唐京民++吳斌峰

摘 要：結(jié)合某自主品牌氣缸墊的開(kāi)發(fā)與試制，介紹了目前發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊的發(fā)展趨勢(shì)、主要結(jié)構(gòu)形式及試制工藝、質(zhì)量控制。對(duì)氣缸墊的研究、試制和應(yīng)用有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：氣缸墊；氣缸墊結(jié)構(gòu)；氣缸墊試制

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）01-0088-05

Research on sealing technology of metal cylinder gasket and its trial manufacture technology of gasoline engine

TANG Jing-min， WU Bin-feng

（ Technical center of Dongfeng Motor Corporation， Wuhan430058， China）

Abstract： Combined with the development and trial manufacture of an independent brand cylinder gasket， this paper introduces the current development trend of the engine cylinder gasket， main structure and manufacture process， quality control.The research， manufacture and application of cylinder gasket has the certain model function.

唐京民

畢業(yè)于南昌大學(xué)，本科學(xué)歷，目前就職于東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品試制技術(shù)與研究。

1 概述

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，發(fā)動(dòng)機(jī)性能是汽車性能優(yōu)劣的關(guān)鍵總成之一，其中密封技術(shù)是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況。本文主要結(jié)合某汽車公司自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程，介紹汽油機(jī)氣缸墊材料、結(jié)構(gòu)及其試制工藝技術(shù)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊簡(jiǎn)介及其發(fā)展方向

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊位于氣缸蓋與氣缸體之間。其功用是保證缸體和缸蓋結(jié)合面處有良好的密封，保證燃燒室的密封，同時(shí)防止發(fā)動(dòng)機(jī)漏水和漏油。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，缸內(nèi)壓力大、排氣溫度高，熱應(yīng)力和壓應(yīng)力變化頻繁，條件惡劣。于此同時(shí)，缸蓋和缸體隨著這些變化在壓縮、拉伸、繞曲、振動(dòng)等等，這些變化都需要?dú)飧讐|來(lái)承受、調(diào)整、補(bǔ)償，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

傳統(tǒng)的缸墊材料主要是橡膠和石棉，但傳統(tǒng)的材料已不能滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的要求，且石棉材料對(duì)人體以及環(huán)境都會(huì)造成很大的危害，已逐步被淘汰。金屬氣缸墊一般以多層金屬板通過(guò)鉚接、激光焊接等方式組合而成，金屬表面涂硅氟橡膠。其最大優(yōu)點(diǎn)是壓緊厚度極易控制、耐久可靠、厚度均勻熱傳導(dǎo)性好，可以減少缸體與缸蓋的壓緊負(fù)載、結(jié)構(gòu)變形及螺栓扭矩的損失。表面涂覆硅氟橡膠，則可以彌補(bǔ)因缸體缸蓋加工精度不足導(dǎo)致的漏油、水、氣的密封缺陷，使之具備更合理的整體密封性[1]。

隨著目前發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高以及大功率、高轉(zhuǎn)速、低排放和增壓技術(shù)的發(fā)展，全金屬氣缸墊的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)表現(xiàn)的日益突，已經(jīng)迅速被國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠推廣應(yīng)用。

3 金屬氣缸墊主要結(jié)構(gòu)

3.1 金屬氣缸墊結(jié)構(gòu)形式

為了適應(yīng)更高的燃燒壓力及熱負(fù)荷要求，必須開(kāi)發(fā)新型的氣缸墊才能確保密封性能。金屬氣缸墊主要由功能層、限位層和距離層構(gòu)成，如圖1所示。

1）功能層：氣缸墊實(shí)現(xiàn)密封功能的主要結(jié)構(gòu)。其上分布著全波紋和半波紋的凸筋結(jié)構(gòu)。

2）距離層：一般位于氣缸墊的中間，用來(lái)調(diào)整氣缸墊的厚度，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的要求。

3）限位層：通常布置在缸口，用來(lái)調(diào)整氣缸墊的面壓分布。

4）全波紋凸筋：密封缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)獾闹饕Y(jié)構(gòu)。

5）半波紋凸筋：密封冷卻液和潤(rùn)滑油的主要結(jié)構(gòu)。

6）非金屬涂層：彌補(bǔ)缸體和缸蓋表面的微觀不平度，提供可靠而有效的微觀密封。

為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)更高的密封要求，有些氣缸墊還設(shè)計(jì)有抗變形模塊，如圖2，一般布置在氣缸墊前后兩端，用來(lái)抵消和緩解發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋在工作中產(chǎn)生的變形。

3.2 氣缸墊波紋凸筋結(jié)構(gòu)

全波紋凸筋和半波紋凸筋是氣缸墊上最主要的密封結(jié)構(gòu)，也是最容易出現(xiàn)損壞的部位，主要布置在功能層上，可參看圖1。氣缸墊在工作時(shí)，會(huì)受到來(lái)自缸體、缸蓋多個(gè)方向的力作用，根據(jù)作用力和反作用力的原理，缸墊同時(shí)會(huì)產(chǎn)生反作用力作用到缸蓋和缸體上，起到密封作用。全波紋凸筋的作用力要大于半波紋凸筋的作用力，因而全波紋凸筋布置在對(duì)密封要求更為嚴(yán)格的缸口周圍[2]，半波紋凸筋布置在缸體和缸蓋水套和油道周圍。

波紋凸筋分布原則：每個(gè)油道孔單獨(dú)密封。每個(gè)螺栓孔單獨(dú)密封，每個(gè)燃燒室部位單獨(dú)密封，其它水道孔全部密封完全與燃燒室、進(jìn)油孔、回油孔、螺栓孔隔開(kāi)。

3.3 抗變形模塊

如圖3所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力很大，以致缸蓋彎曲變形嚴(yán)重時(shí)，有些氣缸墊會(huì)在前后兩端設(shè)計(jì)抗變形模塊結(jié)構(gòu)，用來(lái)減小缸孔變形量，改善氣缸蓋的彎曲變形，改善缸墊的密封性能。當(dāng)然，該結(jié)構(gòu)制作工藝復(fù)雜，投入成本較高。從圖4可以看出，增加了抗變形模塊對(duì)缸蓋變形影響還是起到了很大的作用。

4 氣缸墊試制

4.1 產(chǎn)品技術(shù)要求

1） 和缸體、缸蓋配合尺寸滿足圖紙定義要求

2） 壓緊厚度滿足圖紙定義要求

3） 密封壓力值及分布合理以保證密封功能

4）能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性臺(tái)架試驗(yàn)考核的要求。

4.2 氣缸墊材料選擇

氣缸墊主要受力來(lái)自于：熱應(yīng)力、燃?xì)鈮毫吐菟A(yù)緊力，因此其應(yīng)具有足夠的抗拉強(qiáng)度。另外，氣缸墊長(zhǎng)期與潤(rùn)滑油和冷卻液接觸，應(yīng)具有足夠的耐熱和耐腐蝕性，因此對(duì)材料的要求也很嚴(yán)格。表1介紹了金屬氣缸墊常用材料。

某自主品牌氣缸墊為三層結(jié)構(gòu)，其材料選擇見(jiàn)下：

1）功能層板材料為12Cr17Ni7，彈簧不銹鋼，氣缸墊常用材料。廣泛地用于要求良好綜合性能（耐腐蝕耐熱和成型性）的設(shè)備和零部件。

2）限位層板材料為06Cr19Ni10，耐熱不銹鋼，氣缸墊常用材料，廣泛應(yīng)用于汽車配件、醫(yī)療器具、建材、船舶部件等。

3）功能層板上下面印刷氟橡膠，其具有良好的彈性、耐冷卻液、耐油性及耐高溫性。

4.3 試制產(chǎn)品工藝分析

發(fā)動(dòng)機(jī)試制，主要是指發(fā)動(dòng)機(jī)功能樣機(jī)的試制過(guò)程，一般用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幾何驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、性能驗(yàn)證，根據(jù)開(kāi)發(fā)周期的長(zhǎng)短，有時(shí)也用于產(chǎn)品的可靠性、耐久性的驗(yàn)證。為了達(dá)到以上目的，試制樣件必須滿足試制精度高、試制周期短、試制成本低這三個(gè)條件。一般的量產(chǎn)工藝，使用沖壓成型，再在成型板上進(jìn)行壓筋、較平、涂層等工序，壓筋模具采用硬模，也就是量產(chǎn)模具。

在試制階段，一般采用激光切割成型和軟模制造，一方面縮短了試制周期，另外可以降低成本。某自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊主要的工藝流程為：備料→編程→激光切割→涂層→烘干→壓筋→校平→鉚接→打碼→檢測(cè)→成品。與量產(chǎn)工藝對(duì)比，其主要的差異分析見(jiàn)表2：

表2 試制與量產(chǎn)差異化分析

基于以上差異化分析，試制階段，采用激光切割成型、壓筋模具采用軟模是可以滿足當(dāng)前階段試制目的。

4.4 產(chǎn)品質(zhì)量控制

4.4.1 產(chǎn)品尺寸控制

針對(duì)試制樣件，產(chǎn)品關(guān)注點(diǎn)及主要控制方式有以下幾點(diǎn)：

1）與缸體、缸蓋平面配合的結(jié)構(gòu)和尺寸，一般采用三坐標(biāo)測(cè)量進(jìn)行檢查，另根據(jù)設(shè)計(jì)定義關(guān)重尺寸缸筒部位直徑和定位孔需列入SC（特殊特性）進(jìn)行控制。

2）全波紋凸筋高度、寬度，列入SC（特殊特性）控制，一般采用專用檢測(cè)設(shè)備（輪廓度儀）進(jìn)行檢測(cè)。

3）涂覆層厚度，列入SC（特殊特性）控制，采用專用檢測(cè)設(shè)備（涂層測(cè)厚儀）進(jìn)行檢測(cè)。

4.4.2 產(chǎn)品性能驗(yàn)證

根據(jù)主機(jī)廠的要求，試制完成后的缸墊需要進(jìn)行鉛彈試驗(yàn)和面壓試驗(yàn)，用以判定氣缸墊壓緊厚度和油孔、水孔部位密封能力。下面介紹下某自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊進(jìn)行的兩項(xiàng)性能試驗(yàn)。

1） 鉛彈試驗(yàn)

目的是測(cè)定氣缸墊在壓緊后缸口部位的厚度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

按照內(nèi)燃機(jī)氣缸密封墊片技術(shù)條件的要求[3]， 預(yù)先在試驗(yàn)用氣缸墊的測(cè)量部位上鉆出安放測(cè)厚元件的孔，孔徑為3～5mm。在燃燒室孔密封部位等距離選取四個(gè)點(diǎn)，如圖5所示。試驗(yàn)用氣缸墊按圖6裝上，在測(cè)量點(diǎn)處放置好測(cè)量元件，并按要求擰緊氣缸蓋螺栓，擰緊5min，再按要求松開(kāi)螺栓，并用精度為0.01mm的千分尺測(cè)量測(cè)厚元件的厚度，記錄各測(cè)量點(diǎn)所測(cè)的厚度，確定壓緊厚度及壓緊厚度差。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量后，各鉛塊壓緊厚度與理論要求值偏差-0.02mm，滿足設(shè)計(jì)定義（與理論值偏差±0.05mm）。

2）面壓試驗(yàn)分為兩種：

高壓試驗(yàn)，用來(lái)測(cè)量缸口全波紋凸筋的面壓值，適用范圍是50-130MPa

中壓試驗(yàn)，用來(lái)測(cè)量水套和油道部位半波紋凸筋的面壓值，適用范圍是10-50 Mpa

按照內(nèi)燃機(jī)氣缸密封墊片技術(shù)條件的要求[3]， 裝配氣缸墊和面壓感應(yīng)紙，按要求擰緊氣缸蓋螺栓5min后，取出感壓紙，根據(jù)感應(yīng)紙顯色的濃淡確定面壓分布情況。

圖7是某自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊面壓試驗(yàn)后壓印圖，可以看出，面壓感應(yīng)紙上密封部位的接觸狀況良好，呈均勻色，無(wú)斷線現(xiàn)象，其余部位的壓印色澤基本均勻。符合面壓試驗(yàn)要求。

4.4.3 產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證

在試制樣件完畢后，需要對(duì)氣缸墊進(jìn)行密封可靠性驗(yàn)證，目前國(guó)內(nèi)對(duì)氣缸墊密封可靠性考核尚無(wú)專門試驗(yàn)設(shè)備，只能將其裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行適應(yīng)性耐久實(shí)驗(yàn)。目前某自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)氣缸墊考核的試驗(yàn)主要包括：200h冷熱沖擊試驗(yàn)，500h一般耐久試驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

氣缸墊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接觸介質(zhì)多樣，環(huán)境溫度變化頻繁，其密封性能是評(píng)價(jià)整機(jī)可靠性的重要指標(biāo)。金屬氣缸墊可以有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣工況下的密封問(wèn)題及適用于現(xiàn)在日趨嚴(yán)苛的排放及環(huán)保要求。本文結(jié)合實(shí)例開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)氣缸墊發(fā)展方向、結(jié)構(gòu)形式、密封技術(shù)、制造工藝及產(chǎn)品質(zhì)量控制進(jìn)行闡述，為今后氣缸墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試制驗(yàn)證提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]施中堂.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)密封材料的現(xiàn)狀與發(fā)展方向.汽車工藝與材料， 2007年第11期 60頁(yè).

[2]張洪超， 倪計(jì)民， 杜倩穎等. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸密封墊的密封性能研究.內(nèi)燃機(jī)工程， 2011年10月 第32卷 第5期 87頁(yè).

[3]JB/T 7762-2007，內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋墊片技術(shù)條件.