發(fā)動(dòng)機(jī)三結(jié)合面密封技術(shù)改進(jìn)

邢正雙，張兆明，邢東仕，秦鳳蓮（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司/上海市汽車(chē)動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

發(fā)動(dòng)機(jī)三結(jié)合面密封技術(shù)改進(jìn)

邢正雙，張兆明，邢東仕，秦鳳蓮
（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司/上海市汽車(chē)動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

某研發(fā)階段的四缸柴油機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)排氣側(cè)缸蓋、缸體、鏈條室罩蓋三結(jié)合面發(fā)生滲漏機(jī)油現(xiàn)象。經(jīng)分析，原因?yàn)殒湕l室罩蓋墊片的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封膠的使用都不能很好地滿(mǎn)足三結(jié)合面處的密封性要求，因此對(duì)墊片及密封膠進(jìn)行改進(jìn)，最終解決了三結(jié)合面滲漏機(jī)油的問(wèn)題。

發(fā)動(dòng)機(jī)三結(jié)合面密封技術(shù)滲漏

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)的密封技術(shù)要充分考慮高溫、高壓、高爆發(fā)率、高功率以及潤(rùn)滑油、燃油、冷卻液等各種復(fù)雜介質(zhì)的物理和化學(xué)性能。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)向輕量化、體積小、功率大和環(huán)保型方向的發(fā)展，導(dǎo)致密封面狹小、異型及螺栓壓緊力不能加大，這也給密封技術(shù)和密封材料提出了更高的要求。因此要解決整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的密封技術(shù)，必須了解發(fā)動(dòng)機(jī)的密封部件、螺栓扭矩和密封面的形狀分布以及面壓、溫度和介質(zhì)的情況，再根據(jù)不同的面壓、溫度、壓力和介質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)密封材料的抗拉強(qiáng)度、壓縮回彈率、蠕變率，耐各種介質(zhì)性能，分析密封材料自身的化學(xué)成分與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的化學(xué)成分的相互作用關(guān)系[1]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)平面用密封材料介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)密封件根據(jù)不同方式，可以分為不同種類(lèi)。對(duì)于要求密封的介質(zhì)，不同發(fā)動(dòng)機(jī)密封件可以分為油封、水密封、氣密封和多種介質(zhì)密封（如氣缸墊）；根據(jù)密封件材質(zhì)的不同，發(fā)動(dòng)機(jī)密封件可以分為金屬密封件、非金屬密封件和復(fù)合密封件。本文主要對(duì)非金屬密封件材料作簡(jiǎn)單介紹。

（1）紙板密封墊片：紙板密封墊片一般以普通工業(yè)紙板替代，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、可回收利用、強(qiáng)度高、不易損壞，缺點(diǎn)是只有壓縮率，回彈率極小，壓緊后螺栓扭矩衰減嚴(yán)重，并有纖維性滲漏問(wèn)題，且不耐水和油，在發(fā)動(dòng)機(jī)上已基本被淘汰。

（2）橡膠密封圈：橡膠密封圈一般采用合成橡膠經(jīng)模壓而成的密封圈，材料一般為硅橡膠或氟橡膠。主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的阻水圈，其優(yōu)點(diǎn)是壓縮性好，強(qiáng)度和變形性好，缺點(diǎn)是壓縮變形太大。硅橡膠耐油性和耐冷卻液差，而氟橡膠則價(jià)格太高。

（3）耐油石棉橡膠板：耐油石棉橡膠板是利用輥壓法，以石棉纖維為主體，以丁腈丁苯、天然橡膠等為黏合劑，經(jīng)攪拌、輥壓、成張、硫化而成，是一種較為廣泛應(yīng)用的密封材料。優(yōu)點(diǎn)是致密性好、密度大、壓縮率低、回彈率高、抗拉強(qiáng)度較高，能適用于較為復(fù)雜的高溫、高壓和螺栓扭緊力特別大的化工管道法蘭、閥門(mén)、泵連接處的密封；缺點(diǎn)是壓縮率小、密度大，在發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓扭緊力低、面壓小、密封面精度不足的部位無(wú)法均勻壓緊，存在漏油的可能性較大，材料的本身密度大，成本相應(yīng)增加。另外，石棉中的大量氯、鎂離子和不耐酸的缺陷，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有侵蝕，墊片切口的石棉毛刺，經(jīng)油沖刷掉渣，導(dǎo)致潤(rùn)滑件磨損，而且石棉是公認(rèn)的致癌物，已被大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)家限制使用。

（4）無(wú)石棉纖維乳膠抄取板：無(wú)石棉纖維乳膠抄取板是一種環(huán)保型高性能密封材料，是以經(jīng)過(guò)改性的植物纖維、無(wú)機(jī)纖維、硅酸鹽礦物填料為主體，以合成乳膠為彈性黏合劑，經(jīng)打漿、抄取、干燥、加壓、硫化而取得。主要優(yōu)點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度高，達(dá)到和超過(guò)300號(hào)耐油石棉橡膠板的抗拉指標(biāo)，密度低、壓縮率大、回彈率高，經(jīng)膠種調(diào)節(jié)，可分為膨脹型、耐油型、耐水型幾個(gè)品種，產(chǎn)品可以采用有機(jī)硅材料浸漬、表涂、絲印等處理，使其性能更可靠、成本適中、無(wú)污染環(huán)境問(wèn)題；缺點(diǎn)是耐溫性不高，只能在250℃范圍內(nèi)使用，耐氣密性差，不適用于無(wú)液體介質(zhì)處的密封。該種材料具有成本低、性能優(yōu)良和環(huán)保無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已經(jīng)大量地使用在汽車(chē)密封件上。

（5）無(wú)石棉耐油橡膠板：無(wú)石棉耐油橡膠板是根據(jù)石棉纖維制造橡膠板的原理，主要是以合成纖維和無(wú)機(jī)礦物纖維替代石棉纖維，以硅酸鹽類(lèi)粉狀礦物為填料，以合成橡膠、天然橡膠為彈性黏合劑，經(jīng)煉膠、開(kāi)松、混料、熱軋、硫化成型的一種新型密封材料。優(yōu)點(diǎn)是有良好的強(qiáng)度和回彈性，致密性和氣密性好于石棉基，墊片蠕變率低，耐水、油、汽介質(zhì)性能好，最高溫度可達(dá)到300℃，一般用于螺栓扭矩大、面壓較高且分布均勻的密封面，是良好的環(huán)保型材料。缺點(diǎn)是纖維含量少、材質(zhì)手感硬脆、抗拉強(qiáng)度不高、壓縮率較低、工藝復(fù)雜、成本較高。該材料是耐油石棉橡膠板的替代材料。

（6）橡膠軟木板：橡膠軟木板是特種樹(shù)木的皮內(nèi)層材料，經(jīng)粉碎與橡膠混合壓鑄或輥壓而成。優(yōu)點(diǎn)是極高的壓縮性，能滿(mǎn)足螺栓分布不均勻、密封面極不平整和面壓很低的部位密封。缺點(diǎn)是厚度大、變形大、回彈率低、耐溫性差，墊片受壓、受熱后厚度損失大，耐久性差，導(dǎo)致螺栓極易松動(dòng)而漏油，逐步被其它材料取代。

3 實(shí)例分析與解決方案

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸體、鏈條室罩蓋三結(jié)合面由于結(jié)構(gòu)特殊，對(duì)密封技術(shù)要求更高。如果密封不好，很容易造成機(jī)油泄漏，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。同時(shí)滲漏的機(jī)油滴到其它零部件上，會(huì)影響其它零部件的正常工作。例如機(jī)油滴到發(fā)動(dòng)機(jī)多楔帶上，多楔帶會(huì)打滑，同時(shí)其使用壽命也會(huì)受到影響。

某研發(fā)階段四缸柴油機(jī)（主要參數(shù)見(jiàn)表1）在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)排氣側(cè)缸蓋、缸體、鏈條室罩蓋三結(jié)合面處滲漏機(jī)油現(xiàn)象頻繁，耐久試驗(yàn)中滲漏現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鏈條室罩蓋螺栓扭矩衰減嚴(yán)重。

在裝配鏈條室罩蓋時(shí)，首先在三結(jié)合面處涂密封膠，然后裝配鏈條罩蓋墊片，最后裝配鏈條室罩蓋并擰緊螺栓。經(jīng)分析，造成三結(jié)合面處機(jī)油滲漏的原因主要有以下幾個(gè)因素。

（1）該發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條室罩蓋墊片采用無(wú)石棉耐油橡膠板材料。無(wú)石棉耐油橡膠板一般用于螺栓扭矩大、面壓較高且分布均勻的密封面。其缺點(diǎn)是纖維含量少、材質(zhì)手感硬脆、抗拉強(qiáng)度不高、壓縮率較低、工藝復(fù)雜等。而該發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條室罩蓋螺栓的擰緊扭矩較小，且該發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋與缸體裝配在一起后，缸體較缸蓋前端面伸出量不同，鏈條室罩蓋墊片裝上后，形成區(qū)域A，如圖2所示。雖然在區(qū)域A作涂膠處理，但當(dāng)鏈條室罩蓋螺栓擰緊后，鏈條室罩蓋墊片由于壓縮率較低，以及試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生蠕變，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中螺栓扭矩衰減嚴(yán)重，最終導(dǎo)致此處密封失效，機(jī)油從區(qū)域A處發(fā)生泄漏。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖1 三結(jié)合面處機(jī)油滲漏情況

圖2 缸蓋、缸體前端伸出量示意圖

（2）鏈條室罩蓋墊片內(nèi)外側(cè)分別涂有密封線(xiàn)，在裝配發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，三結(jié)合處按要求涂密封膠。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，右側(cè)密封膠不能對(duì)墊片產(chǎn)生支撐作用，導(dǎo)致左側(cè)區(qū)域B處的面壓偏小，最終發(fā)生側(cè)漏，如圖3所示。

（3）三結(jié)合面處所涂密封膠黏附力差。在試驗(yàn)過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及機(jī)油不斷沖擊，再加上高溫及受力不均等因素影響，密封膠與墊片、缸蓋、缸體脫離，機(jī)油從膠與墊片、缸體、缸蓋間的縫隙處滲漏。

圖3 三結(jié)合面涂膠示意圖

（4）鏈條室罩蓋墊片強(qiáng)度低，由于受密封膠擠壓，受力不均，在密封線(xiàn)處容易被壓潰，從而導(dǎo)致密封失效，如圖4所示。

圖4 鏈條室罩蓋墊片壓潰示意圖

（5）鏈條室罩蓋與缸蓋在三結(jié)合面處的重合寬度太小，其它三結(jié)合面處寬度為13mm，而此處只有8mm，從而造成密封面過(guò)小，最終導(dǎo)致密封效果不理想。

3.1 解決方案

經(jīng)過(guò)分析，借鑒其它發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)墊片及密封膠作如下改進(jìn)及驗(yàn)證。

圖5 鏈條室罩蓋三結(jié)合面密封改進(jìn)對(duì)比

（1）將鏈條室罩蓋墊片由無(wú)石棉耐油橡膠板材料改為金屬加橡膠包邊結(jié)構(gòu)墊片，見(jiàn)圖5。該結(jié)構(gòu)墊片優(yōu)點(diǎn)為：①金屬墊片比橡膠板剛度好，螺栓擰緊后，螺栓扭矩衰減明顯減輕，從而可以保證足夠的面壓；②三結(jié)合面處橡膠墊部分與該處所涂密封膠間彈性接觸且多重密封，這樣就大大加強(qiáng)了三結(jié)合面處的密封性，圖5b中箭頭所指為機(jī)油滲漏方向；③所用墊片為金屬骨架支撐加橡膠包邊結(jié)構(gòu)，金屬骨架厚度可以保證橡膠壓縮率，同時(shí)保護(hù)橡膠不被壓潰；④由于有金屬骨架支撐，使整個(gè)平面面壓比較均勻，不存在左側(cè)密封壓力低的問(wèn)題。

圖6 耐久試驗(yàn)后三結(jié)合面無(wú)機(jī)油滲漏跡象

（2）由于原密封膠在高溫、機(jī)油等環(huán)境中的黏附力及密封性不理想，將所涂密封膠替換為樂(lè)泰5900膠。試驗(yàn)結(jié)果表明，樂(lè)泰5900膠結(jié)合力強(qiáng)于原密封膠，且凝固后彈性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于原密封膠，因此密封效果優(yōu)于原密封膠。

對(duì)鏈條室罩蓋墊片結(jié)構(gòu)及密封膠進(jìn)行改進(jìn)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，三結(jié)合面處的滲漏問(wèn)題得到解決。圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)1 000 h耐久試驗(yàn)后，該三結(jié)合面處未發(fā)生機(jī)油滲漏現(xiàn)象。

4 結(jié)論

汽車(chē)密封材料是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料，也是要求最苛刻的材料，發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能是評(píng)價(jià)汽車(chē)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。汽車(chē)運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)工作介質(zhì)的泄漏，直接影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，從而使汽車(chē)整體性能下降。由于密封不良，泄漏介質(zhì)會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，同時(shí)環(huán)境中的塵、泥、水侵入發(fā)動(dòng)機(jī)，也會(huì)使零件過(guò)早磨損而報(bào)廢[2]。因此，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的密封技術(shù)和密封材料的研究是一項(xiàng)非常重要而有意義的工作。

[1]施中堂.發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)與密封材料研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2004（4）.

[2]周宇飛，楊彬.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)和密封材料的應(yīng)用[J].汽車(chē)工藝與材料，2004（12）.

ImprovementofEngine Three Binding Surface Sealing Technology

Xing Zhengshuang,Zhang Zhaom ing,Xing Dongshi,Qin Fenglian
（SAICGroup Co.,Ltd,Technicalcenter/ShanghaiAutomotive Powertrain Key Laboratory, Shanghai201804,China）

Oil leakage from cylinder,block and chain cover binding surface on the four-cylinder engine which is in developmental stages often happen when the engine is in the process of bench test.By analysis,we found that themain reasons for the oil leakage were design defects,material of gasket and sealantcan notsatisfy the sealing requirement.The solution is to change the structure ofgasketandmodelof sealant.The improvementeffectively solved theoil leakage.

engine,three binding surface,sealing technology,leakage

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.003

來(lái)稿日期：2016-06-21基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（14DZ2260600）

邢正雙（1982-），男，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)試制工藝。