发动机缸体缸体密封垫密封性能研究

发动机缸体缸体密封垫密封性能研究

0空气密封垫现代商用车继续追求更高的动力性、经济性和排放性能，对发动机附件的可靠性要求更高。密封系统是现代高性能发动机的重要子系统,密封系统的可靠性直接影响着发动机的运行状况,气缸密封垫是密封系统中最重要的零部件。气缸密封垫不同于其他一般的密封垫,其结构复杂、接触介质多样、环境温度变化频繁等,属于动态工况下的静密封。目前国内对气缸密封垫的研究,尤其是对气缸密封垫上压纹结构的研究较少。本文利用有限元分析软件对某款发动机气缸密封垫进行了建模和计算,分析了气缸密封垫上的压力分布、关键部位的变形以及压纹结构对密封性能的影响。1经济厚度设计气缸密封垫安装在机体与缸盖之间,其结构复杂,工作环境恶劣。气缸密封垫除了密封燃烧室、冷却液及润滑油通道,防止漏气、漏水和漏油之外,还用于传递机体与缸盖之间的作用力,密封垫上冷却液与润滑油孔道的布置对整机的冷却与润滑性能有很大影响,所以在设计过程中要充分考虑气缸密封垫与整机的匹配。车用发动机密封垫主要由功能层、挡板层和附加层构成,如图1所示。挡板层上的挡板起到第一级密封功能,功能层上的压纹结构起到第二级密封功能。压纹结构又可分为全压纹和半压纹,全压纹主要布置在缸口周围,半压纹则布置在其他通道口周围。2模型的构建2.1压纹变形力验算以企业实际产品的二维平面图为基础,采用CATIA软件建立实体模型。模型参数如表1所示,压纹结构与实体模型如图2所示。该气缸密封垫用于一款集成化程度较高的汽油机,由1片挡板层和2片功能层构成,其中挡板层采用焊接式挡板结构,功能层上冲压一定高度的全压纹和半压纹来保证缸口和其他通道口的密封。每层垫片的厚度为0.25mm,氟橡胶涂层仅为0.08mm,建模过程中忽略氟橡胶涂层。气缸密封垫上压纹结构受压变形后产生的等效应力: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为材料的弹性模量;K为材料的体积模量;γ为材料的泊松比;ΔS为压纹变形后面积增量;Δx为压纹变形后长度增量;F为压纹等效变形力;l为压纹在垂直方向上的等效长度;p为压纹垂直方向上的等效应力。2.2刚性连接单元的建立将装配好的实体模型导入到有限元前处理软件中,进行结构离散化,为了建模和有限元分析方便,垫片被简化成等厚度模型,并忽略垫片上的4个铆钉孔,用Rbe2刚性连接单元代替铆钉,等效固定连接,这种处理方式不会对结果造成误差。对模型进行几何清理之后,抽取中面,对中面划分三角形网格,然后进行拉伸处理,生成体单元模型。挡板层上的挡板结构设置为焊接单元Welds,对应节点刚性连接,如图3所示。对单元类型进行定义,选择SOLID92单元,在前处理软件中建立挡板层和功能层的材料模型mid-steel和steel,在设定边界条件时确定其具体数值。2.3建立的相关边界条件在预紧工况下,针对3层组合垫片结构与接触压力进行分析,需要建立以下边界条件:材料边界条件、载荷边界条件、位移(约束)边界条件以及接触边界条件。其中,垫片之间接触是定义边界条件的难点。2.3.1材料边界条件根据企业产品的用材,气缸密封垫挡板层为0Cr18Ni9钢,上下功能层为带有氟橡胶涂层的1Cr17Ni8钢,钢板材料性能如表2所示。2.3.2螺栓预紧力的计算在预紧工况下,气缸密封垫主要承受螺栓预紧力以及缸盖重力。缸盖材料为铝合金,重量约为20kg,同螺栓预紧力F相比可以忽略不计。螺栓预紧力通过缸盖下表面作用在气缸密封垫上,把预紧力等效成作用在压纹平面上的面载荷。F=Mkd(4)F=Μkd(4)式中,M为紧固螺栓扭矩;d为螺栓直径;k为螺栓预紧力系数,取0.2。根据与气缸密封垫配套的主机厂提供的数据,计算得到F=336kN。2.3.3位移边界条件假设密封垫与缸体的接触面位移为零,即在密封垫下表面添加位移约束z=0。由多层薄垫片组合而成的气缸垫,若每层都施加位移边界条件,将会导致过约束,而使计算不能收敛。本文通过在各层之间设置接触边界条件,既可以有效传递各层之间的载荷,又可以克服过约束的问题。2.3.4接触的方程离散组成气缸密封垫的各层垫片之间相互接触,构成几何结构上的非线性,采用接触算法可以简化模型位移条件的施加。根据接触压力在气缸密封垫上的分布,找出接触压力最小的区域,即最有可能发生泄漏的密封区域。对于这种面面接触分析,通常采用增广型拉格朗日法,其最大优点是在拉格朗日法所得总势能基础上,再增加一个惩罚强迫项,使其满足一个特定的关键约束,既吸收了罚函数法和拉格朗日法的优点,又不增加系统求解规模。增强型拉格朗日法计算公式为: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为拉格朗日乘子;α为罚函数项;γN为接触渗透率;Γc为接触面积;G为剪切模量;υ为接触面间速度场;GTλ为接触压力;PC为接触刚度;PCd为惩罚接触力;Ma、fint和fext分别代表惯性力、内力和外力。方程(5)为设置的接触区域方程,可以等效成方程(6)和(7);方程(6)是接触有限元计算的控制方程;不等式(7)为两个接触面之间的约束边界条件。当3层铆接到一起,各垫片之间无相对滑动,摩擦系数为无限大,定义为粗糙接触。为了最大程度上减少接触表面的侵入量,在计算收敛的情况下,尽可能增大罚刚度。应用自动时间步长,使时间步长小到足够保证收敛和描述适当的接触。按照一定的次序定义接触对,通过控制接触参数节省计算时间,并取得精确的数值解。3有限概率分析在上述边界条件和载荷共同作用下,通过有限元计算,得到了预紧状态下气缸密封垫上压力分布以及结构变形情况。3.1缸口和螺栓孔局部应力分析根据第四强度理论,采用Von.Mises应力作为材料发生屈服破坏的判断准则,分析气缸密封垫应力集中和密封性能。从气缸垫的Von.Mises应力(MPa)等值线(图4)可以看出,压力主要分布在气缸缸口、螺栓孔以及冷却液润滑油通道周围的压纹面上。在缸口周围的全压纹和螺栓孔周围的半压纹上出现局部应力集中,应力集中的位置极易出现疲劳损坏。由应力等值线图可以看出,应力分布同实际情况基本吻合,在气缸口周围出现应力最大值,为60.37MPa。由于在施加约束边界条件时把下层垫片底面的位移设置为0,影响到下层垫片的变形,实际在气缸密封垫的装配过程中,下层垫片和缸体都存在一定的变形,所以实际的应力要大于计算值。图5为气缸垫整体单元应变等值线图。由图5可知,变形主要出现在缸口、螺栓孔及冷却液润滑油道周围的压纹面上。两缸之间的变形量较大,最大变形量约为0.091mm,与压纹高度的0.25mm相比,压纹并没有完全被压平,仍具有良好的恢复特性,能够起到良好的密封作用。3.2上压纹层的作用力全压纹和半压纹是气缸密封垫上最主要的密封结构,也是最容易出现损坏的部位。图6是缸垫结构上压纹层整体作用力的分布情况。从中可看出全压纹和半压纹受到多个方向的力作用,根据作用力与反作用力的原理,同时会产生相反力作用到缸盖和缸体上,起到密封作用。如图7所示。全压纹截面上的作用力明显大于半压纹截面的作用力,因而全压纹布置在对密封要求更为严格的缸口周围。3.3压样的检测分析根据主机厂要求,对该款气缸密封垫在面压试验台上进行面压试验,试验装置及试验工具主要有:面压试验台、发动机、气缸垫、TOHNICHI“东日”扭矩扳手、FUJI感压纸、FPD-9210面压扫描仪,如图8所示。按照内燃机气缸密封垫片技术条件的要求,装配气缸密封垫和FUJI感压纸并进行试验。然后通过扫描仪扫描拆下的FUJI感压纸,得到气缸密封垫的面压分布及最大面压值,如图9所示。试验气缸密封垫上的压力分布规律与有限元计算得到的压力分布规律基本吻合,最大面压值集中在缸口附近的全压纹上,其最大试验值和有限元计算结果分别为63.80MPa和60.37MPa,通过对比分析,有限元分析结果与仿真计算结果基本相符,证实了仿真计算的准确性,即可起到良好的密封效果。综上可知,气缸密封垫能够满足配套机型的密封要求。密封垫装配到发动机上后,经过发动机耐久性试验,未出现损坏现象。4密封垫材料和实验结果(1)通过对气缸密封垫进行数值模拟计算和结构优化设计,不仅可以缩短