(yīng)解決方案，通過(guò)有限元方法分析歧管墊片的應(yīng)力幅值與耐久壽命獲得最佳改善方案，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的有效性。

1 問(wèn)題描述

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管墊片是裝配在排氣歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣口之間，用來(lái)防止燃燒后的高溫氣體從連接處泄露的一種彈性密封墊片，具有隔離排氣系統(tǒng)熱輻射的隔熱功能和防止排氣系統(tǒng)高溫尾氣泄露的密封功能，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和功能實(shí)現(xiàn)具有重要作用，同時(shí)對(duì)車(chē)輛使用舒適性有較大影響。某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管墊片的整體結(jié)構(gòu)及功能分區(qū)見(jiàn)圖1。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管墊片的整體結(jié)構(gòu)及功能分區(qū)

在該發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)前的臺(tái)架共振耐久試驗(yàn)后，其排氣歧管墊片密封區(qū)出現(xiàn)圖2所示長(zhǎng)約20 mm、寬約0.05 mm的裂紋，不滿(mǎn)足共振點(diǎn)耐久試驗(yàn)后產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，可能導(dǎo)致實(shí)際使用中墊片產(chǎn)生異響、高溫氣體泄漏甚至斷裂，造成客戶(hù)抱怨甚至在行駛過(guò)程中發(fā)生事故，需在量產(chǎn)前加以解決。

圖2 排氣歧管墊片耐久試驗(yàn)后出現(xiàn)的裂紋

從裂紋形態(tài)及試驗(yàn)受力條件判斷其為疲勞裂紋。為改善振動(dòng)條件下疲勞耐久性能，考慮通過(guò)變更墊片上凸點(diǎn)形狀及加強(qiáng)筋位置和數(shù)量來(lái)調(diào)整墊片剛度，改善振動(dòng)條件下應(yīng)力分布(見(jiàn)圖3)。分別制訂KAI-1、KAI-2、KAI-3 3種改善方案，其中：KAI-1方案將凸點(diǎn)改成凸包；KAI-2方案將凸點(diǎn)改成凸包，增大加強(qiáng)筋R值；KAI-3方案將凸點(diǎn)改成凸包，增大加強(qiáng)筋R值，并將加強(qiáng)筋1和3延長(zhǎng)、加強(qiáng)筋2縮短。在實(shí)施臺(tái)架耐久試驗(yàn)前利用ABAQUS和FEMFAT軟件對(duì)各改善方案進(jìn)行振動(dòng)條件下應(yīng)力幅值測(cè)算，并評(píng)估其對(duì)耐久壽命的影響，從而選取最有效的方案進(jìn)行最終試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 排氣歧管墊片改善試樣示意圖

2 研究方法

為評(píng)估各改善方案試樣在振動(dòng)條件下的應(yīng)力分布，先對(duì)安裝狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖4)。排氣歧管墊片上凸點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有3種：1) 初始預(yù)壓狀態(tài)。為墊片初始安裝狀態(tài)，凸點(diǎn)高度大于凸點(diǎn)位置墊片與缸蓋間隙(0.2 mm)，墊片受到預(yù)壓作用。2) 向上壓緊狀態(tài)。受激勵(lì)影響，墊片向上運(yùn)動(dòng)，凸點(diǎn)位置始終處于壓緊狀態(tài)。3) 向下剝離狀態(tài)。受激勵(lì)影響，墊片向下運(yùn)動(dòng)，凸點(diǎn)與缸蓋之間接觸力越來(lái)越小，臨界狀態(tài)接觸力為零。結(jié)合上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)熱影響，計(jì)算向上壓緊狀態(tài)和向下剝離狀態(tài)下墊片應(yīng)力變化值。

圖4 排氣歧管墊片與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

3 排氣歧管墊片有限元分析

3.1 應(yīng)力分布及幅值分析

分析原有方案和各改善方案下墊片上凸點(diǎn)與缸蓋壓緊/剝離狀態(tài)下應(yīng)力分布，同時(shí)計(jì)算其變化幅值，應(yīng)力幅值=|壓緊狀態(tài)下應(yīng)力值-剝離狀態(tài)下應(yīng)力值|。以改善方案KAI-3為例，2種狀態(tài)下應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。采用方案KAI-3時(shí)應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，幅值越大，意味著工作狀態(tài)下墊片受力情況越嚴(yán)苛，對(duì)疲勞壽命更不利。

圖5 采用方案KAI-3時(shí)排氣歧管墊片上凸點(diǎn)壓緊及剝離狀態(tài)下應(yīng)力分布(單位：MPa)

表1 采用方案KAI-3時(shí)排氣歧管墊片應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果

3.2 疲勞壽命分析

根據(jù)各方案的應(yīng)力幅值，按式(1)計(jì)算各改善方案的壽命提升值，結(jié)果見(jiàn)表2。壽命提升值小于1，代表該位置的疲勞壽命相比原方案有所降低；大于1，代表該位置的疲勞壽命相比原方案有所提升。結(jié)果顯示：在原有開(kāi)裂位置，各方案的疲勞壽命均有提升；采用方案KAI-3時(shí)，原開(kāi)裂位置的壽命有大幅提升，僅位置5的壽命有所下降。該點(diǎn)的應(yīng)力值與原方案基本處于同一水平，且該點(diǎn)在原試樣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)中未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，預(yù)計(jì)按KAI-3方案制作樣件，該位置在臺(tái)架耐久試驗(yàn)后無(wú)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，推薦以KAI-3方案進(jìn)行試樣制作和后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)

表2 排氣歧管墊片改善方案的壽命提升預(yù)測(cè)

4 排氣歧管墊片改善方案臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述疲勞壽命計(jì)算結(jié)果，以改善方案KAI-3進(jìn)行樣件制作，并搭載發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行共振點(diǎn)耐久驗(yàn)證。測(cè)試臺(tái)架及改善后試樣見(jiàn)圖6。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久測(cè)試臺(tái)架及改善方案KAI-3試樣

因?yàn)楦纳坪笈艢馄绻軌|片試樣結(jié)構(gòu)及剛度發(fā)生了變更，共振點(diǎn)耐久循環(huán)前需重新通過(guò)掃頻試驗(yàn)尋找墊片最大振幅狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)設(shè)置麥克風(fēng)聲音監(jiān)控裝置及在重點(diǎn)位置加裝加速度傳感器來(lái)識(shí)別振動(dòng)最大的工況點(diǎn)。掃頻試驗(yàn)實(shí)測(cè)墊片實(shí)時(shí)振幅與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖7 墊片實(shí)時(shí)振幅與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)麥克風(fēng)監(jiān)測(cè)及振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行至3 900 r/min(NL狀態(tài)：對(duì)應(yīng)ENG扭矩10 N·m)附近時(shí)振幅和振動(dòng)頻率最大，并伴隨有聲音的波峰(可接受水平)。在設(shè)定的共振轉(zhuǎn)速下，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的共振耐久循環(huán)模式對(duì)方案KAI-3試樣進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)后通過(guò)磁粉探傷和目視檢查，未發(fā)現(xiàn)變形和開(kāi)裂現(xiàn)象(見(jiàn)圖8)。將該墊片試樣安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上，運(yùn)行1年半時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)品質(zhì)問(wèn)題，證明改進(jìn)后構(gòu)件有效。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)共振耐久試驗(yàn)后排氣歧管墊片狀況

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果和疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，各改善方案在原裂紋位置的疲勞耐久壽命均有提升，其中方案KAI-2和KAI-3的耐久壽命提升均在2倍以上。

(2) 改善方案KAI-3在位置5的疲勞壽命比原試樣有所下降，但該位置為非應(yīng)力集中位置，預(yù)計(jì)按KAI-3方案制作樣件，該位置在臺(tái)架耐久試驗(yàn)后無(wú)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 按改善方案KAI-3制作的排氣歧管墊片試樣在發(fā)動(dòng)機(jī)共振臺(tái)架耐久試驗(yàn)后無(wú)裂紋發(fā)生，順利進(jìn)入量產(chǎn)，量產(chǎn)試樣無(wú)品質(zhì)問(wèn)題發(fā)生，該改善方案有效。