趙俊平，吳永強，樊曉光，牛恩來，余金科，李少兵，王祖勇

東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 湖北十堰 420001

1 序言

氣缸蓋是汽車發(fā)動機的主要零部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，需承受高溫、高爆壓和冷熱循環(huán)沖擊等，是發(fā)動機極易失效的零部件之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機氣缸蓋主要的失效模式是缸蓋火力面鼻梁區(qū)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致漏水失效的情況占80%以上，產(chǎn)生裂紋的原因除機械強度低外，最主要的原因是熱疲勞失效。

缸蓋熱疲勞包括低周（循環(huán)）熱疲勞和高周（循環(huán)）熱疲勞。低周熱疲勞的特點是溫度和熱應(yīng)力變化幅度大，主要是由于發(fā)動機負荷或轉(zhuǎn)速劇烈變化引起的，如發(fā)動機的起動、運行、停車循環(huán)，低周熱疲勞是發(fā)動機缸蓋火力面鼻梁區(qū)產(chǎn)生裂紋的最主要因素；高周熱疲勞是發(fā)動機在高頻溫度變化及熱應(yīng)力（與發(fā)動機工作頻率同頻）作用下產(chǎn)生的疲勞，高周熱疲勞的溫度及熱應(yīng)力變化幅度小，產(chǎn)生的危害小，一般不作重點考慮[2]。綜上所述，影響缸蓋鼻梁區(qū)熱疲勞斷裂的核心因素是低周熱疲勞，本文也在此理論基礎(chǔ)上開展試驗研究。

低周熱應(yīng)力產(chǎn)生的根源在于“熱脹冷縮受到約束”，因此，產(chǎn)生低周熱應(yīng)力必須有“由溫度引起的熱變形”和“約束”這兩個條件同時存在。發(fā)動機工作時，缸蓋火力面由于高溫燃氣的沖擊，具備高溫，而其背面，因為有冷卻水的冷卻，溫度相對較低，因此，缸蓋火力面的熱膨脹受到背面低溫的限制，產(chǎn)生很強的壓應(yīng)力，發(fā)生塑性變形；在發(fā)動機停機時，缸蓋火力面又因冷縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力。火力面鼻梁區(qū)在拉壓交變應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋和失效[3]。

產(chǎn)生低周熱疲勞要滿足兩個條件：一是溫度循環(huán)變化；二是零件熱變形受到約束。缸蓋熱疲勞試驗必須圍繞這兩個要素開展工作，對缸蓋火力面循環(huán)進行加熱和冷卻，直至零件開裂，多個火力面試驗結(jié)束后，綜合分析評價缸蓋熱疲勞性能[4]。在此基礎(chǔ)上，還可以進行加速熱疲勞試驗，即強化試驗條件，在短時間內(nèi)完成的熱疲勞試驗。感應(yīng)加熱因其較高的能量密度和控制精度，在汽車零部件熱疲勞試驗領(lǐng)域的應(yīng)用趨于廣泛。

2 試驗方法

2.1 試驗規(guī)范

對汽車發(fā)動機的低周循環(huán)進行抽象分析，就是發(fā)動機起動、運行、停車這三種狀態(tài)的不斷循環(huán)，對應(yīng)到缸蓋熱疲勞試驗，就是加熱、保溫、冷卻三種狀態(tài)的循環(huán)。本文的試驗方法即模擬發(fā)動機的這三種狀態(tài)，并且不斷重復(fù)。試驗過程如圖1所示，分以下3個步驟。

圖1 氣缸蓋熱疲勞試驗循環(huán)過程

1）以一定速度將缸蓋火力面加熱到高溫。

2）在高溫區(qū)保溫一段時間。

3）停止加熱，使缸蓋火力面溫度從高溫冷卻至低溫。

重復(fù)以上3個步驟，直至火力面鼻梁區(qū)開裂。

2.2 試驗參數(shù)的確定

要對如圖1所示過程進行高度模擬，就必須做到對加熱過程的準確控制和溫度的精確測量，感應(yīng)加熱在這方面具有優(yōu)勢，其可以準確地控制加熱部位和加熱溫度。缸蓋火力面鼻梁區(qū)熱負荷高，熱疲勞裂紋經(jīng)常在此出現(xiàn)，熱疲勞試驗以火力面鼻梁區(qū)為主要對象，制定試驗規(guī)范，以下參數(shù)需在試驗時重點考慮。

（1）最高溫度 最高溫度＝實測溫度＋高頻修正溫度。某型號發(fā)動機缸蓋火力面溫度場如圖2所示。缸蓋最高溫度出現(xiàn)在火力面氣門間的鼻梁區(qū)，為360℃；高頻溫度修正值為高頻溫度波動幅值，中等缸徑的發(fā)動機應(yīng)為10～20℃，熱疲勞試驗取20℃。因此，缸蓋鼻梁區(qū)最高溫度應(yīng)該控制在380℃。缸蓋火力面溫度場可以采用軟件計算模擬，也可以采用硬度塞法測定。

圖2 某型號發(fā)動機火力面溫度場

（2）最低溫度 當缸蓋各部位溫度一致時，其熱應(yīng)力趨近于零。由試驗可知，當缸蓋溫度冷卻到120℃左右時，整個缸蓋的溫度已基本一致，溫差很小，因此將120℃定為熱疲勞試驗的最低溫度，即加熱起點。

（3）加熱速度 最高溫度和加熱速度直接決定缸蓋的熱疲勞壽命。加熱速度的確定原則：保證缸蓋壽命不低于100個循環(huán)，因為當缸蓋壽命小于100個循環(huán)時，疲勞壽命散差和誤差均較大。經(jīng)試驗研究，選定加熱時間控制在9s左右。

（4）保溫時間 保溫過程主要影響缸蓋材料的蠕變，高溫蠕變是缸蓋熱疲勞破壞的原因之一，通過保溫可以在一定程度上考慮材料蠕變的影響。設(shè)置一定的保溫時間是為了使缸蓋被加熱到高溫后有一個穩(wěn)定的時間，幾十秒后缸蓋溫度場即可保持穩(wěn)定，對中小缸徑的發(fā)動機缸蓋來說，保溫時間可確定為30s。

（5）冷卻時間 發(fā)動機起動時，高溫高爆壓燃氣的加熱速度非?？欤h大于停機時發(fā)動機的自然冷卻速度，因此基本不用考慮冷卻速度帶來的動態(tài)效應(yīng)。冷卻速度的確定，以能保證溫度場的精度和試驗時間而定。冷卻方式采用鼓風(fēng)機從氣道口吹風(fēng)，冷卻火力面鼻梁區(qū)，從最高溫度冷卻到最低溫度，冷卻時間為（110±20）s。

2.3 試驗過程

以六缸機為例，試驗分兩個階段。

（1）模擬溫度場 選取一個缸，在如圖2所示的溫度場中，取20個點作為調(diào)試點，在各點埋設(shè)熱電偶，利用感應(yīng)線圈加熱缸蓋火力面，通過熱電偶采集各點的溫度值，通過優(yōu)化感應(yīng)器有效圈（多圈）的形狀和和調(diào)整各圈到缸蓋火力面的距離，使各測點的溫度值逼近于缸蓋溫度場，要求各個點的最大差值在±25℃以內(nèi)，幾個關(guān)鍵點的溫度差值控制在±10℃以內(nèi)。溫度場的熱電偶分布如圖3所示。

圖3 溫度場測點分布

（2）熱疲勞試驗 選取一個缸（進行溫度場模擬的缸除外）打孔。因為缸蓋鼻梁區(qū)是經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的區(qū)域（禁止打孔，以免試驗過程中小孔處產(chǎn)生裂紋），所以熱疲勞試驗時的溫度控制點和觀測點選擇遠離鼻梁區(qū)溫度相對較低的點，如圖4所示。溫度控制點選擇進氣門與排氣門中間的點，觀測點選擇⑨點和點。由溫度場得知，火力面最高溫度點④的溫度到達360℃時，與之對應(yīng)的控制點的溫度是325℃（觀測點：⑨點292℃，點314℃），因此采用點做為控制點，試驗時最高溫度應(yīng)為325℃。

圖4 熱疲勞試驗溫度控制點和觀測點

3 基于感應(yīng)加熱方式的缸蓋熱疲勞試驗臺架

感應(yīng)加熱缸蓋疲勞試驗臺架為自行研制，采用計算機控制，試驗過程實現(xiàn)了自動化，主要由以下4部分組成。

（1）感應(yīng)加熱電源 動力部分，輸出電能，加熱零件。

（2）工作臺 缸蓋的工作場所。

（3）冷卻氣路 采用鼓風(fēng)機對零件進行大強度冷卻。

（4）溫度采集和控制系統(tǒng) 接收缸蓋上熱電偶的信號，自動控制試驗進行，記錄和顯示試驗過程，并具有保護功能。

圖5所示為熱疲勞試驗臺架的軟件控制界面?！皽囟葓鰷y試系統(tǒng)”用來檢測溫度場，共有20個溫度指示，對應(yīng)缸蓋火力面上的20個溫度檢測點，在檢測溫度的同時記錄時間，該參數(shù)在熱疲勞試驗時可作為參考數(shù)據(jù)，界面上的按鈕可對臺架進行操作?！盁崞谠囼炏到y(tǒng)”用來進行熱疲勞試驗，設(shè)定好“最高溫度”“最低溫度”“保溫時間”和“循環(huán)次數(shù)”，按下“自動啟動”按鈕，臺架便開始工作，試驗完全自動進行，不需要人工干預(yù)。

圖5 缸蓋熱疲勞試驗臺架軟件控制界面

具體工作過程為：試驗開始后，感應(yīng)電源接通，對缸蓋進行加熱，溫度達到最高溫度后開始保溫計時，保溫期間感應(yīng)電源采取斷續(xù)工作模式，保溫到時后，鼓風(fēng)機起動，對缸蓋進行風(fēng)冷，使其溫度降至最低溫度，至此，完成一個“加熱-保溫-冷卻”的熱疲勞循環(huán)，計數(shù)器加1，再繼續(xù)下一循環(huán)。

4 試驗實例

按照某產(chǎn)品開發(fā)需求，進行了兩種材質(zhì)（分別記為材質(zhì)A、材質(zhì)B）氣缸蓋的加速熱疲勞對比試驗，材質(zhì)A為改進型鑄鐵材料，材質(zhì)B為現(xiàn)生產(chǎn)批量鑄鐵材料，兩種材質(zhì)氣缸蓋的力學(xué)性能見表1。

4.1 模擬缸蓋溫度場

按圖2所示的規(guī)范模擬溫度場，經(jīng)多輪調(diào)試后，實測值與理論值對比見表2。從表2可看出，實測溫度場與理論溫度場平均溫度偏差在5%以內(nèi)，最高溫度點（排氣門鼻梁區(qū)）的偏差＜1%，滿足熱疲勞試驗的精度要求。

表2 某缸蓋實測溫度與理論溫度場對比 （℃）

4.2 設(shè)定試驗參數(shù)

表3 熱疲勞試驗的控制參數(shù)

4.3 熱疲勞試驗

溫度場模擬調(diào)試完成及試驗參數(shù)設(shè)定好后，將感應(yīng)器平移至要進行熱疲勞試驗的缸蓋火力面，對其進行熱疲勞試驗，重復(fù)進行：“加熱-保溫-冷卻”循環(huán)，直至產(chǎn)生裂紋，裂紋長度超過缸蓋鼻梁區(qū)寬度的1/2以上為失效。

4.4 試驗結(jié)果與分析

按照相同的試驗參數(shù)要求，每個缸蓋進行3個缸的試驗，熱疲勞試驗結(jié)果見表4，鼻梁區(qū)局部裂紋形貌如圖6所示。

表4 氣缸蓋熱疲勞試驗結(jié)果

圖6 氣缸蓋鼻梁區(qū)熱疲勞裂紋

從表4、圖6可看出：①疲勞裂紋的產(chǎn)生均發(fā)生在氣門鼻梁區(qū)，說明溫度場的模擬接近真實溫度場。②材質(zhì)A的熱疲勞壽命明顯高于材質(zhì)B，在最高溫度380℃、最低溫度120℃循環(huán)下，材質(zhì)A的熱疲勞壽命比材質(zhì)B高約40%。

5 結(jié)束語

以檢測發(fā)動機缸蓋熱疲勞性能為契機，自行研制開發(fā)了缸蓋熱疲勞試驗臺架，制定了缸蓋熱疲勞試驗規(guī)范和試驗參數(shù)，臺架可以模擬氣缸蓋工作過程的溫度場狀態(tài)，并在此狀態(tài)下進行“加熱-保溫-冷卻”的冷熱沖擊循環(huán)試驗。本文通過對兩種材質(zhì)的氣缸蓋進行熱疲勞對比試驗，得出以下結(jié)論。

1）熱疲勞試驗中裂紋產(chǎn)生的部位和失效形式，與發(fā)動機熱沖擊試驗及市場故障返回件一致，說明熱疲勞試驗臺架和試驗規(guī)范的設(shè)計合理，能夠正確模擬缸蓋溫度場，檢測缸蓋熱疲勞性能，對于產(chǎn)品開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

2）缸蓋熱疲勞試驗是評價缸蓋熱疲勞性能的手段之一，它能在較短時間內(nèi)完成對缸蓋材料和結(jié)構(gòu)等方面的性能評價。

3）高溫、高爆壓的工作狀態(tài)，對發(fā)動機氣缸蓋的性能要求越來越高，通過加速熱疲勞試驗，有助于快速篩選合適的鑄鐵材料。