發動機氣缸密封墊壓紋結構對密封性能影響的研究

奚鳴杰，石秀勇，盧學文，林新昌，倪計民，張洪超

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804;2.上海興盛密封墊有限公司，上海 201804)

前言

現代車用發動機不斷追求更高的動力性、經濟性和排放性能，對發動機零部件可靠性要求也越來越高。密封系統是現代高性能發動機的重要子系統，其性能直接影響著發動機的運行狀況。由于發動機結構更緊湊，因此密封區域縮小;發動機的輕量化，有可能降低零件的剛度，限制了螺栓的預緊力;為減小氣缸變形，在較高的爆發壓力和溫度下要求有新的燃燒室密封系統;為盡量減小氣缸墊公差及其對燃燒室容積的影響，要求減少氣缸墊的層數或降低氣缸墊厚度;在不增加甚至降低螺栓預緊力的情況下，仍要滿足現代發動機的密封要求，這就須開發帶有特殊密封結構的氣缸密封墊，儲存更多的能量以改善密封［1］。

目前國內在發動機氣缸密封墊結構方面的研究較少，對于氣缸密封墊上壓紋結構的研究則更少。本文中在研究氣缸密封墊整體密封性能的基礎上，應用試驗設計(DoE)方法［2］對壓紋結構的密封性能做了進一步的研究。

1 發動機氣缸密封墊

本文的研究對象是多層金屬氣缸密封墊，該氣缸密封墊主要是由帶有壓紋結構和橡膠涂層的功能層、帶有擋板結構的擋板層和附加層構成［3］，結構如圖1所示。功能層一般由彈性不銹鋼制成，壓紋結構可把螺栓預緊力轉化為密封壓力以實現二級動態宏觀密封;橡膠涂層和缸蓋與缸體結合表面充分接觸，可以實現微觀密封;擋板層上的擋板結構一般主要集中在發動機氣缸口附近，使各層上的密封結構得到更好的匹配，同時通過擋板自身的高度實現一級宏觀密封［4］。

通過改變多層金屬氣缸密封墊上的壓紋結構和尺寸來滿足發動機密封系統對氣缸密封墊的總體要求及其各密封部位對面壓的不同要求。按照各自結構設計的不同又可分為半壓紋和全壓紋兩種形式，如圖2所示。影響壓紋密封特性的因素有:(1)幾何尺寸(壓紋高度h、寬度l、坡角α和功能層厚度d);(2)功能層使用的材料。

壓紋結構將螺栓力由面壓力轉換為密封線壓力，因而提高了局部密封壓力。功能層使用的材料一般都是彈性較好的鋼板，當壓紋受壓時，全壓紋產生4條高壓力線;半壓紋產生2條高壓力線［5］，如圖3所示。

根據不同密封位置的不同密封要求，可以設計出多種幾何尺寸的壓紋結構，它們具有確定的負載特性和恢復特性。按照零部件的剛度、所使用的材料、螺栓力和安裝位置不同，選擇較軟或較硬的壓紋。一般帶有壓紋結構的氣缸密封墊相對于不帶壓紋結構在彈性恢復性能上有明顯改善，通常會按照主機廠對密封性能要求的不同，采用不同的壓紋組合形式。

2 氣缸密封墊整體有限元分析

氣缸密封墊整體有限元分析主要包括4個步驟:建立三維實體模型;實體模型結構離散化;定義邊界條件;有限元計算分析。

根據氣缸密封墊二維工程圖紙，在UG中建立氣缸密封墊三維實體模型;在Hypermesh中進行實體離散化;在ABAQUS中建立材料、接觸、約束等邊界條件，施加螺栓預緊力并進行有限元計算［6］。

2.1 氣缸密封墊上密封壓力分布

根據第四強度理論，采用Von.Mises應力作為材料發生屈服破壞的判斷準則，分析氣缸密封墊應力集中和密封性能［7］。氣缸墊的Von.Mises應力云圖如圖4所示。由圖可見:壓力主要分布在氣缸缸口、螺栓孔和冷卻液潤滑油通道周圍的壓紋面上，且密封壓力從半壓紋到全壓紋呈逐漸變大的趨勢。

2.2 試驗驗證

根據主機廠要求，在面壓試驗臺上對該款氣缸密封墊進行面壓試驗，具體試驗流程如圖5所示。

按照發動機氣缸密封墊片技術條件［8］對面壓試驗結果做進一步分析，并與計算值進行比較，結果如圖6所示。試驗得到的氣缸密封墊上的壓力分布規律與有限元計算得到的壓力分布規律基本吻合，按要求取點對比分析，結果見表1。有限元分析結果與仿真計算結果基本相符，證實了仿真計算的準確性，根據主機廠對墊片缸口壓力p≥50MPa的要求，該款氣缸密封墊在螺栓預緊力作用下能滿足靜態密封要求。

表1 試驗值與計算值對比

3 基于DoE的壓紋結構密封性能研究

將DoE試驗設計引入到氣缸蓋密封墊壓紋結構的仿真計算中，通過對仿真中的數據樣本進行合理的規劃設計，在保證模型標定正確的前提下，減少仿真計算次數，提高壓紋結構優化設計的效率。

在對氣缸密封墊整體分析的基礎上，建立壓紋密封結構的截面模型，對全壓紋和半壓紋截面結構進行有限元分析。以壓紋結構密封壓力為優化目標，結構參數為尋優變量，結構參數取值范圍為約束條件［9］，運用DoE試驗設計軟件 OPTIMUS分析優化目標和尋優變量之間的關系。

3.1 全壓紋和半壓紋有限元分析結果

全壓紋和半壓紋的Von.Mises應力等值線圖如圖7所示。由圖可見:全壓紋結構產生4個高線性密封壓力，半壓紋產生2個高線性密封壓力;全壓紋截面上的作用力明顯大于半壓紋截面的密封壓力，因此全壓紋主要布置在對密封要求更為嚴格的氣缸口周圍。

3.2 基于DoE的壓紋密封壓力響應曲面模型的建立

3.2.1 全壓紋密封壓力Kriging響應面的建立

在氣缸密封墊的初期設計過程中，考慮到氣缸密封墊厚度對整機壓縮比的影響，先確定壓紋結構高度，然后再按照需求對全壓紋結構寬度和角度進行優化設計。本文中按照發動機氣缸密封墊技術條件，選擇3個高度，分別分析密封壓力與壓紋坡角和壓紋寬度之間的關系。

基于DoE方法選取關鍵設計參數并確定寬度和角度變化步長分布，采用拉丁超立方試驗設計法規劃仿真試驗并進行有限元分析計算。根據仿真結果，以R-Square為評價指標［10］，選用擬合度最高的Kriging模型［11］進行數學建模，Kriging模型擬合出全壓紋密封壓力與結構參數的響應曲面如圖8～圖10所示。

基于建立的Kriging響應面模型以全壓紋密封壓力的最大值為優化目標，采用EGO(全局尋優算法)和NLPQL(非線性二次規劃法)［12］對最優值進行預測。利用ABAQUS仿真計算對預測值的驗證結果表明，響應曲面擬合精度較高，如表2所示。

3.2.2 半壓紋密封壓力RBF響應面的建立

影響半壓紋密封壓力的主要結構參數是半壓紋高度和寬度。根據內燃機氣缸密封墊技術條件確定結構參數取值范圍和步長，采用拉丁超立方試驗設計法規劃仿真試驗并進行有限元分析計算，并應用RBF(徑向基函數算法)［13］對仿真數據進行擬合，半壓紋的密封壓力與結構參數之間的擬合曲面如圖11所示。

基于建立的RBF響應面模型以半壓紋密封壓力的最大值為優化目標，采用EGO(全局尋優算法)和NLPQL(非線性二次規劃法)［11］對最優值進行預測。ABAQUS對預測值的驗證結果表明，RBF響應曲面擬合精度較高，如表3所示。

表2 全壓紋模擬計算與擬合值的對比

表3 半壓紋模擬計算與擬合值的對比

3.3 Kriging和RBF響應面在壓紋結構設計中的作用

Kriging響應面模型能夠很好地模擬壓紋密封壓力同結構參數之間的關系。這種采用ABAQUS和OPTIMUS聯合計算的方法縮短了仿真計算的時間。

在全壓紋的結構設計中，高精度的響應曲面可以為仿真計算提供導向作用。例如圖8中的A區域屬于密封壓力較小的區域，在氣缸密封墊全壓紋的設計過程中，盡量不選擇該區域內的角度和寬度數值。在滿足與氣缸蓋、氣缸體匹配的前提下，盡量選擇圖8中B區域內的結構參數，為密封區域提供更大的密封壓力。

而在半壓紋結構參數的選擇過程中，以RBF響應曲面模型為基礎，在滿足主機廠對結構參數要求范圍之內，可以按照半壓紋密封壓力與結構參數之間的響應面來篩選滿足密封要求的最佳結構參數。

4 結論

對氣缸密封墊三維模型進行了有限元分析，分析結果和試驗結果的誤差在工程許可范圍之內，表明該氣缸密封墊在螺栓預緊力作用下能滿足靜態密封要求，同時也驗證了有限元模型的正確性。

將氣缸密封墊實體和截面的有限元分析結合起來，對氣缸密封墊壓紋結構進行初步優化，提高了有限元分析效率，縮短了氣缸密封墊整體有限元分析時間。

將DoE方法應用到壓紋結構的計算中，運用OPTIMUS擬合出壓紋密封壓力與壓紋結構參數之間的響應曲面，在氣缸密封墊壓紋設計過程中，可按照所需密封壓力，結合整機對氣缸密封墊布置的要求，在擬合曲面上選取合理的設計參數。這樣不僅大大縮短了仿真計算的時間，還為優化計算指出了方向。

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