汽油发动机气缸垫失效原因分析及设计预防研究

高跃，胡斌

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

0 引言

汽油发动机气缸垫位于缸体和缸盖之间，靠多个高强度的缸盖螺栓提供夹紧力，密封发动机各个燃烧室、高压油道、低压油道、冷却液通道和链轮箱等。发动机在工作时燃烧室的最大爆发压力可达8～15 MPa，最高温度可达2 000～2 500 K。在这种苛刻的工作环境下，必须保证缸体与缸盖及各部分之间的密封可靠。缸垫失效可能导致燃烧气体窜入冷却液通道，造成冷却液温度报警；气缸与气缸之间窜气；还可能造成油水混合以及机油或者冷却液泄漏等问题。这些问题都会对发动机造成不同程度的损坏，甚至导致整个发动机报废。

气缸垫一般为多层金属片密封，其多层金属片上有模具冲压的全凸筋和半凸筋，缸口位置还设有增厚层，可以增大分配在缸口位置的密封力。在气缸垫的四周往往也有增厚凸筋，主要起到补偿缸盖变形的作用。为了实现对缸体和缸盖上各个泄漏通道的密封，需要缸盖螺栓提供适当的夹紧力。一般每个缸口周围分布不少于四个或以上的螺栓，要求螺栓的预紧力大小适当且分布均匀。如果预紧力过小，则分布在缸口位置的密封力就小，发动机工作时高温高压烧气会从一个气缸窜入相邻气缸或者冷却液通道，造成发动机损坏、冷却液温度报警等。在设计气缸垫时，需要选择适合等级的螺栓提供适当的夹紧力，通过合理的螺栓装配工艺来保证装配质量，从而保证密封的可靠性。

通过模拟分析来检查上述提到的影响气缸垫的各方面重要因素，可以减少样件在实体发动机上发生不必要的失效和损失，节省开发时间和成本。

1 气缸垫失效的原因分析

1.1 发动机缸体和缸盖开裂或局部变形

目前发动机缸体和缸盖都有冷却水套，其水流的路径和速率相当重要。它的设计要运用流体力学和传热学的概念来进行，以期达到良好的换热性能，保证发动机的工作可靠性。假如冷却通道设计不合理，可能引起发动机早燃、爆震、气门结胶、缸体和缸盖开裂等。

缸体和缸盖的主要失效模式之一是热疲劳，其原因是：发动机工作过程中热负荷变化大，工作时缸盖燃烧室面与水套面的温差很大。热膨胀时被约束，燃烧室面发生很大的压缩应力，冷却时发生拉伸应力，在这种交变的热应力状态下可能会导致缸体和缸盖的开裂等失效。

气缸垫的凸筋具有一定高度和宽度，气缸垫的密封是靠凸筋被缸体和缸盖面压缩一定行程后的产生的回弹力来实现的。由于缸体和缸盖的机加工表面的平面度要求一般为0.1 mm，如果缸体和缸盖局部变形过大，则结合面之间的“间隙”可能超过气缸垫的凸筋高度，这样也就失去了回弹力，从而导致气缸垫失效[1]。

1.2 发动机缸体和缸盖表面质量问题

目前量产的汽油发动机，其缸垫的缸体侧和缸盖侧为通过“丝网印刷”涂覆的液态氟橡胶，其厚度通常在20 μm左右，氟橡胶涂层主要是起微密封作用。由于铸铝件不可避免的会出现缩孔或者划痕等缺陷，采用适当厚度的氟橡胶涂层可以填充这些结合表面的缺陷，防止微泄漏。

1.3 发动机缸盖螺栓的布置和螺栓力问题

螺栓通过拧紧过程来实现夹紧力，当螺栓拧紧到一定程度时，被连接件受到压缩，同时螺栓受到拉伸，如图1所示。

图1螺栓受力分析以及螺栓扭矩和夹紧力关系图

螺栓全部布置在缸盖上，每缸基本采用四螺栓布置，相连螺栓中心连线不得切割气缸和跨越空缺部，以免缸孔变形和密封力分布不合理。

受螺栓连接中接触面摩擦系数、螺纹处摩擦系数、螺栓装配紧固速度、螺纹精度、拧紧工具和螺栓处塑性变形或弹性变形等因素影响，其夹紧力实际值上下不一，夹紧力过大导致螺栓拉断或者被夹件(例如缸盖)压溃等现象，夹紧力过小导致发动机运转过程中气缸垫密封压力不足而引起泄漏等失效。

1.4 气缸垫设计问题

气缸垫需要同时密封高温高压燃气、冷却液和机油三种流体，它们的温度、压力、黏度、极性都相差很大，而且燃烧气体的物理、化学热变化也非常频繁。要保证气缸垫密封可靠，其难点在于：

(1)三种流体的状态相差很大，各自要求的密封面压力差别非常大；

(2)三种流体的理化性质大不相同，材料的选择也较狭窄；

(3)缸垫尺寸大，要想使其全部有适当的面压分布，环抱被密封的流体形成连续的密封环带，必须同时处理好缸体、缸盖及其紧固螺栓等的设计；

(4)缸垫需要补偿上面提到的缸体和缸盖加工表面的平面度和粗糙度，避免发生接触面泄漏；

(5)缸垫需要在缸盖螺栓轴向夹紧力衰减的情况下保证密封[2]。

2 预防气缸垫失效的有效措施

2.1 保证缸盖的强度和冷却液通道设计的合理性

缸盖的设计要求包括：处理好各个燃烧室、气门、进排气道、火花塞、喷油器和缸盖螺栓等的空间布置；合理设计和布置缸盖冷却水套，组织好冷却，防止各个部位温度不均，发生不正常燃烧和热疲劳开裂；结构刚性好，工作时变形和跳动量小，保证与缸体的结合面密封良好；其结构要考虑好铸造分型、芯头支承、避免金属堆积造成铸件疏松、缩孔和过大残余应力。

2.2 保证发动机缸体和缸盖表面质量

气缸垫依靠表面的氟橡胶涂层来应对缸体与缸盖表面的缺陷，由于“丝网印刷”的工艺限制，其最大厚度虽然可以达到40 μm，但考虑到成本和质量稳定性，通常设计厚度不超过25 μm。这就对缸体和缸盖密封区域的表面质量提出了较高的要求。缸体与缸盖一般采用铸铁或者铸铝材料制成毛胚，经过机加工形成气缸垫的接触面。为了识别缸体和缸盖的表面缩孔和粗糙度是否超差等问题，对于缸体和缸盖表面的要求如下文所述。

2.2.1缩孔

通过透明密封看板对密封区域进行标示，密封看板是根据气缸垫密封凸筋的位置以及轮廓度尺寸共同叠加制作而成。定义在密封区域内，非连接缩孔直径0.05～0.25 mm为可接受。缩孔直径在0.25～0.50 mm之间，且相邻缩孔之间距离大于2.0～3.0 mm，为可接受范围。

2.2.2粗糙度

机加工之后的密封区域粗糙度要求如下：

Rz1max=15 μm Max.; Wt=20 μm Max.；或者Ra=1.8 μm Max.； Rt/Ry=20 μm Max.； Wt=20 μm Max。

2.3 科学规划发动机缸盖螺栓的布置和装配工艺

缸盖螺栓的设计，要求螺栓的预紧力大小适合和预紧力分布均匀，这就要求螺栓合理的布置和可靠的装配工艺。在一定的螺栓扭矩作用下，其50%扭矩消耗在螺栓头部的摩擦力中，40%消耗在螺纹副的摩擦力上，只有10%左右产生夹紧力，螺栓产生的夹紧力和设计输入的扭矩如图1所示。合理的扭矩施加方法对缸盖螺栓夹紧力的分布有着非常重大的影响[3]。

同时，由于发动机缸盖螺栓工作环境的关系，必须能够承受发动机在较大爆发压力下的循环交变应力。对其强度和精度要求非常高，螺栓的机械性能等级一般要求在10.9级及以上，螺纹精度在4h级及以上，同轴度、垂直度公差也有很高的要求。受螺栓结合面摩擦系数等诸多因素的影响，即使在同一种工艺情况下，不同批次缸盖螺栓的预紧力偏差也较大，导致目前常规的扭矩法拧紧工艺不能满足气缸垫的设计要求。为消除这些影响，可以采用扭矩—转角法拧紧工艺。该工艺中，螺栓被拧紧进入屈服区域，此后螺栓由弹性变形转变为塑性变形，充分利用螺栓的材料性能，确保发动机装配质量的稳定可靠，如图2所示。

图2缸盖螺栓拧紧过程受力曲线图

2.4 利用模拟分析来提高气缸垫设计有效性

气缸垫的密封主要由两方面构成，其一为表面的氟橡胶涂层，起到微密封作用；其二是金属层经过冲压形成的凸筋压缩形成足够的密封力，密封冷却液、机油和燃烧室气体等。

气缸垫的凸筋失效主要为凸筋开裂、凸筋耐久后残留高度过低、凸筋没有密封发动机油道水道等，其与凸筋分布、凸筋宽度、凸筋高度、支撑筋设计有密切关系。

典型的气缸垫的结构截面图如图3所示，上面两层为功能层，其表面被冲压出半筋和全筋，最下面和缸体接触的一层为保护层，起到微密封缸体表面微小缩孔的作用。缸垫可以理解为图4中的弹簧模型，不同宽度和高度的凸筋即为不同的弹簧刚度，这样凸筋承担的密封力也不同，同时承受疲劳应力程度也不同。

图3气缸垫凸筋截面图

图4气缸垫凸筋弹簧模型

确定气缸垫图纸和数模之后，进行模拟计算(CAE)，CAE计算的输入必须有缸盖螺栓的夹紧力和衰减百分比。模拟计算气缸垫上所有类型凸筋的应力-应变曲线(L-D Curve)，这些曲线与凸筋的高度和宽度一一对应，如图5所示。

图5气缸垫某类型凸筋的应力-应变曲线图

气缸垫模拟计算的输出需要包括以下三个方面：

(1)凸筋各位置的缸盖举升量(Head Lift)；

(2)凸筋各位置的密封力(Line Load)；

(3)凸筋各位置的疲劳性(Bead Fatigue)。

其中缸盖举升量的结果不但和气缸垫的凸筋类型、宽度和高度以及分布有关，还和缸盖结构、缸盖螺栓的分布和螺栓夹紧力相关，其输出结果如图5和图6所示。每个位置的缸盖举升量必须小于气缸垫凸筋高度的变形量，这样才能够保证发动机运转的各个工况过程中，凸筋各位置均有密封力，从而不会导致气缸垫泄漏或者窜气等失效。

图6第三缸点火时气缸垫各位置的缸盖举升量

图7不同气缸点火后气缸垫各位置的缸盖举升量

同时CAE也可以根据气缸垫密封凸筋的类型和分布、螺栓载荷的分布等模拟计算出各个工况下的密封力(如图8～图9所示)，其优势在于可以在各实物样件未完成的情况下初步判断气缸垫的设计是否合理，可以早期预测各类型台架试验下的密封力大小以及分布是否合理。

图8冷态安装时压力分布

图9第四缸点火后压力分布

随着模拟分析技术的不断提高以及与试验验证过程中采集的数据不断修正，还可以计算出凸筋耐久试验以后的疲劳性能(如图10所示)，预测是否会导致气缸垫开裂所导致的失效等问题。这样不仅可以提前判断气缸垫凸筋的设计是否合理，还节省了大量的重复验证的时间和成本。

图10气缸垫凸筋疲劳模拟分析输出图

3 气缸垫的试验

气缸垫样件通过模具制造出来后，必须通过一套完整的开发和验证试验。一般来说，气缸垫开发和验证试验主要包含以下几个方面[4]：富士面压试验、铅块试验、缸盖举升试验、凸筋疲劳试验和发动机台架试验和整车试验。

3.1 富士面压试验

通常使用富士面压纸来快速表征发动机装配状态下的气缸垫各个位置的压力。根据要查看的凸筋类型，在气缸垫与缸盖、缸体结合面之间放入高压或者中压面压纸(缸口全波纹凸筋处选用高压面压纸，其余位置选用中压面压纸)，按照发动机缸盖装配要求，按规定顺序和规定拧紧要求拧紧缸盖螺栓，静置10 min后，可以看到面压纸上有不同程度显色反映，通过富士扫描仪可以读出冷态时垫片各个位置所受的压力(见图11)。目前密封最小经验压力一般为：

A：燃烧气体：30～50 N/mm

B：冷却液： 8～12 N/mm

C：低压油道：8～12 N/mm

D：高压油道：18～25 N/mm

图11气缸垫的面压试验示意图

3.2 铅块试验

此试验是用来检查气缸垫在发动机装配状态下被缸体和缸盖夹紧后的压缩厚度与设计要求是否一致。试验方法为在气缸垫的不同位置打一些小孔，在孔中放入可压缩的微珠，按照发动机缸盖装配要求，按规定顺序和规定拧紧要求拧紧缸盖螺栓，然后拆下缸盖测量微珠的剩余高度，即为此位置的气缸垫压缩厚度。通常每个缸口附近的全波纹凸筋一圈需要布置3个以上微珠，垫片的四周远离螺栓位置需要多布置一些微珠，这样有利于后续其他试验的更准确数据输入。

3.3 缸盖举升量试验

此试验是为了测定缸盖在发动机爆燃时的变形量。方法如下：将缸盖侧面做“打点”标识，按照发动机装配要求安装缸体、气缸垫和缸盖，然后通过火花塞位置向每个气缸内充入等同于最大爆发压力的压缩气体，通过高速摄像机观察得到的缸盖标识点位置的偏移量，即为举升量(如图12所示)。通常在螺栓夹紧力弱的区域举升量大，需要更高的波纹凸筋来密封。缸盖的举升量数据可以作为CAE计算冷态结果的修正输入，还可以计算发动机运行中缸盖变化对凸筋波纹密封力的衰减影响。

图12缸盖举升量示意图

3.4 凸筋疲劳试验

为了提前检验气缸垫在发动机耐久循环过程中是否会发生凸筋开裂的风险，需要对凸筋的疲劳性做单独试验。一般单独取气缸垫的某一种凸筋(缸口位置的全波纹凸筋优先测试)进行试验。将缸盖举升量试验中得到的行程值作为疲劳试验的振幅，在振动模拟台架上压缩循环1 000万次后查看凸筋是否发生开裂。有时，此试验在高温环境下进行，以模拟气缸垫的真实运行环境。

3.5 发动机台架试验和整车试验

完成上述气缸垫试验之后，还需要通过完整的发动机台架验证，包含全负荷耐久试验、高低温冷热冲击耐久试验、高低温深度热冲击耐久试验等。

全负荷耐久试验一般是指发动机全速全负荷情况下连续运转等同于整车全寿命时间的耐久试验。此试验中，发动机油温和水温处于高温状态下，并且缸内爆发压力最大，充分的考核了气缸垫极端耐受情况。

高低温冷热冲击耐久试验是指发动机的水温由外接大水箱(有加热和冷却功能)控制，其在很短的时间内让水温从室温上升至90℃继而又下降到室温，考察缸体和缸盖在冷热交变过程中的变形是否可以被气缸垫的凸筋密封。同时缸盖螺栓夹紧力也会在此交变过程中有一定衰减，也会恶化气缸垫的密封性能。这个试验通常持续3个月，对气缸垫的密封能力是极大的考验。

为了进一步查看气缸垫在低温下的密封性能，还会使发动机冷却液温度从极低的温度快速上升至最高温度，循环一定的次数来查看气缸垫密封性能。整车的耐久试验、冬季试验和夏季试验也是对气缸垫的密封性和可靠性进行测试。

4 结论

在开发过程中可以利用模拟分析(CAE)方法指导气缸垫上密封凸筋的设计，降低和均衡缸盖各区域变形量。选择适当的扭矩加转角拧紧工艺，确定合理的螺栓夹紧力。可利用密封看板，100%检测生产线上缸体和缸盖的表面质量，确保气缸垫在发动机和整车全寿命过程中起到良好的密封作用。同时可以利用富士面压试验、铅块试验和凸筋疲劳等试验确保气缸垫可以完全通过发动机台架试验以及整车耐久试验。