發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸體密封墊密封性能研究

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸體密封墊密封性能研究

0空氣密封墊現(xiàn)代商用車(chē)?yán)^續(xù)追求更高的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)附件的可靠性要求更高。密封系統(tǒng)是現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的重要子系統(tǒng),密封系統(tǒng)的可靠性直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況,氣缸密封墊是密封系統(tǒng)中最重要的零部件。氣缸密封墊不同于其他一般的密封墊,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接觸介質(zhì)多樣、環(huán)境溫度變化頻繁等,屬于動(dòng)態(tài)工況下的靜密封。目前國(guó)內(nèi)對(duì)氣缸密封墊的研究,尤其是對(duì)氣缸密封墊上壓紋結(jié)構(gòu)的研究較少。本文利用有限元分析軟件對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸密封墊進(jìn)行了建模和計(jì)算,分析了氣缸密封墊上的壓力分布、關(guān)鍵部位的變形以及壓紋結(jié)構(gòu)對(duì)密封性能的影響。1經(jīng)濟(jì)厚度設(shè)計(jì)氣缸密封墊安裝在機(jī)體與缸蓋之間,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣。氣缸密封墊除了密封燃燒室、冷卻液及潤(rùn)滑油通道,防止漏氣、漏水和漏油之外,還用于傳遞機(jī)體與缸蓋之間的作用力,密封墊上冷卻液與潤(rùn)滑油孔道的布置對(duì)整機(jī)的冷卻與潤(rùn)滑性能有很大影響,所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮氣缸密封墊與整機(jī)的匹配。車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)密封墊主要由功能層、擋板層和附加層構(gòu)成,如圖1所示。擋板層上的擋板起到第一級(jí)密封功能,功能層上的壓紋結(jié)構(gòu)起到第二級(jí)密封功能。壓紋結(jié)構(gòu)又可分為全壓紋和半壓紋,全壓紋主要布置在缸口周?chē)?半壓紋則布置在其他通道口周?chē)?模型的構(gòu)建2.1壓紋變形力驗(yàn)算以企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的二維平面圖為基礎(chǔ),采用CATIA軟件建立實(shí)體模型。模型參數(shù)如表1所示,壓紋結(jié)構(gòu)與實(shí)體模型如圖2所示。該氣缸密封墊用于一款集成化程度較高的汽油機(jī),由1片擋板層和2片功能層構(gòu)成,其中擋板層采用焊接式擋板結(jié)構(gòu),功能層上沖壓一定高度的全壓紋和半壓紋來(lái)保證缸口和其他通道口的密封。每層墊片的厚度為0.25mm,氟橡膠涂層僅為0.08mm,建模過(guò)程中忽略氟橡膠涂層。氣缸密封墊上壓紋結(jié)構(gòu)受壓變形后產(chǎn)生的等效應(yīng)力:p=Fl(1)p=Fl(1)F=K?ΔSΔx(2)F=Κ?ΔSΔx(2)K=E3(1?2γ)(3)Κ=E3(1-2γ)(3)式中,E為材料的彈性模量;K為材料的體積模量;γ為材料的泊松比;ΔS為壓紋變形后面積增量;Δx為壓紋變形后長(zhǎng)度增量;F為壓紋等效變形力;l為壓紋在垂直方向上的等效長(zhǎng)度;p為壓紋垂直方向上的等效應(yīng)力。2.2剛性連接單元的建立將裝配好的實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元前處理軟件中,進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化,為了建模和有限元分析方便,墊片被簡(jiǎn)化成等厚度模型,并忽略墊片上的4個(gè)鉚釘孔,用Rbe2剛性連接單元代替鉚釘,等效固定連接,這種處理方式不會(huì)對(duì)結(jié)果造成誤差。對(duì)模型進(jìn)行幾何清理之后,抽取中面,對(duì)中面劃分三角形網(wǎng)格,然后進(jìn)行拉伸處理,生成體單元模型。擋板層上的擋板結(jié)構(gòu)設(shè)置為焊接單元Welds,對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)剛性連接,如圖3所示。對(duì)單元類(lèi)型進(jìn)行定義,選擇SOLID92單元,在前處理軟件中建立擋板層和功能層的材料模型mid-steel和steel,在設(shè)定邊界條件時(shí)確定其具體數(shù)值。2.3建立的相關(guān)邊界條件在預(yù)緊工況下,針對(duì)3層組合墊片結(jié)構(gòu)與接觸壓力進(jìn)行分析,需要建立以下邊界條件:材料邊界條件、載荷邊界條件、位移(約束)邊界條件以及接觸邊界條件。其中,墊片之間接觸是定義邊界條件的難點(diǎn)。2.3.1材料邊界條件根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的用材,氣缸密封墊擋板層為0Cr18Ni9鋼,上下功能層為帶有氟橡膠涂層的1Cr17Ni8鋼,鋼板材料性能如表2所示。2.3.2螺栓預(yù)緊力的計(jì)算在預(yù)緊工況下,氣缸密封墊主要承受螺栓預(yù)緊力以及缸蓋重力。缸蓋材料為鋁合金,重量約為20kg,同螺栓預(yù)緊力F相比可以忽略不計(jì)。螺栓預(yù)緊力通過(guò)缸蓋下表面作用在氣缸密封墊上,把預(yù)緊力等效成作用在壓紋平面上的面載荷。F=Mkd(4)F=Μkd(4)式中,M為緊固螺栓扭矩;d為螺栓直徑;k為螺栓預(yù)緊力系數(shù),取0.2。根據(jù)與氣缸密封墊配套的主機(jī)廠(chǎng)提供的數(shù)據(jù),計(jì)算得到F=336kN。2.3.3位移邊界條件假設(shè)密封墊與缸體的接觸面位移為零,即在密封墊下表面添加位移約束z=0。由多層薄墊片組合而成的氣缸墊,若每層都施加位移邊界條件,將會(huì)導(dǎo)致過(guò)約束,而使計(jì)算不能收斂。本文通過(guò)在各層之間設(shè)置接觸邊界條件,既可以有效傳遞各層之間的載荷,又可以克服過(guò)約束的問(wèn)題。2.3.4接觸的方程離散組成氣缸密封墊的各層墊片之間相互接觸,構(gòu)成幾何結(jié)構(gòu)上的非線(xiàn)性,采用接觸算法可以簡(jiǎn)化模型位移條件的施加。根據(jù)接觸壓力在氣缸密封墊上的分布,找出接觸壓力最小的區(qū)域,即最有可能發(fā)生泄漏的密封區(qū)域。對(duì)于這種面面接觸分析,通常采用增廣型拉格朗日法,其最大優(yōu)點(diǎn)是在拉格朗日法所得總勢(shì)能基礎(chǔ)上,再增加一個(gè)懲罰強(qiáng)迫項(xiàng),使其滿(mǎn)足一個(gè)特定的關(guān)鍵約束,既吸收了罰函數(shù)法和拉格朗日法的優(yōu)點(diǎn),又不增加系統(tǒng)求解規(guī)模。增強(qiáng)型拉格朗日法計(jì)算公式為:δπ=∫Γcδ(λγN+α2γ2N)dΓ(5)δπ=∫Γcδ(λγΝ+α2γΝ2)dΓ(5)Ma+fint-fext+GTλ+PCd=0(6)Gυ≤0(7)式中,λ為拉格朗日乘子;α為罰函數(shù)項(xiàng);γN為接觸滲透率;Γc為接觸面積;G為剪切模量;υ為接觸面間速度場(chǎng);GTλ為接觸壓力;PC為接觸剛度;PCd為懲罰接觸力;Ma、fint和fext分別代表慣性力、內(nèi)力和外力。方程(5)為設(shè)置的接觸區(qū)域方程,可以等效成方程(6)和(7);方程(6)是接觸有限元計(jì)算的控制方程;不等式(7)為兩個(gè)接觸面之間的約束邊界條件。當(dāng)3層鉚接到一起,各墊片之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng),摩擦系數(shù)為無(wú)限大,定義為粗糙接觸。為了最大程度上減少接觸表面的侵入量,在計(jì)算收斂的情況下,盡可能增大罰剛度。應(yīng)用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng),使時(shí)間步長(zhǎng)小到足夠保證收斂和描述適當(dāng)?shù)慕佑|。按照一定的次序定義接觸對(duì),通過(guò)控制接觸參數(shù)節(jié)省計(jì)算時(shí)間,并取得精確的數(shù)值解。3有限概率分析在上述邊界條件和載荷共同作用下,通過(guò)有限元計(jì)算,得到了預(yù)緊狀態(tài)下氣缸密封墊上壓力分布以及結(jié)構(gòu)變形情況。3.1缸口和螺栓孔局部應(yīng)力分析根據(jù)第四強(qiáng)度理論,采用Von.Mises應(yīng)力作為材料發(fā)生屈服破壞的判斷準(zhǔn)則,分析氣缸密封墊應(yīng)力集中和密封性能。從氣缸墊的Von.Mises應(yīng)力(MPa)等值線(xiàn)(圖4)可以看出,壓力主要分布在氣缸缸口、螺栓孔以及冷卻液潤(rùn)滑油通道周?chē)膲杭y面上。在缸口周?chē)娜珘杭y和螺栓孔周?chē)陌雺杭y上出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,應(yīng)力集中的位置極易出現(xiàn)疲勞損壞。由應(yīng)力等值線(xiàn)圖可以看出,應(yīng)力分布同實(shí)際情況基本吻合,在氣缸口周?chē)霈F(xiàn)應(yīng)力最大值,為60.37MPa。由于在施加約束邊界條件時(shí)把下層墊片底面的位移設(shè)置為0,影響到下層墊片的變形,實(shí)際在氣缸密封墊的裝配過(guò)程中,下層墊片和缸體都存在一定的變形,所以實(shí)際的應(yīng)力要大于計(jì)算值。圖5為氣缸墊整體單元應(yīng)變等值線(xiàn)圖。由圖5可知,變形主要出現(xiàn)在缸口、螺栓孔及冷卻液潤(rùn)滑油道周?chē)膲杭y面上。兩缸之間的變形量較大,最大變形量約為0.091mm,與壓紋高度的0.25mm相比,壓紋并沒(méi)有完全被壓平,仍具有良好的恢復(fù)特性,能夠起到良好的密封作用。3.2上壓紋層的作用力全壓紋和半壓紋是氣缸密封墊上最主要的密封結(jié)構(gòu),也是最容易出現(xiàn)損壞的部位。圖6是缸墊結(jié)構(gòu)上壓紋層整體作用力的分布情況。從中可看出全壓紋和半壓紋受到多個(gè)方向的力作用,根據(jù)作用力與反作用力的原理,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相反力作用到缸蓋和缸體上,起到密封作用。如圖7所示。全壓紋截面上的作用力明顯大于半壓紋截面的作用力,因而全壓紋布置在對(duì)密封要求更為嚴(yán)格的缸口周?chē)?.3壓樣的檢測(cè)分析根據(jù)主機(jī)廠(chǎng)要求,對(duì)該款氣缸密封墊在面壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行面壓試驗(yàn),試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)工具主要有:面壓試驗(yàn)臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)、氣缸墊、TOHNICHI“東日”扭矩扳手、FUJI感壓紙、FPD-9210面壓掃描儀,如圖8所示。按照內(nèi)燃機(jī)氣缸密封墊片技術(shù)條件的要求,裝配氣缸密封墊和FUJI感壓紙并進(jìn)行試驗(yàn)。然后通過(guò)掃描儀掃描拆下的FUJI感壓紙,得到氣缸密封墊的面壓分布及最大面壓值,如圖9所示。試驗(yàn)氣缸密封墊上的壓力分布規(guī)律與有限元計(jì)算得到的壓力分布規(guī)律基本吻合,最大面壓值集中在缸口附近的全壓紋上,其最大試驗(yàn)值和有限元計(jì)算結(jié)果分別為63.80MPa和60.37MPa,通過(guò)對(duì)比分析,有限元分析結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本相符,證實(shí)了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性,即可起到良好的密封效果。綜上可知,氣缸密封墊能夠滿(mǎn)足配套機(jī)型的密封要求。密封墊裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上后,經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn),未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。4密封墊材料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)通過(guò)對(duì)氣缸密封墊進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅可以縮短