汽油發動機缸體主油道堵頭漏油分析與診斷

何將慶，秦亮，廖長青

（寶雞吉利發動機有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 前言

汽油發動機缸體主油道漏油是影響發動機性能和整車性能的重要問題之一。漏油會造成機油壓力下降，過低的機油壓力使得各潤滑副之間不能形成有效的潤滑油膜，加劇潤滑副的磨損，嚴重的會導致曲軸、連桿軸瓦的燒結，發動機抱死、無法啟動。汽車市場上頻繁出現漏油事件，其中很多都是從主油道漏出的，如圖1所示。

主油道漏油一般是堵頭密封不良引起，汽油發動機主油道堵頭密封形式主要有碗型塞、螺紋堵頭和鋼球三種，根據不同的工藝孔直徑和油壓選擇合適的密封方式。主油道孔直徑一般為10-20mm，從工藝和成本考慮，普遍采用碗型塞密封。但由于發動機工作條件惡劣，尤其是堵頭所在缸體表面靠近排氣歧管這個最大熱源，溫度變化很大，熱脹冷縮嚴重，碗型塞壓入工藝設計不好很容易導致漏油發生。

圖1 主油道堵頭漏油

本文深入分析了鋁制缸體主油道碗型塞漏油路徑形成的詳細過程和原因，并提出了工藝改善對策，力求徹底解決主油道漏油問題。

2 失效模式分析

碗型塞密封原理如圖2所示，通過堵頭（鐵制）和油道孔（鋁制）的過盈配合外加厭氧型密封劑實現主油道密封。原理雖然簡單，但由于壓入好壞一般只能通過破壞檢查判斷，很難發現，一旦出現就是批量不良。

圖2 碗型塞密封原理

密封不良的失效模式最常見的有4種：堵頭壓偏、堵頭和油孔之間有貫通傷痕、密封劑涂布不良、堵頭或缸體主油道孔尺寸不良。其中最主要、最難解決的是堵頭壓偏造成的失效，占比高達76%。本文主要對該失效模式進行解析。

2.1 堵頭壓偏原因分析

堵頭正常壓入油道孔時，兩者軸線基本重合，堵頭對整個主油道孔施以均勻地擠壓力。由于堵頭為鐵制件，硬度相對鋁制的油道孔高，壓入時擠壓力造成孔壁變形，形成有效密封。堵頭擠壓孔壁時會在孔壁上產生細小的刮痕，厭氧型密封劑會滲入其中保證密封，所以正常壓入時不會有漏油發生。正常壓入的過程如圖3所示。

圖3 堵頭正常壓入

正常壓入形成的壓痕如圖4所示，孔壁壓痕非常均勻。

圖4 堵頭正常壓入形成的壓痕

堵頭壓偏則有兩種情況：第一種是堵頭和主油道孔軸線平行但有較大偏移量（偏心壓入），第二種是堵頭和主油道孔軸線交叉（傾斜壓入）。盡管各主機廠壓入工藝和設備各有不同，但壓偏的方式基本是這兩種。下面詳細分析兩種情況下堵頭壓偏的失效過程，如圖5、圖6所示。

圖5 偏芯壓入

圖6 傾斜壓入

從以上兩個過程不難看出：

（1）兩個過程最終表現都是堵頭偏斜入孔，使得原本堵頭外圓和主油道孔壁形成的面密封變成點密封，密封性下降，造成漏油；

（2）傾斜壓入是偏心壓入的后期表現，更易造成漏油。

在發動機實際運轉中，堵頭與缸體結合處反復熱脹冷縮，溫差很大，漏油更容易產生。

堵頭壓偏形成的壓痕如圖7所示：

圖7 堵頭壓偏形成的壓痕

仔細分析圖5壓入過程，可以發現當存在偏心壓入時，壓入深度和密封性存在一定的關系。當下壓初期的時候，堵頭外圓和孔壁能保證正常的過盈配合，但到達一定的位置后，由于孔壁和壓頭的作用力，繼續下壓可能造成堵頭變形，過盈量變小，密封性變差。簡言之，壓入深度并非越深越好，壓入過深，導致過盈量變小、密封性變差的可能性也增大。

由公式：

式中：

e－過盈量

Pf / S－結合面壓入力

Df－結合直徑

Ea－彈性模量

Ca－堵頭與孔的尺寸參數，可查表。

可知，過盈量e與壓入力Pf成正比，而壓入力越大，拔出力相應越大，所以拔出力與過盈量正相關，過盈量越大，密封性越好。

圖8的實驗曲線驗證了壓入深度與拔出力的關系。從該圖可以看出，壓入深度為 1.7mm的拔出力較壓入深度為0.7mm的拔出力低了 100N。也就是說，壓入深度大小與密封性成反比，表1為壓入深度與拔出力列表。

圖8 壓入深度與拔出力的試驗分布（N=5）

表1 壓入深度與拔出力列表

為了更有效地驗證這一判斷，我們設計了加速冷熱試驗，對壓入深度和整機漏油的關系進行實機確認。圖9為試驗結果：

圖9 壓入深度與漏油循環數（N=3）

試驗條件如下：

圖10 試驗條件

由圖9可知，壓入深度為0.2mm工件在20個冷熱循環后才開始滲漏，壓入深度為1.7mm的工件在3個冷熱循環后即開始滲漏。

通過以上分析，堵頭壓偏導致漏油的原因有2點：

（1）工藝設計上，壓入深度過大，堵頭和主油道孔壁容易造成較大變形，產生壓偏；

（2）壓入設備上，經常有堵頭和主油道孔軸線不重合，出現偏心或傾斜的狀態。

2.2 堵頭壓偏對策

為了能預防和早期發現壓偏現象，提出以下改善對策：

（1）工藝設計時，在保證壓入設備工序能力的基礎上，盡可能減小壓入深度，以便最大限度吸收壓入設備偏心或傾斜帶來的影響。壓入深度下限設到0.2mm即可；

（2）對壓入設備進行良品條件管理，定期校正，保證堵頭和主油道孔在同一軸線上壓入；

（3）壓入設備追加報警裝置，當出現壓偏不良后，設備能及時報警并停止。由于堵頭壓偏后會對過盈量產生影響，可根據理論過盈量設置設備的高、低壓報警。

3 結論

通過變更工藝規格和改善制造壓入設備，形成了堵頭壓入工序的良品條件，解決了主機廠一直存在的主油道漏油問題。