王曉東，李磊，陸樹(shù)一

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438；2.上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的普及應(yīng)用，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不斷的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件承受的熱負(fù)荷越來(lái)越大，因此對(duì)于零部件使用要求也越來(lái)越苛刻，特別是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封系統(tǒng)提出了更高的要求[1-2]。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封系統(tǒng)的密封介質(zhì)工作環(huán)境溫度最高達(dá)到了820 ℃左右，在如此高的溫度下，使得排氣歧管與缸蓋結(jié)合面的密封設(shè)計(jì)變得十分困難。如果排氣歧管與缸蓋結(jié)合面發(fā)生氣體泄漏，由于泄漏出來(lái)的氣體溫度很高，對(duì)周邊的零件容易造成損壞，進(jìn)而有可能會(huì)導(dǎo)致安全事故，對(duì)消費(fèi)者的用車體驗(yàn)造成不好的影響。

影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封系統(tǒng)的因素有很多，如排氣歧管密封面變形，高溫下排氣歧管螺柱軸力變化，密封墊片的材料結(jié)構(gòu)改變等[3-4]。本文結(jié)合某2.0 L增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封失效案例，綜合各種因素，分析排氣歧管密封系統(tǒng)的失效原因，并提出解決辦法。

1 漏氣問(wèn)題

某2.0 L增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的耐久試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生過(guò)多起排氣歧管與缸蓋結(jié)合面漏氣問(wèn)題，造成增壓壓力不足，影響了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。其中漏氣痕跡的照片如圖1所示。

圖1 缸蓋表面漏氣痕跡

2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的漏氣位置均在第1缸和第4缸處。其中最嚴(yán)重的出現(xiàn)在第1缸。泄漏區(qū)域有明顯的炭煙泄漏痕跡，貫穿整個(gè)墊片密封凸筋的結(jié)合面。

2 原因分析

該發(fā)動(dòng)使用的排氣歧管墊片采用帶有凸筋結(jié)構(gòu)的金屬板。其密封原理是排氣歧管螺栓擰緊后，通過(guò)螺栓壓緊力作用到兩側(cè)的法蘭面上，凸筋受到兩側(cè)法蘭的壓力變形后，法蘭面與凸筋接觸的位置形成密封帶，阻止內(nèi)部介質(zhì)泄漏到外側(cè)。針對(duì)上述密封失效的問(wèn)題，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 凸筋選型分析

該排氣歧管墊片采用帶有凸筋結(jié)構(gòu)的金屬板，該設(shè)計(jì)目前被業(yè)內(nèi)普遍采用。凸筋的結(jié)構(gòu)形式有多種，包括半凸筋、全凸筋、雙半凸筋等，凸筋結(jié)構(gòu)形式的選用主要是根據(jù)不同的使用溫度條件、邊界空間，以及所需要的密封壓力決定。因?yàn)樵摪l(fā)動(dòng)機(jī)屬于帶有雙增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)，其排氣系統(tǒng)的氣體溫度和密封壓力較高，所以選用半凸筋結(jié)構(gòu)。相對(duì)于全凸筋結(jié)構(gòu)，其回彈性較好，同時(shí)為兼顧密封壓力高的要求，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙半凸筋結(jié)構(gòu)，在每個(gè)密封面形成雙線密封形式來(lái)保證密封。凸筋的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 排氣歧管墊片密封凸筋結(jié)構(gòu)

為檢驗(yàn)實(shí)際產(chǎn)品密封設(shè)計(jì)是否滿足要求，使用20 MPa的面壓紙進(jìn)行面壓試驗(yàn)，如圖3所示。結(jié)果顯示，密封帶為雙線密封，密封帶的顯色均勻連續(xù)，整個(gè)密封帶無(wú)顯色異常的位置。通過(guò)顯示儀的讀數(shù)結(jié)果可知，密封帶的接觸壓力均超過(guò)20.0 MPa，滿足最小壓力值10.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。

圖3 排氣歧管墊件密封面壓試驗(yàn)結(jié)果

借助計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)有限元分析工具ABAQUS軟件，在設(shè)計(jì)初期根據(jù)密封系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境，對(duì)從初始裝配到耐久試驗(yàn)工況進(jìn)行分析。為降低的計(jì)算量，同時(shí)也為了保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，分析模型采用局部簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行計(jì)算。其中，在排氣歧管墊片建模過(guò)程中，將墊片的凸筋模型采用簡(jiǎn)化的彈性單元，將排氣歧管墊片試驗(yàn)測(cè)得的壓縮回彈性能曲線輸入到彈性單元的屬性中，其他邊界模型采用常用的四面體網(wǎng)格。簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化模型及墊片的壓縮回彈曲線

CAE計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)從冷態(tài)到熱態(tài)的過(guò)程中，密封的最小壓力為21.1 MPa，滿足最小壓力值10.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。為檢驗(yàn)計(jì)算模型的有效性，對(duì)分析模型在初始裝配的密封接觸壓力進(jìn)行FUJI面壓試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，F(xiàn)UJI面壓試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本吻合，可以判定該分析模型有效。通過(guò)上述分析，說(shuō)明凸筋結(jié)構(gòu)選型滿足使用要求，不是導(dǎo)致氣體泄漏的原因。

圖5 CAE計(jì)算接觸應(yīng)力結(jié)果

2.2 墊片結(jié)構(gòu)分析

分析觀察耐久試驗(yàn)后的排氣歧管墊片，其中第1缸和第4缸與排氣歧管接觸的表面有比較明顯的摩擦劃痕，而與缸蓋接觸的表面未見(jiàn)明顯劃痕。而且部分失效墊片其中貼近排氣歧管側(cè)中間層的第1缸和第4缸的螺栓搭子破損，第2缸和第3缸的連接區(qū)域被拉斷；貼近缸蓋側(cè)的墊片第2缸和第3缸的連接區(qū)域完好。這說(shuō)明墊片受到排氣歧管熱變形的擠壓后，同時(shí)受到較大外力的撕扯，直至最終斷裂，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)后的排氣歧管墊片

排氣歧管墊片采用的是兩層金屬板結(jié)構(gòu)，通過(guò)電焊將兩層墊片焊接在一起。其中上下兩層的凸筋通過(guò)電焊固定貼合，以保證密封作用。如圖7所示，失效的排氣歧管墊片上下表面有兩層錯(cuò)開(kāi)的痕跡，錯(cuò)開(kāi)后就會(huì)導(dǎo)致上下的凸筋壓空，高溫氣體從錯(cuò)開(kāi)的間隙之間泄漏出去，從而造成密封失效。

圖7 墊片凸筋錯(cuò)開(kāi)

2.3 螺栓殘余扭矩分析

螺栓扭矩是影響密封效果的重要參數(shù)之一。該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管螺栓初始裝配扭矩為35 N·m。耐久試驗(yàn)拆機(jī)過(guò)程中排氣歧管螺栓的殘余扭矩見(jiàn)表1，各個(gè)螺栓扭矩對(duì)應(yīng)的編號(hào)如圖8所示。

表1 排氣歧管螺栓拆解時(shí)的殘余扭矩

圖8 排氣歧管螺栓位置編號(hào)

通過(guò)拆機(jī)記錄的數(shù)據(jù)可知，2臺(tái)密封失效的排氣歧管的第4缸處的螺栓殘余扭矩低于設(shè)計(jì)要求。甚至1臺(tái)出現(xiàn)螺栓斷裂的情況，如圖9所示。螺栓扭矩的衰減會(huì)導(dǎo)致排氣歧管墊片的凸筋與結(jié)合面的接觸壓力不足，造成密封不嚴(yán)，進(jìn)而導(dǎo)致高溫氣體的泄漏。

圖9 斷裂的雙頭螺柱

對(duì)殘余扭矩衰減的雙頭螺栓的材料分析，檢測(cè)結(jié)果顯示，雙頭螺栓材料滿足設(shè)計(jì)要求，并未發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)于雙頭螺柱扭矩衰減判斷為發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致在高溫下隨著歧管變形產(chǎn)生的拉力下，雙頭螺柱變形超過(guò)彈性區(qū)域。

3 優(yōu)化方案

通過(guò)上述的原因分析，可以確定該機(jī)型的排氣歧管密封失效是由以下2個(gè)方面造成的：① 排氣歧管墊片受力產(chǎn)生分層，導(dǎo)致氣體泄漏；② 螺栓扭矩的衰減造成密封接觸壓力不足，導(dǎo)致氣體泄漏。針對(duì)上述原因，確定從以下2方面改進(jìn)排氣歧管密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1 降低排氣歧管墊片表面的摩擦系數(shù)

由于排氣歧管與缸蓋材料不同，材料的熱膨脹量也不同，這必然導(dǎo)致在同樣的溫度條件下，兩者的變形量不一致。在螺栓軸力壓緊的情況下，兩層墊片由于摩擦力的作用，結(jié)合面兩側(cè)的變形量的不同而發(fā)生不同的位移量，造成兩層墊片錯(cuò)開(kāi)。為解決兩層墊片錯(cuò)開(kāi)的問(wèn)題，需要減小墊片結(jié)合面兩側(cè)的摩擦力。因此在改進(jìn)方案中，將排氣歧管墊片表面噴涂二硫化鉬材料，以達(dá)到減小摩擦的作用。

3.2 提高雙頭螺柱的彈性變形量

根據(jù)拆解排氣歧管雙頭螺栓殘余扭矩結(jié)果分析，雙頭螺柱的彈性變形量較小，不足以抵抗排氣歧管的熱變形。為提高螺栓的彈性變形量，在改進(jìn)方案中，將螺栓的長(zhǎng)度加長(zhǎng)28 mm，同時(shí)增加1個(gè)長(zhǎng)28 mm的墊塊，用于彌補(bǔ)變形量，如圖10所示。

圖10 雙頭螺柱加長(zhǎng)

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案是否有效，將改進(jìn)方案應(yīng)用于某2.0 L增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)耐久試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)分析。排氣歧管與缸蓋結(jié)合面未出現(xiàn)漏氣痕跡，螺栓殘余扭矩正常，排氣歧管墊片未再發(fā)生兩層錯(cuò)開(kāi)的情況。結(jié)果證明，改進(jìn)方案滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證有效。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從密封原理出發(fā)，對(duì)排氣歧管密封系統(tǒng)進(jìn)行了失效分析。確定失效原因后通過(guò)在排氣歧管墊片表面噴涂二硫化鉬和加長(zhǎng)排氣歧管雙頭螺柱長(zhǎng)度的方法，最終改進(jìn)方案通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，問(wèn)題得到了解決。在解決該問(wèn)題的過(guò)程中，本文借助了CAE有限元模擬的計(jì)算方法和面壓試驗(yàn)方法，極大地提高了問(wèn)題的解決效率。