乘用车柴油机气缸盖裂纹失效分析及解决措施

　沈小栋　马京卫　高　原　高　运（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

乘用车柴油机气缸盖裂纹失效分析及解决措施

沈小栋1，2马京卫1，2高原1，2高运1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

乘用车用某四缸涡轮增压柴油机在试验过程中出现气缸盖裂纹问题。为解决此问题，首先对裂纹形态进行分析，进而对可能造成裂纹的原因逐一排查，再通过仿真分析、对标分析、试验验证等方法对问题真因进行确认。结果表明：气缸盖整体刚度低及局部结构薄弱导致裂纹处疲劳安全系数低为裂纹产生的原因。针对气缸盖裂纹问题，制定了提高气缸盖整体结构刚度，优化局部结构强度的更改措施。经过仿真分析和试验验证，确认更改措施可以有效避免气缸盖裂纹的发生。

柴油机气缸盖裂纹失效分析解决措施

引言

乘用车用某四缸增压柴油机在发动机台架试验过程中出现排气管冒白烟，曲轴箱通风口窜水现象，拆解发动机发现缸盖（铝合金材质）排气道内存在冷却液，进而发现三缸排气道与上部水套间出现裂纹。造成气缸盖裂纹问题的原因较多，涉及到气缸盖的铸造质量和设计结构等因素，需要通过理论分析［1］、仿真计算及试验验证进行根本原因的确定。

1　问题调查

该发动机在200 h全速全负荷试验运行到96 h时，出现排气管冒白烟，曲轴箱通风口窜水现象。拆解发动机发现，气缸盖一、二、三缸排气道内积有冷却液，见图1。进而对气缸盖进行解剖，发现三缸排气道与上部水套之间出现裂纹，见图2。

对裂纹进行断口分析，具体表征现象如下：

1）断口低倍照片及断裂源区、扩展区位置见图3。

从图中可以看出，由断裂源向外扩展棱线特征明显。

2）断裂源区高倍形貌见图4，断裂源区附近检出铸造气孔缺陷见图5，能谱扫描源区检出大量C、O等元素，源区积碳氧化明显，见图6。

3）扩展区疲劳辉纹特征明显见图7。

图1　排气道内积留冷却液

图2　三缸气道截面（裂纹位置）

图3　断面低倍照片4×

图4　断裂源SEM照片500×

图5　断裂源区附近气孔1000×

图6　断裂源区能谱谱图

图7　扩展区照片1000×

断口分析结果显示：

1）裂纹为疲劳裂纹。

2）疲劳源位于水套侧。

3）疲劳源附近存在铸造气孔（此气孔直径约0.1 mm，属于针孔度范畴，为铸铝零部件固有缺陷，工艺上无法避免，符合我院标准文件要求，故认为此处非导致裂纹的因素）。

4）裂纹内存在积碳（与排气道相通所致，对本问题解决无参考价值）。

2　气缸盖裂纹原因分析

2.1零部件质量排查

首先，需要判定制造过程中，是否存在导致此失效的铸造缺陷，故对解剖气缸盖壁厚进行排查。

解剖后发现底板厚度实际检测值为12 mm，但设计值为10 mm；排气道上部壁厚检测值为8 mm，设计值为6 mm，见图8。

图8　气缸盖壁厚检查

壁厚检测结果显示，气缸盖壁厚不符合设计要求［2］，分析原因为铸造时水套砂芯定位不合理，导致漂芯2 mm。水套砂芯上浮后，将减小水套顶板厚度，存在影响气缸盖螺栓轴力传递的风险。

进而对气缸盖裂纹处的金相组织进行检测，检测结果见图9。

图9　裂纹区域显微组织照片

照片显示，α固溶体基体上分布着粒状、短杆状共晶硅，无粗大针状Fe相。符合我司标准要求，材料金相组织无异常。

同时，对气缸盖硬度进行检测，结果为108HBW，符合设计要求。

综上，对气缸盖铸造质量检测结果显示：

1）气缸盖局部壁厚不合格。

根据气缸盖剖切检查结果，气缸盖毛坯供方对气缸盖铸造工艺进行优化，提供了合格样件进行台架试验。但气缸盖在试验过程中再次在同一部位出现裂纹问题，故排除铸造质量不合格为此处裂纹问题的原因。进而，对气缸盖设计进行分析排查。

2.2产品设计排查

气缸盖受力主要有3方面来源：1）气缸盖螺栓拧紧后施加在气缸盖螺栓安装面上的轴力。2）燃烧室内气体剧烈燃烧施加在气缸盖燃烧室表面和气门头部的爆发压力。3）气缸盖内部温度不均匀分布导致的内应力［3］。

本次发生的裂纹位于排气道上部，此裂纹距离气缸盖螺栓安装面距离近，故螺栓轴力对此部位的影响需要重点关注。裂纹远离气缸盖高温区域（燃烧室区域），故基本可以判定本裂纹与温度梯度大导致的内应力无关，但具体情况，需要经CAE分析后再进行确认。同时，此裂纹形态显示为高周疲劳裂纹，在缸盖主要受力来源里面，缸内爆压对气缸盖施加的力呈周期性变化，且作用于气缸盖上面的次数多，符合导致缸盖结构疲劳裂纹的原因预期。

根据以上分析，逐一对缸盖CAE分析结果进行排查。

首先，对气缸盖受螺栓轴力作用下，裂纹处受力情况进行排查，排查结果见图10。

图10　螺栓轴力作用下裂纹区受力图（单位MPa）

由图10可知，仅在气缸盖螺栓力的作用下，裂纹位置受力值为187MPa，小于材料的抗拉极限295 MPa，但大于材料的屈服强度180 MPa。因螺栓装配力为稳定的力，所以此处按抗拉强度进行评估，故认为螺栓轴力作用不会导致裂纹问题发生。

然后，在气缸盖螺栓轴力作用的基础上，增加热载荷（温度分布不一致产生的应力），对裂纹处的受力状态进行分析排查，结果见图11。

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由图11可知，在气缸盖螺栓轴力及热载荷综合作用下，裂纹位置的受力仅为178 MPa，小于材料的抗拉极限295 MPa和屈服极限180 MPa。对比图10发现，在气缸盖螺栓轴力和热载荷的综合作用下，裂纹区的受力最大值变小，但整体呈上升趋势。此时的受力值均小于材料强度，故认为此状态下不会导致裂纹问题发生。

接着，在保留上两个作用力的基础上，增加缸内爆发压力的作用，对裂纹处的受力状态进行分析排查，结果见图12。

图11　增加热载荷后裂纹区受力图（单位MPa）

图12　累加缸内爆压后裂纹区受力图（单位MPa）

由图12可知，在气缸盖受所有力的综合作用下，裂纹区域的受力为266 MPa，大于材料的屈服极限180 MPa。考虑到爆发压力交替作用的性质，故认为此处风险较大。

进而，对此处的疲劳安全系数计算结果进行评估，见图13。

图13　裂纹区的疲劳因子

由图13可知，裂纹区的疲劳安全系数都小于标准值1.1，显示此区域出现疲劳裂纹的风险极大，与试验状态一致。

综上所述，故认为此裂纹为疲劳安全系数不合格所致。为了增加此处的疲劳系数，降低气缸盖产生疲劳裂纹的风险，我们从缸盖的局部结构和整体刚度两方面着手，制作了多个方案进行多轮计算分析，最终达到了预期目标。

3　整改方案介绍

3.1整体刚度优化

首先，因为裂纹位置距离气缸盖螺栓安装面近，故对气缸盖螺栓安装面周边结构进行对标分析，发现高负荷柴油机气缸盖在缸盖螺栓孔进排气方向用一个横梁筋进行连接，见图14。

图14　横梁连接缸盖螺栓安装面

此横梁具有将气缸盖螺栓轴力传递到中间竖壁的作用。同时，可以减小气缸盖因热应力、缸内爆发压力导致的进排气侧方向变形。从而可以改善排气道上部裂纹区域受力的负荷，减小裂纹发生的风险。

在工程实际应用过程中，因为其他的结构限制，可能在气缸盖进排气气缸盖螺栓安装面之间不能布置一个完整的横筋，为达到同样的效果，我们可以选择在气缸盖螺栓安装面下部设置斜筋的形式达到同样的目的，见图15。

根据以上对标结果，对问题发动机的结构进行调整，调整后结构见图16。

因在气缸盖凸轮轴室底部进气侧设置有铸造用的砂芯放气孔，故气缸盖的加筋方案采用：排气侧气缸盖螺栓垫片安装面至缸盖中央筋处增加横梁；进气侧气缸盖螺栓安装面下部增加两条斜筋。采用此种结构，尽可能地扩大气缸盖螺栓轴力的分布区域，降低裂纹区域的受力。

图15　气缸盖螺栓安装面下部斜筋

图16　调整后缸盖结构

图17　变更前水套顶板壁厚图

此处变更主要为进一步分散气缸盖螺栓轴力，另一方面也增加了气缸盖的整体刚度。

因为柴油机负荷高，目前主流乘用车厂轻型柴油机的气缸盖螺栓一般都采用M12规格，气缸盖螺栓孔壁厚一般设置为9.5 mm，且尽量避免在气缸盖螺栓安装面下部设置空腔结构。但故障发动机在气缸盖螺栓安装面下部设置有凸轮轴室回油通道，见图19。

图18　变更后水套顶板壁厚图

3.2局部刚度优化

对缸盖整体结构进行加强后，为进一步降低裂纹区域的失效风险，首先，根据局部结构对标，对气缸盖水套顶板的厚度进行调整，为降低导管压装产生的应力对裂纹区域的影响，同时对导管孔壁厚进行调整，变更前状态见图17，变更后状态见图18。

图19　气缸盖螺栓安装面下部设置回油孔

导致气缸盖局部安全系数低，见图20。

更改措施为优化回油道结构，保证气缸盖螺栓安装面一周的壁厚都满足9.5 mm，更改后的状态见图21。

最后，根据前期气缸盖设计经验，为改善局部的疲劳安全系数，对裂纹部位的铸造圆角尺寸进行了调整，由原先的R4.5更改至R7。

3.3整改后方案计算分析

对整改后的气缸盖数模进行缸体缸盖耦合分析，疲劳安全系数计算结果见图22。

裂纹位置处受力分析见图23。

图20　局部安全系数低示意图

图21　优化后油道及螺栓壁厚状态示意图

图22　整改后疲劳安全系数

计算结果显示：

1）整改后裂纹区疲劳安全系数大于1.42，高于我公司要求的1.1。

2）裂纹处最大受力由更改前的266 MPa降至100 MPa，低于材料的屈服强度180 MPa。

综上，认为经过结构的优化，此处结构强度满足气缸盖的使用需求，可以避免裂纹的复发。

制作更改后状态气缸盖进行台架试验验证，裂纹问题未复发，证明整改有效。至此，此问题解决完成。

图23　裂纹处受力图

4　结论

通过对发动机气缸盖裂纹状态的分析，铸造质量的排查，工作负荷加载后失效部位的计算分析及标杆对比评估，确定缸盖整体刚度低及局部结构薄弱导致疲劳安全系数低为裂纹产生的原因。经过本次裂纹问题的整改，对乘用车柴油机气缸盖结构作出以下建议：

1）气缸盖螺栓安装面周边需设置横梁筋或斜筋；

2）气缸盖水套顶板的厚度建议设置成8 mm以上；

3）与顶板连接的圆角建议设置为R7；

4）排气导管孔的外侧壁厚建议加厚处理；

5）气缸盖螺栓孔避让不小于9.5 mm，且不建议对气缸盖螺栓安装面底部壁厚进行调整。

1周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，1996

2朱仙鼎.中国内燃机工程师手册［M］.上海：上海科学技术出版社，2000

3陈家瑞.汽车构造［M］.北京：人民交通出版社，2002

Analysis and Solution to the Crack of Cylinder Head of Diesel Engines for Passenger Cars

Shen Xiaodong1，2，Ma Jingwei1，2，Gao Yuan1，2，Gao Yun1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

This paper shows a problem of cylinder head crack occurring on a four-cylinder diesel engine. To solve this problem，firstly，it's necessary to inspect the form of the crack.Secondly，we need to find out the possible reasons which could cause the cracks.Finally，find out the reason by means of simulation analysis/benchmark and test verification.The test results indicate，the structure rigidity of the entire cylinder head is insufficient and local strength is weak，that caused fatigue safety factor unacceptable，which leads to the crack.Aiming to solve this crack issue，we enhanced the structure rigidity of the cylinder head and optimized the regional structure.At last，we got obvious benefits from this kind of solution verified by test results.

Diesel engine，Cylinder head，Crack，Failure analysis，Solution

TK426

A

2095-8234（2016）04-0030-06

2016-06-07）

沈小栋（1988-），男，本科，主要研究方向发动机气缸盖设计。