排气管多层复合垫片密封性研究

0 引言

发动机密封性是评价发动机性能的一个主要指标，随着发动机转速和功率的提升，对发动机密封性的要求也随之提高。由于发动机各部分之间的接触面存在一定的粗糙度，直接接触往往不能得到良好的密封效果，所以一般在密封面之间添加一个密封垫片，来达到更好的密封效果。目前，发动机密封性的研究大多关注于机体和缸盖之间的密封，并且取得了很好的进展。比如，朱晓玲[1]运用Abaqus软件分析了某型号发动机气缸垫片在预紧力载荷、气缸爆发压力载荷和热载荷作用下的压力分布情况；杨陈等[2]将有限元仿真技术应用到发动机稳态传热和热机耦合分析中,分析了在热应力工况下温度场对发动机密封性的影响；葛玉霞等[3]也研究和探讨了有限元分析方法在汽车发动机钢质气缸垫密封性仿真分析中的应用，并且提出了相应的改进措施。而对于缸盖和排气管之间的密封性研究比较少,对于多层复合垫片的密封性研究则少之又少。根据赵春梅[4]的研究，垫片密封失效主要表现在密封面间的泄露。作者通过使用Abaqus软件对缸盖—密封垫片—排气管组合件进行螺栓预紧力下的有限元分析，得出了密封垫片上的压力分布，对多层垫片密封性进行了评估。

1 计算模型和边界条件

1.1 有限元模型

根据缸盖和排气管的装配关系，计算模型主要包括缸盖、垫片、排气管和螺栓4个部分。为减少计算量，节约计算时间，从整个装配模型中截取了一个缸盖和排气管进行分析计算。机体各部件材料属性如表1所示，装配有限元模型如图1所示。下垫片，中间为中垫片。

表1 材料属性
Tab.1 Material property

注：定义贴近缸盖的垫片为上垫片，贴近排气管的垫片为

图1 装配有限元模型
Fig.1 Finite element assemblage model

首先使用Hypermesh软件对模型进行网格划分，缸盖、排气管和螺栓使用线性六面体实体网格单元。垫片在厚度上表现为非常强的非线性特性，若使用各项同性的实体网格来模拟就会失去厚度方向的非线性特性，对计算结果产生较大影响，偏离实际[5]。因此，在本次研究中使用了Abaqus专门的垫片单元来模拟垫片结构[6]，在厚度上只需要一层单元，如图2所示，单元在厚度方向上的非线性特性通过定义垫片在厚度方向上的压缩特性曲线来体现[1]。

图2 垫片模型
Fig.2 Finite element gasket model

垫片的压缩特性曲线通常由实验来获得，研究中所用垫片为多层复合垫片，本体为钢质垫片，在冷却水道口有一道硅橡胶垫圈。钢质气缸垫具有强度高、耐热性能和抗腐蚀性好等优点[7]；硅橡胶垫圈具有良好的耐高温性、耐低温性和耐溶剂性等优点[8]。硅橡胶垫圈压缩特性曲线如图3。

通常，钢质垫片会在排气口周围冲压出一定高度的突筋，利用突筋的变形来保证排气口的密封。但是突筋的高度相比于垫片厚度非常小，如使用实际的模型则必须加密网格，导致网格数量增大，增加计算成本，而且容易产生发散。在这个问题上，仿照葛玉霞等在发动机气缸垫密封性有限元分析中的处理方法[3]，将突筋区域与基本体区域切分开，分别定义截面属性，如图4所示为实际模型，图5所示为处理之后的模型。突筋压波部位压缩特性曲线如图6所示。由于没有针对钢质翻边的特定垫片单元，所以在本次研究中将其定义为弹塑性材料。

图3 硅橡胶压缩特性曲线
Fig.3 Performance characteristics of rubber seals under compressure

图4 垫片突筋实际模型
Fig.4 The practical model of gasket flange

图5 突筋处理之后的模型
Fig.5 The analysis model of gasket flange

图6 压波部位压缩特性曲线
Fig.6 Performance characteristics of gasket waves under compressure

1.2 边界条件

边界条件首先要正确真实地反映部件实际工况下的约束情况，其次使模型尽量简化，避免因计算不收敛，得出的计算结果不准确。

本模型根据实际情况，为得到较好的收敛性，约束了缸盖端面6个自由度，定义螺栓与缸盖等之间的互相接触面为面—面接触，绑定（tie）接触类型，其他接触面接触类型为面—面接触或小滑移（small sliding）接触。具体接触类型如表2。

表2 各接触面接触类型
Tab.2 Contact type of each contact pair

1.3 载荷条件

按照排气管装配技术条件，排气管螺栓以80 N·m的扭矩分次均匀把紧,由此可以算出预紧力。

根据资料查得预紧力计算公式如下：

其中：T——螺栓的预紧力矩；d2——螺纹中径，ψ——螺纹升角；ρ′——动摩擦角；fc——动摩擦系数；D1——螺母接触面的外径；d0——螺母接触面的内径，Qp——预紧力。

由上式计算出：预紧力Qp=40 512 N。在有限元计算中，使用预紧单元给螺栓施加预紧力。

2 计算结果及分析

指定分析类型为非线性静态分析。因为模型具有高度的非线性特性，计算时初始时间步长需要取比较小的值，本次研究中取0.01，并且使用自动时间步长增量，使系统可以自动调整时间步长，节约计算时间，然后运行并完成计算。

密封圈的密封能力一般可以用接触应力的大小来评价。根据力的平衡原理，密封结构确保密封的必要条件是密封垫上的接触应力大于密封圈的内外压差。保守考虑，一般取安全系数1.5～1.8[9]。

2.1 垫片压波应力和变形

垫片接触面压应力如图7所示。从图7中可以看出，垫片的应力主要集中在突筋区域，在其他部位没有接触应力存在。因此可以推断，垫片密封主要靠突筋来实现 （由最后的计算结果可以看出，密封垫压缩量0.27 mm小于突筋的高度0.30 mm，所以在密封垫的本体上没有接触应力存在，这也证实了密封垫的密封效果主要依靠突筋的变形的结论），突筋上形成了一个连续的密封环带，最大压应力为362 MPa，最小压应力为322 MPa，压力分布比较平均，可以保证密封良好。提取突筋向上面的接触应力分布如图8所示。从图8中可以看出最小值大概出现在90°和270°附近 （周向0°点规定如图7所示，角度沿顺时针方向递增），两个最低点接触应力值分别为322 MPa和329 MP。

图7 垫片压波接触应力云图
Fig.7 Contact stress cloud chart of wave

图8中，290°附近的最低压应力比110°附近稍低，这是由于在垫片的左侧冷却水道口有一个橡胶垫圈，受螺栓预紧力压缩，抵消了一部分的预紧力，从而减小了这个位置的压应力。

图8 应力在突筋上的分布情况
Fig.8 Contact stress distribution on ribs

2.2 垫片应力和变形

垫片接触应力云图和面压在垫片突筋处的分布情况如图9、图10所示。从图9中可以看出，应力主要集中在与突筋接触的部位，而其他部位为0，这也与上文推断的垫片密封主要靠突筋实现的结论相符。突筋压缩垫片产生的压应力大都分布在240～321 MPa之间。从图10中可以看出，应力最小值为320.28 MPa，即突筋压在垫片上，形成了一个320 MPa的密封环带。垫片突筋处的压力分布和突筋的接触应力分布形状相似，只是幅值不同。这是由于突筋压在垫片上，垫片产生了一定的弹性形变，这种形变的反作用力抵消了一部分螺栓预紧力，使得垫片上的接触应力相比突筋要小。

图9 垫片接触应力云图
Fig.9 Contact stress cloud chart of gasket

图10 应力在垫圈上的分布情况
Fig.10 Stess distribution on gasket

垫片压缩变形量如图11所示。从图11中可以看出，冷却水口左侧垫片变形量相对其他部分要小，这是因为距离螺栓较远，且橡胶密封圈具有一定弹性。而排气口左侧有一狭窄区域变形量也相对较小，位置大概是270°到300°之间，反观图8应力在垫圈上的分布情况，在此区域的接触应力相对于其他部位小得多。因此，综合考虑，若在实验过程中出现排气泄漏情况，则有可能是此区域接触应力不足导致，原因可能是突筋在生产过程中产生了较大误差，或者在装配过程中突筋相对位置发生了位移。

图11 垫片变形
Fig.11 Displacement of gasket

2.3 橡胶垫圈应力

橡胶垫圈在螺栓预紧力下的应力云图如图12所示，提取橡胶圈上的接触应力如图13所示。结合图13可以看出，应力较大区域为35°～100°，较小区域为225°～300°，最小值大概出现在255°附近（周向0°点规定如图12所示，角度沿顺时针方向递增），最低点应力值为2.93 MPa。该发动机冷却水压为 1.5 MPa，n=Pmin/(Pw-Pg)=2.09＞1.8，可以满足密封要求。

图12 橡胶垫圈的应力云图
Fig.12 Contact stress cloud chart of rubber seal ring

图13 应力在橡胶垫圈上的分布情况
Fig.13 Contact stress distribution on rubber seal ring

从图12中可以看出，橡胶垫圈右侧的应力稍微比左边大，这是由于右侧更靠近螺栓，在螺栓预紧力作用下，螺栓中间位置的突筋和橡胶垫圈被压缩，两侧就有向上翘曲的趋势，这也使得左侧的应力和变形要稍小于右侧，而且越靠近螺栓应力和变形也就越大。所以，若橡胶老化产生冷却水泄漏情况，则有可能是左侧压力变小，不能达到密封性条件，导致密封性变差。

3 结论

通过使用Abaqus软件计算排气管多层复合垫片的应力分布，分析其密闭性，得出以下结论：

（1）垫片突筋是主要应力部位，是影响密封性的主要因素，排气管的密封性也主要依靠垫片突筋的弹性变形。螺栓预紧力过小会导致接触应力不足，造成密封性不好，而过大会导致突筋应力集中产生塑性变形，影响其封闭性，所以要适当选取，既满足垫片密封性的要求，又不至于过大对垫片造成破坏。

（2）在当前螺栓预紧力装配要求下，可以满足对于排气管密封性和冷却水口密封性的要求。

（3）在研究部件封闭性时，由于垫片具有非常强的非线性特性，使用Abaqus的垫片单元来代替普通实体网格单元，既贴近实际情况，防止计算不收敛，又可以大幅度节约计算量，节省计算时间。

（4）通过对垫片进行有限元计算分析，可以在产品开发初期发现问题，从而节约开发周期，节省开发成本，提高产品质量。