汽油機正時罩蓋密封性能研究

劉志恩+秦樹炎+王鋒+杜松澤+馮展

摘 要：在對某汽油機進行耐久性試驗時，正時罩蓋腰部與缸體結合面處出現滲油現象。建立了汽油機裝配體三維有限元模型，采用數值仿真分析結合面壓試驗的方法，對發動機預緊力工況及熱機工況下，密封面處的接觸間隙、接觸壓力以及滲油點附近正時罩蓋、缸體的變形量進行分析。預緊力工況仿真結果與面壓試驗結果對比，驗證了仿真模型可靠，熱機工況仿真分析結果表明，滲油現象是由于滲油點附近正時罩蓋法蘭局部剛度不足，以及螺栓基座位置布置不合理造成。對滲油點附近正時罩蓋結構局部剛度進行加強，同時調整部分螺栓布置位置后，滲油問題得到解決。

關鍵詞：密封性；有限元；面壓試驗

中圖分類號：TB42 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0012-06

Research on Sealing Performance of Gasoline Engine Timing Cover

LIU Zhi-en， QIN Shu-yan， WANG feng， DU Song-ze， FENG zhan

（ Wuhan University of Technology， Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for

Automotive Parts， Wuhan430070， China ）

Abstract： During the durability test of a gasoline engine，oil leakage occurred between the contact surface of timing cover and cylinder. A three-dimensional finite element model of gasoline engine assembly was established， based on the numerical simulation analysis and the method of surface pressure test， the contact clearance， contact pressure and the deformation of the timing cover and cylinder near the oil leakage point are analyzed under the condition of engine preload and heat sealing condition. Compared the simulation results in the cases of preload condition and surface pressure test， the simulation model is proved to be reliable， the simulation results of heat sealing condition， show that the phenomenon of oil leakage is due to the insufficient local stiffness of the cover flange near the oil leakage point and the unreasonable arrangement of the bolt base position. Strengthen the local stiffness of the timing cover structure near the oil leakage point， while adjusting part of the bolt layout position at the same time， the oil leakage problem is solved.

Key Words： Sealing； finite element method； surface pressure test

引 言

發動機密封性是評價發動機性能的重要指標之一，發動機密封性優劣對其動力性，經濟性，疲勞耐久性等有重要影響，發動機密封不良會導致燃油泄漏從而污染環境甚至引發安全事故。國內外諸多學者針對汽油機密封面滲油問題進行了研究，彭旭東等[1]對密封機理進行了闡述，指出了采用現代數值模擬仿真技術結合試驗結果指導結構設計，實現密封的高穩定性、高可靠性、強追隨能力是我國進行密封性研究的重要方向之一；葉偉等[2]通過修改結構易儲油結構、優化密封膠儲膠槽以及減少缸體與缸蓋裝配后密封面的高度差的方法，解決了發動機缸蓋-缸體-正時罩蓋三件結合面處的滲油現象；陳東亞等[3]指出可以通過CAE技術計算密封面張開量與滑移量來判定密封面是否存在滲油風險；蘭銀在等[4]建立了發動機裝配體有限元三維模型，采用非線性接觸分析方法，對氣缸墊密封面的接觸應力進行有限元分析，結果表明采用非線性接觸邊界條件進行有限元分析，能更好的體現氣缸蓋、氣缸墊與機體接觸面的真實應力，并指出有限元非線性接觸分析法是研究氣缸密封的一種有效途徑。李利平等[5]運用有限元理論與ABAQUS分析計算軟件，并結合靜態面壓試驗驗證了有限元分析方法的合理性，分析結果表明密封圈與缸體的摩擦因數對密封性能的影響較小。Ghasemi A等[6]使用有限元的方法對兩種典型墊片的密封性能進行了研究，并指出有限元方法能夠準確可靠的預測的墊片密封壓力，正在成為汽車發動機設計中密封性分析的一個標準工具。

某汽油機在疲勞耐久試驗進行到50小時時，正時罩蓋腰部與缸體結合的密封面處出現滲油，滲油點如圖1所示。在加大部分螺栓擰緊力矩，用汽油清洗密封面并按密封面中心線重新打膠后，滲油問題得到一定改善但仍未解決。

本文將工程領域里廣泛應用的有限元分析方法與傳統發動機密封性研究技術相結合，建立了發動機裝配體有限元模型，對發動機預緊工況和熱機工況下的密封性進行分析，預緊力工況下密封面處的接觸壓力與靜態面壓試驗結果對比。熱機工況再現了滲油現象找出了滲油原因，通過增大滲油點處正時罩蓋法蘭局部剛度以及調整螺栓位置，解決了發動機密封性問題，具備一定的研究意義和工程應用價值。

1 有限元建模及試驗驗證

1.1 有限元模型的建立

有限元網格劃分是計算的前提條件，高質量且數量合理的網格有利于提高計算效率同時減少計算時間。將發動機各部件三維數模分別導入HYPERMESH中進行模型離散，再將各個部件裝配起來，為保證計算精度同時兼顧計算機性能要求，平均網格尺寸取5mm，網格類型為二階四面體單元C3D10M，發動機各部件材料屬性見表1：

由于發動機裝配體幾何模型復雜，在進行網格劃分前應對模型進行大量幾何清理，對于關注的密封區域，在前期幾何處理時進行公共區域網格切分，為保證重點關注區域接觸壓力（Cpress）、接觸間隙（Copen）的精度，接觸對網格節點應一一對應。接觸區域采用摩擦接觸邊界條件，各部件密封面之間接觸方式采用Surface to Surface，摩擦系數為0.15，螺栓與部件之間采用Tie連接，螺栓預緊力采用Pre-tension Section進行模擬。發動機有限元模型共有約582萬個節點，341萬個二階四面體網格，建立接觸面及接觸對627個。網格質量檢查見表2，有限元模型見圖2：

同時根據螺栓擰緊力矩-軸向預緊力計算公式[7]，見式（1），得到各螺栓軸向預緊力大小。

式中，M為擰緊力矩；P為軸向預緊力；R為螺栓頭承力面外徑；r為螺栓承力面內徑；f 為螺母與被連接件支承面的摩擦系數；t 為螺距；d2為螺紋中徑；β為螺紋升角。

1.2 面壓試驗及試驗仿真對比

采用Prescale膠片進行正時罩蓋密封面處靜態面壓試驗。Prescale膠片可測量兩觸面間壓力、壓力分布和壓力平衡，不同的色彩濃度表示的所施壓力大小[8]，通過感壓紙數值分析系統能夠得到確切的壓力數值，無需特殊設備或者裝置，成本低測量速度快，壓力測試精度可達到 2%。面壓試驗時首先根據需要選取合適量程的感壓膠片，本文中選用量程范圍為2.5-10MPa的低壓感壓膠片，將感壓紙剪成所需形狀，按照圖3所示將感壓紙平鋪在正時罩蓋密封面上，用規定力矩依次擰緊螺栓，靜置5min后，按順序松開螺栓，取出感壓膠片，由于感壓試紙對環境的濕度和溫度非常敏感，故試驗過程應將溫度控制在25℃，濕度為45%。如圖4中（a）圖所示為正時罩蓋密封面處靜態面壓試驗結果，紅色越深表示該處的接觸壓力越大，（b）圖所示為預緊工況下正時罩蓋密封面處接觸壓力仿真結果，紅色表示接觸壓力大，藍色表示接觸壓力小。對比圖4兩圖中1-9號點處接觸壓力可知，面壓試驗結果與預緊工況下仿真結果高度一致，這表明作者建立的整機有限元模型準確可靠，能夠滿足工程分析需要以及用于下一步熱機工況的仿真計算。

2 密封性熱機工況分析

2.1 發動機傳熱分析

發動機工作狀況復雜，要較為準確的模擬發動機溫度場，首先應進行發動機內流場計算，需得到各缸燃燒室內的流體溫度場、冷卻系統的熱交換系數等，很難較為準確的將發動機整機的溫度場模擬出來，且由于只需對發動機正時罩蓋密封面處的密封性能進行分析，只需準確得到正時罩蓋以及密封面附近的發動機溫度場即可，遠離正時蓋密封面處部件的溫度場對密封性分析影響不大。故實測正時罩蓋上關鍵點的溫度數值，在仿真計算中分區域設定正時罩蓋溫度，計算發動機熱傳導，從而模擬出正時蓋及密封面附近的發動機溫度場。

試驗采用熱電偶測量正時罩蓋上10個測點的溫度，測試工況為發動機外特性工況，最終發動機轉速穩定在5000轉，并持續穩定運行30分鐘，測點位置及編號如圖5所示，各測點溫度見表3：

2.2 熱機工況密封性分析

熱機工況下密封性能計算，考慮發動機溫度場和螺栓預緊力的工況下進行熱機密封性能的計算。如圖7所示為熱機工況下正時罩蓋密封面處接觸壓力和接觸間隙仿真結果，圖中線框所示即為滲油位置，表4所列為滲油點位置部分節點的接觸壓力和接觸間隙數值，仿真結果顯示滲油點位置的接觸壓力為零，熱機仿真結果與試驗中出現的滲油現象能夠相互印證。

3 滲油分析和優化方案

3.1 滲油原因分析

正時罩蓋里主要安裝有正時鏈條和鏈條張緊機構，發動機在運行過程中正時鏈條會高速運轉，鏈條張緊器為潤滑正時鏈條會噴出大量機油，故正時罩蓋結構或局部受力不合理便會導致密封面處有較大的滲油風險。正時罩蓋密封面處滲油的原因較多，常見的有螺栓擰緊力矩不夠或是在發動機運轉過程中出現力矩衰減，導致密封面接觸不緊密；正時蓋設計存在易儲油的水平結構，使得發動機在運行過程中機油堆積在此處，在壓力作用下機油被擠壓出來；螺栓布置位置不合理，兩螺栓間距過大，或是兩螺栓連接中心線偏離密封帶，不利于密封膠壓緊密封。

滲油點處正時罩蓋結構及附近螺栓布置如圖8（a）所示，在加大圖中兩螺栓預緊力矩并確保發動機在運轉過程中兩螺栓均未出現松動情況下，滲油現象仍然發生，說明此處螺栓的擰緊力矩大小或運行過程中的力矩衰減并不是導致滲油的原因；滲油點處罩蓋局部結構圓滑過渡，機油不會在此處大量堆積，故此處罩蓋結構設計合理。圖8（b）所示為熱機工況在螺栓擰緊力矩和溫度載荷共同作用下，正時罩蓋的變形情況，從變形情況可知由于兩螺栓連接中心線偏離密封帶過遠，且兩螺栓之間罩蓋法蘭面材料較少局部剛度不足，在較大的螺栓預緊力和溫度載荷的共同作用下，此處正時罩蓋出現了較大的局部翹起，這直接導致了此處的罩蓋與缸蓋之間接觸不緊密，從而出現了接觸壓力為0的情況，進而導致滲油。

3.2 優化方案

根據以上滲油原因分析，優化方案有兩個思路：

（1） 改變螺栓布置位置，避免出現兩螺栓連接中心線偏離密封面太遠的情況；

（2） 提高滲油點處正時罩蓋法蘭局部剛度。

由以上思路并結合發動機實際情況，提出如下優化方案：將滲油點處兩螺栓之間的正時罩蓋法蘭面加寬，最寬處加寬7mm，且在加寬后的法蘭面中間增加一個M6螺栓，優化方案示意圖如圖9所示：

對優化方案進行熱機工況下的密封性能仿真分析，優化方案的接觸壓力與接觸間隙云圖同原狀態對比如圖10所示。表4所列為幾處關鍵位置接觸壓力和接觸間隙在優化前后的具體數值。

從仿真結果上看，經過優化后，原滲油點處大部分節點接觸壓力已從0上升到0.5-8MPa，接觸間隙至少減小了3個數量級。

將此優化改進方案應用在樣機上，進行發動機耐久性驗證試驗時，發動機正時罩蓋、缸蓋、缸體結合面的滲油狀況不再發生，滲油問題得以解決。

4 結論

（1）采用摩擦接觸邊界條件對正時罩蓋密封面進行有限元非線性接觸分析，預緊力工況有限元仿真結果與面壓試驗感壓膠片所測得的接觸壓力對比，獲得了較好地一致性，說明用有限元的方法對密封性進行研究準確可靠。

（2）螺栓跨度及螺栓之間的法蘭剛度是影響正時罩蓋密封性的關鍵因素，正時罩蓋上螺栓布置時應避免兩螺栓連接中心線偏離密封帶，正時罩蓋結構及螺栓布置的數量、位置、擰緊力矩大小在發動機設計之初應重點考察。

（3）密封面上的密封膠需承受一定的壓力才能達到密封效果，壓力目標值由所采用的密封膠性能確定，根據本例情況接觸壓力在2-3Mpa，接觸間隙小于10-10mm時能夠達到較好的密封效果。

參考文獻：

[1]彭旭東， 王玉明， 黃興， 李鯤. 密封技術的現狀與發展趨勢[J]. 液壓氣動與密封， 2009， （04）：4-11.

[2]葉偉， 滕云， 佟宇， 劉巖， 謝汶樺， 袁爽， 沈源， 王瑞平. 發動機三結合面滲油實例分析[J]. 汽車工程師， 2014， （10）：43-46.

[3]陳東亞， 胡攀， 李連豹， 韋虹， 李雙清， 王瑞平. 發動機三結合面滲油問題分析與解決方案[J].內燃機， 2016， 03：56-58.

[4]蘭銀在， 王根全， 周海濤. 氣缸密封性能的非線性接觸分析[J]. 潤滑與密封， 2012， 37（7）：60-63.

[5]李利平.氣缸蓋螺栓密封圈密封性有限元分析與試驗研究[J].潤滑與密封，2014，09：87-90.

[6]Ghasemi A.Computer Aided Simulations in Automotive Engine Gasket Sealing[J] SAE Technical Paper 2012-01-0759.

[7]林水福， 佘公藩.螺栓擰緊力矩—軸向力關系研究[J].航空標準化與質量，1991，（06）：16-19.

[8]Ko， H.， Hasegawa， T.， Kitaoka， S. A Method of Measuring Contact Pressure of Cylinder Head Gaske