发动机气缸密封垫压纹结构对密封性能影响的研究

奚鸣杰，石秀勇，卢学文，林新昌，倪计民，张洪超

(1.同济大学汽车学院，上海 201804;2.上海兴盛密封垫有限公司，上海 201804)

前言

现代车用发动机不断追求更高的动力性、经济性和排放性能，对发动机零部件可靠性要求也越来越高。密封系统是现代高性能发动机的重要子系统，其性能直接影响着发动机的运行状况。由于发动机结构更紧凑，因此密封区域缩小;发动机的轻量化，有可能降低零件的刚度，限制了螺栓的预紧力;为减小气缸变形，在较高的爆发压力和温度下要求有新的燃烧室密封系统;为尽量减小气缸垫公差及其对燃烧室容积的影响，要求减少气缸垫的层数或降低气缸垫厚度;在不增加甚至降低螺栓预紧力的情况下，仍要满足现代发动机的密封要求，这就须开发带有特殊密封结构的气缸密封垫，储存更多的能量以改善密封［1］。

目前国内在发动机气缸密封垫结构方面的研究较少，对于气缸密封垫上压纹结构的研究则更少。本文中在研究气缸密封垫整体密封性能的基础上，应用试验设计(DoE)方法［2］对压纹结构的密封性能做了进一步的研究。

1 发动机气缸密封垫

本文的研究对象是多层金属气缸密封垫，该气缸密封垫主要是由带有压纹结构和橡胶涂层的功能层、带有挡板结构的挡板层和附加层构成［3］，结构如图1所示。功能层一般由弹性不锈钢制成，压纹结构可把螺栓预紧力转化为密封压力以实现二级动态宏观密封;橡胶涂层和缸盖与缸体结合表面充分接触，可以实现微观密封;挡板层上的挡板结构一般主要集中在发动机气缸口附近，使各层上的密封结构得到更好的匹配，同时通过挡板自身的高度实现一级宏观密封［4］。

通过改变多层金属气缸密封垫上的压纹结构和尺寸来满足发动机密封系统对气缸密封垫的总体要求及其各密封部位对面压的不同要求。按照各自结构设计的不同又可分为半压纹和全压纹两种形式，如图2所示。影响压纹密封特性的因素有:(1)几何尺寸(压纹高度h、宽度l、坡角α和功能层厚度d);(2)功能层使用的材料。

压纹结构将螺栓力由面压力转换为密封线压力，因而提高了局部密封压力。功能层使用的材料一般都是弹性较好的钢板，当压纹受压时，全压纹产生4条高压力线;半压纹产生2条高压力线［5］，如图3所示。

根据不同密封位置的不同密封要求，可以设计出多种几何尺寸的压纹结构，它们具有确定的负载特性和恢复特性。按照零部件的刚度、所使用的材料、螺栓力和安装位置不同，选择较软或较硬的压纹。一般带有压纹结构的气缸密封垫相对于不带压纹结构在弹性恢复性能上有明显改善，通常会按照主机厂对密封性能要求的不同，采用不同的压纹组合形式。

2 气缸密封垫整体有限元分析

气缸密封垫整体有限元分析主要包括4个步骤:建立三维实体模型;实体模型结构离散化;定义边界条件;有限元计算分析。

根据气缸密封垫二维工程图纸，在UG中建立气缸密封垫三维实体模型;在Hypermesh中进行实体离散化;在ABAQUS中建立材料、接触、约束等边界条件，施加螺栓预紧力并进行有限元计算［6］。

2.1 气缸密封垫上密封压力分布

根据第四强度理论，采用Von.Mises应力作为材料发生屈服破坏的判断准则，分析气缸密封垫应力集中和密封性能［7］。气缸垫的Von.Mises应力云图如图4所示。由图可见:压力主要分布在气缸缸口、螺栓孔和冷却液润滑油通道周围的压纹面上，且密封压力从半压纹到全压纹呈逐渐变大的趋势。

2.2 试验验证

根据主机厂要求，在面压试验台上对该款气缸密封垫进行面压试验，具体试验流程如图5所示。

按照发动机气缸密封垫片技术条件［8］对面压试验结果做进一步分析，并与计算值进行比较，结果如图6所示。试验得到的气缸密封垫上的压力分布规律与有限元计算得到的压力分布规律基本吻合，按要求取点对比分析，结果见表1。有限元分析结果与仿真计算结果基本相符，证实了仿真计算的准确性，根据主机厂对垫片缸口压力p≥50MPa的要求，该款气缸密封垫在螺栓预紧力作用下能满足静态密封要求。

表1 试验值与计算值对比

3 基于DoE的压纹结构密封性能研究

将DoE试验设计引入到气缸盖密封垫压纹结构的仿真计算中，通过对仿真中的数据样本进行合理的规划设计，在保证模型标定正确的前提下，减少仿真计算次数，提高压纹结构优化设计的效率。

在对气缸密封垫整体分析的基础上，建立压纹密封结构的截面模型，对全压纹和半压纹截面结构进行有限元分析。以压纹结构密封压力为优化目标，结构参数为寻优变量，结构参数取值范围为约束条件［9］，运用DoE试验设计软件 OPTIMUS分析优化目标和寻优变量之间的关系。

3.1 全压纹和半压纹有限元分析结果

全压纹和半压纹的Von.Mises应力等值线图如图7所示。由图可见:全压纹结构产生4个高线性密封压力，半压纹产生2个高线性密封压力;全压纹截面上的作用力明显大于半压纹截面的密封压力，因此全压纹主要布置在对密封要求更为严格的气缸口周围。

3.2 基于DoE的压纹密封压力响应曲面模型的建立

3.2.1 全压纹密封压力Kriging响应面的建立

在气缸密封垫的初期设计过程中，考虑到气缸密封垫厚度对整机压缩比的影响，先确定压纹结构高度，然后再按照需求对全压纹结构宽度和角度进行优化设计。本文中按照发动机气缸密封垫技术条件，选择3个高度，分别分析密封压力与压纹坡角和压纹宽度之间的关系。

基于DoE方法选取关键设计参数并确定宽度和角度变化步长分布，采用拉丁超立方试验设计法规划仿真试验并进行有限元分析计算。根据仿真结果，以R-Square为评价指标［10］，选用拟合度最高的Kriging模型［11］进行数学建模，Kriging模型拟合出全压纹密封压力与结构参数的响应曲面如图8～图10所示。

基于建立的Kriging响应面模型以全压纹密封压力的最大值为优化目标，采用EGO(全局寻优算法)和NLPQL(非线性二次规划法)［12］对最优值进行预测。利用ABAQUS仿真计算对预测值的验证结果表明，响应曲面拟合精度较高，如表2所示。

3.2.2 半压纹密封压力RBF响应面的建立

影响半压纹密封压力的主要结构参数是半压纹高度和宽度。根据内燃机气缸密封垫技术条件确定结构参数取值范围和步长，采用拉丁超立方试验设计法规划仿真试验并进行有限元分析计算，并应用RBF(径向基函数算法)［13］对仿真数据进行拟合，半压纹的密封压力与结构参数之间的拟合曲面如图11所示。

基于建立的RBF响应面模型以半压纹密封压力的最大值为优化目标，采用EGO(全局寻优算法)和NLPQL(非线性二次规划法)［11］对最优值进行预测。ABAQUS对预测值的验证结果表明，RBF响应曲面拟合精度较高，如表3所示。

表2 全压纹模拟计算与拟合值的对比

表3 半压纹模拟计算与拟合值的对比

3.3 Kriging和RBF响应面在压纹结构设计中的作用

Kriging响应面模型能够很好地模拟压纹密封压力同结构参数之间的关系。这种采用ABAQUS和OPTIMUS联合计算的方法缩短了仿真计算的时间。

在全压纹的结构设计中，高精度的响应曲面可以为仿真计算提供导向作用。例如图8中的A区域属于密封压力较小的区域，在气缸密封垫全压纹的设计过程中，尽量不选择该区域内的角度和宽度数值。在满足与气缸盖、气缸体匹配的前提下，尽量选择图8中B区域内的结构参数，为密封区域提供更大的密封压力。

而在半压纹结构参数的选择过程中，以RBF响应曲面模型为基础，在满足主机厂对结构参数要求范围之内，可以按照半压纹密封压力与结构参数之间的响应面来筛选满足密封要求的最佳结构参数。

4 结论

对气缸密封垫三维模型进行了有限元分析，分析结果和试验结果的误差在工程许可范围之内，表明该气缸密封垫在螺栓预紧力作用下能满足静态密封要求，同时也验证了有限元模型的正确性。

将气缸密封垫实体和截面的有限元分析结合起来，对气缸密封垫压纹结构进行初步优化，提高了有限元分析效率，缩短了气缸密封垫整体有限元分析时间。

将DoE方法应用到压纹结构的计算中，运用OPTIMUS拟合出压纹密封压力与压纹结构参数之间的响应曲面，在气缸密封垫压纹设计过程中，可按照所需密封压力，结合整机对气缸密封垫布置的要求，在拟合曲面上选取合理的设计参数。这样不仅大大缩短了仿真计算的时间，还为优化计算指出了方向。

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