发动机缸盖垫片的发展和研究

谢苏江，陈蓉蓉

(华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237)

0 引言

发动机作为汽车和动力机械的心脏，其密封效果直接影响发动机长期稳定运行。传统的发动机密封主要包括一般的中低温、中低压的油、气、液密封，高温度、高压力波动的气缸密封及高温、低压、高谐波振动的排气管密封。

发动机缸盖垫片位于气缸盖与气缸体之间，其功用是保证缸体和缸盖结合面处有良好的密封，保证燃烧室的密封，同时防止发动机漏水和漏油。发动机工作过程中，缸内压力大、排气温度高，热应力和压应力变化频繁，工作条件恶劣。于此同时，缸盖和缸体随着这些变化发生压缩、拉伸、绕曲、振动等，这些都需要缸盖垫片来承受、调整和补偿，以保证发动机正常工作。发动机缸盖垫片密封作为整个发动机密封的核心，起到密封燃气、冷却液、机油、外部灰尘等多种介质的作用，同时承受着不断变化的高温、高压和载荷，一旦发生失效，将导致漏气、漏水、烧蚀等后果，严重影响发动机的工作[1]。

1 发动机缸盖垫片结构和发展

1.1 缸盖垫片结构发展情况

发动机缸盖垫片的材料、结构和密封机理的每一步发展无不与发动机排放标准的加严、发动机爆发压力的提高及可靠耐久要求不断提高息息相关[2]。发动机缸盖垫片的结构形式从最初的单层铜板垫片到石棉、非石棉、石墨复合板垫片，再到多层、单层金属垫片，发展到现在的单层金属和橡胶结合及单层和多层金属混合设计的垫片。目前发动机缸盖垫片按其结构形式来区分，主要有三大类型：石墨复合板缸盖垫片、复合板缸盖垫片和金属缸盖垫片[3]。

非金属及其与金属复合缸盖垫片尽管具有较好的适应性，但机械性能和耐热性能较差，易变形，持久密封性能难以保证[4]。金属缸盖垫片一般以多层金属板铆接、激光焊接等方式组合而成。从层数上可分为多层金属垫片(≥2层金属板)、单层金属垫片及单层和多层金属复合设计的垫片。其压紧厚度极易控制，耐久可靠、厚度均匀、热传导性好，可以减少缸盖与缸体的压紧负载、缸盖与缸体的结构变形，以及减少螺栓扭矩的损失。此外，金属缸盖垫片具有很高的刚性，尤其适用于结构紧凑的发动机缸盖和缸体密封。因此，金属缸盖垫片得到越来越多的应用。图1是发动机缸盖垫片种类随着时间的变化情况，很显然，金属缸盖垫片应用比例上升非常明显，其余都呈下降趋势。

1.2 金属缸盖垫片的主要结构

金属缸盖垫片主要由功能层、限位层和距离层构成，以适应更高的燃烧压力及热负荷要求，其结构[2]如图2所示。功能层是缸盖垫片实现密封功能的主要结构，其上分布着全波纹和半波纹的凸筋结构；距离层一般位于缸盖垫片的中间，用来调整气缸垫的厚度，以满足发动机压缩比的要求；限位层通常布置在气缸口，用来调整缸盖垫片面压的分布；全波纹凸筋为密封缸内高温高压燃气的主要结构；半波纹凸筋为密封冷却液和润滑油的主要结构；非金属涂层用于弥补缸体和缸盖表面的微观不平度，提供可靠而有效的微观密封。

全波纹凸筋和半波纹凸筋是缸盖垫片上最主要的密封结构，也是最容易出现损坏的部位，主要布置在功能层上。缸盖垫片工作时，会受到来自缸体、缸盖多个方向的力作用。根据作用力和反作用力的原理，缸盖垫片同时会产生反作用力作用于缸盖和缸体，起到密封作用。全波纹凸筋的作用力要大于半波纹凸筋的作用力，因而全波纹凸筋布置在对密封要求更为严格的气缸口周围，半波纹凸筋布置在缸体和缸盖的水腔和油道周围。

2 金属缸盖垫片性能研究进展

发动机金属缸盖垫片的性能研究主要包括试验研究和数值模拟2部分。试验研究主要以缸盖垫片的压缩回弹性能和密封性能为主，并通过面压纸进行面压分布试验来分析缸盖垫片应力的分布情况。数值模拟则主要是从各个影响密封性能的因素出发，通过有限元等数值仿真技术研究预紧或者其他工况下影响密封的主要原因，以便对缸盖垫片进行失效分析、结构优化和改进。

2.1 金属缸盖垫片的试验研究

连接系统一般需要具有良好压缩回弹性能的垫片，以确保表面形成初始密封，并通过垫片的弹性回复来减小垫片和上下表面间的微小间隙、增大介质泄漏阻力来达到密封的效果。因此，连接的密封性能很大程度上取决于垫片的压缩回弹特性。传统的发动机缸盖垫片压缩回弹性能研究方法与一般的密封板材压缩回弹性能研究类似。邓海金等[5]从循环往复的试验条件出发，研究了柔性石墨缸盖垫片复合板材在不同压缩应力下的压缩回弹特性，获得了复合板材压缩率与回弹率的最佳配合。而对于金属缸盖垫片，目前大多采用变形控制试验，研究不同变形量下垫片的压缩回弹曲线(如图3所示)，以获得金属缸盖垫片的弹性模量，从而进行相应的数值分析并确定适宜的压紧载荷。除此之外，采用感压试纸可以直观方便地测定缸盖垫片上的面压分布(如图4所示)，来确定组件的应力状态，使得螺栓预紧力、接触压力等体现得更加明显，有助于整个组件和系统的测试。这在缸盖垫片的试验研究中已获得了广泛应用。

在发动机运行过程中，即使少量的气体泄漏也会影响发动机的整体性能，因此缸盖垫片的密封性能至关重要。但是，由于发动机缸盖垫片结构的复杂性，目前对其密封性能的研究十分缺乏，大多只能进行出厂的型式检验及实际的发动机台架试验，没有完善的缸盖垫片试验标准和专用的试验台架。

目前，对于发动机缸盖垫片的试验研究大部分是在常温环境下进行的，而且是静态试验，不能代表缸盖垫片真实工作状态。建立合理的试验研究平台和试验标准，制定系统可靠的评定和预测规范是缸盖垫片试验研究的关键。

2.2 金属缸盖垫片的数值分析

除了试验研究之外，对于发动机金属缸盖垫片，国内外更多以数值模拟为主要研究手段。以有限元分析软件为平台，采用静态仿真和准动态性能仿真，计算分析缸盖垫片与缸盖、缸体接触面上的接触压力，密封垫上功能元件的受力情况，密封垫的密封性能，密封垫的抗撕裂性能(疲劳寿命)，密封所需要的最小螺栓预紧力等。

LI J、LEE C C等[6-7]采用有限元分析(FEA)方法模拟缸盖垫片上的接触压力分布，及在不同负载条件下，根据不同的结构面积导入相应的压缩回弹曲线，最后在螺栓预紧力的条件下，分析多层金属缸盖垫片的密封性能。结果表明，缸盖垫片的密封效率取决于压紧螺栓的拧紧扭矩。与此同时，KUMAR D V、DISHAW R D等[8-9]采用有限元数值计算方法，研究了不同载荷条件下，如冷装、热装、冷起动和热起动时，缸盖垫片接触压力的分布和缸盖应力。也得出相同结论，即在不考虑缸盖温度分布引起的热应力情况下，缸盖垫片的密封效率取决于压紧螺栓的预紧力。指出为了避免发动机排出的气体影响发动机在运行过程中的整体性能，适当的螺栓预紧力和垫片设计是提高垫片密封效率的关键因素。然而，当考虑热负荷时，KUMAR D V等认为垫片上的最大接触压力的位置不定。

数值模拟获得的缸盖垫片应力和应变分布情况如图5所示。图中颜色越深说明应力和应变越高。相应的试验验证主要包括功能元件试验和整体组件试验两大部分。其中功能元件试验由静态试验、静态热负荷试验和动态试验组成，而整体组件试验则以压感试纸测试(面压分布测试)、组件测试、发动机台架测试、整车测试为主。缸盖垫片仿真分析和面压试验的结果如图6所示。图中颜色越深说明面压越高。通过这些数值模拟分析可以对缸盖垫片的受力、变形和密封机理有较好的认识，对于缸盖垫片的失效分析、缩短缸盖垫片产品研发周期、提高产品性能具有重大帮助。

发动机缸盖垫片的有限元研究方法中，有部分是通过改变压纹等优化结构来提升缸盖垫片密封性能的。图7所示是通过改变结构进行优化。葛玉霞、张洪超等[10-11]通过模拟整体密封结构，计算缸盖垫片与缸体、缸盖的密封接触压力，得出全压纹截面上的作用力明显大于半压纹截面的作用力，并得出全压纹布置适合对密封要求更为严格的缸口周围密封的结论。黄凤琴等[12]得出了缸盖垫片密封性能主要取决于螺栓预紧力与压纹结构，调整缸盖垫片波纹宽度和高度、增加限位结构后，缸盖垫片水腔波纹面压和线压有明显提高，并且能有效减小缸盖变形，增加缸盖垫片面压。同样针对凸筋结构，王玲芳[13]等加入了冷、热环境因素，同时考虑预紧力的衰减情况与试验对标，运用有限元方法得出，缸盖垫片设计是否合理对面压分布影响最大。其次，当温度升高后，由于热膨胀系数的差异，缸体与缸盖之间的间隙增大，需要垫片来弥补。在发动机设计中，要尽量降低缸体温度，不仅有利于密封，而且有利于减少高、低循环疲劳和缸套变形。卢学文等[14]基于非线性求解法，利用有限元软件对某款发动机变凸筋结构金属缸盖垫片的密封性进行研究，建立了缸体、缸盖垫片、缸盖螺栓等完整的简化模型，得出结论：变凸筋结构会影响缸盖垫片应力、应变分布，凸筋高度增加会增大局部应力，凸筋宽度收窄会减小局部应变。由此可见，目前的有限元分析主要针对凸筋结构改变来优化性能；但是，对于凸筋结构的优化程度及其能达到什么样的密封性能要求均只能定性分析。

3 结论

随着排放标准的提高、发动机性能参数和可靠耐久性要求的增加，金属垫片已成为发动机缸盖垫片的主要结构形式。但是，国内目前对缸盖垫片的研究相对比较缺乏，企业在缸盖垫片的设计、生产和选用主要以经验为主，缺乏从整机角度对缸盖垫片进行开发和设计；同时，对于金属缸盖垫片的性能研究目前尚不够深入，缺乏合理的试验标准和评价机制，这在一定程度上制约了发动机密封水平的提高和发展。因此，需要建立合理实用的发动机缸盖垫片性能试验方法和评定准则乃至设计选用准则，从而在缸盖垫片的设计、生产、选用、检验等各环节有合理的试验标准和质量评定准则。这对发动机金属缸盖垫片的发展和发动机整体水平的提高都具有一定的意义。