增程器三結合面滲油分析與解決方案

范鵬 周友濤

摘要：某款增程器在開發(fā)過程中，在發(fā)動機缸蓋-缸體-正時罩蓋三結合面處，出現(xiàn)了整車耐久路試滲油現(xiàn)象。通過理論分析，并對該發(fā)動機滲油處三結合面的結構、受力、模態(tài)等各個維度進行了CAE分析，并通過產(chǎn)品結構的優(yōu)化和工藝改善，完成了增程器總成的臺架和實車耐久驗證，成功解決了增程器三結合面滲油品質問題，保證了整車的開發(fā)周期并減少了成本投入。

關鍵詞：增程器；三結合面；滲油；密封

增程器是一種使用其他能源（如汽油）給電動汽車電池進行電能補給的裝置。傳統(tǒng)意義上的增程器是指發(fā)動機與發(fā)電機的組合，而發(fā)動機包括了發(fā)動機缸體、缸蓋和正時罩蓋，三者在裝配時形成了三結合面密封結構。該密封結構的密封性能，對于溫度、振動、材料、清潔度、粗糙度、加工刀紋以及密封膠類型等因素都極其敏感，任何參數(shù)的變化都可能導致密封性能的失效，引起滲油（漏油）等品質不良。

由于REV增程式電動汽車使用工況的特殊性，增程器是REV電動汽車的核心補能裝置，其起動工況比傳統(tǒng)燃油車更加頻繁。一般而言，傳統(tǒng)燃油車只有在車輛行駛或怠速時需要起動發(fā)動機，起動頻次相對較低，起動間隔相對較長。而增程器則根據(jù)電池SOC和VCU控制策略反復頻繁起動發(fā)動機（比如較低SOC或者車輛高速行駛時均會在電量平衡點處進行增程器起動充電，超過閥值則關閉增程器）。整個起動與停機過程會使發(fā)動機本體承受較大的沖擊載荷（尤其低溫冷起動工況更加惡劣），頻繁的起動載荷振動會給發(fā)動機本體的三結合面密封性帶來較大影響，嚴重時會導致潤滑系統(tǒng)功能惡化，造成曲軸軸瓦磨損甚至曲軸拉缸抱死。

盡管相關技術可對此類密封問題進行優(yōu)化緩解，比如增加密封涂膠量或使用密封性能更好的密封膠，但不能根除此類問題，行業(yè)內(nèi)也尚未有一個完整的三結合面優(yōu)化方案來解決該處易滲油的問題。

本文從實際工程應用角度出發(fā)，結合某款增程器開發(fā)過程中出現(xiàn)的三結合面滲油問題，并通過對產(chǎn)品結構的性能CAE仿真、零件結構優(yōu)化和耐久試驗驗證，進行了完整的優(yōu)化改進，并引申提出了一種三結合面滲油問題的改善思路和方法。

增程器滲油問題描述

1.問題現(xiàn)狀

某款增程式電動SUV汽車，在前期整車耐久路試過程中（主要為山路和結構壞路測試工況），發(fā)現(xiàn)發(fā)動機進排氣三結合面處有明顯滲油痕跡（見圖1），檢查機油液位無明顯下降，三結合面處無異常磨損碰傷。對應故障里程約為1.5萬km。將滲油位置清洗后繼續(xù)路試，行駛約1000km后，發(fā)現(xiàn)仍有滲油痕跡。

將該增程器進行拆解，發(fā)現(xiàn)正時罩蓋儲膠充盈完整且連續(xù)，通過紫光照射，發(fā)現(xiàn)進、排氣側三結合面處均有明顯機油滲出（熒光顯色乳白色為機油，見圖2），由此判斷密封層被機油穿越且已失效。

經(jīng)初步排查確認，該批次增程器均通過了生產(chǎn)線氣密性檢測以及整機下線臺架熱試，且該增程器所使用的基礎燃油版機型為量產(chǎn)成熟發(fā)動機，未反饋開發(fā)階段和售后市場有三結合面滲油的抱怨。

2.故障復現(xiàn)確認

針對該發(fā)動機滲油問題，后續(xù)連續(xù)跟蹤若干臺耐久路試車輛，均發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的三結合面處有滲油痕跡，首次故障分布里程范圍約為8000～45 000km，路試工況覆蓋高環(huán)、壞路、山路以及普通公路（見表1和圖3），將油漬擦拭后繼續(xù)路試仍有輕微油液滲出。據(jù)此，初步判斷該問題為發(fā)動機三結合密封面耐久失效故障。

滲油問題原因排查及解析

1.裝配面差及安裝力矩確認

實測故障機正時罩蓋的安裝螺栓力矩均符合設計要求，其中M8螺栓擰緊力矩按照（23±3）N·m，M10螺栓擰緊力矩按照（50±5）N·m。采用扭力扳手檢測，螺栓無明顯力矩衰減，滿足設計要求，可以排除螺栓擰緊力矩對密封面滲油的影響。

另外，實測故障發(fā)動機缸蓋與缸體進排氣兩端的前后高度差均小于0.1mm（見圖4），小于基礎機型的缸體與缸蓋前端面面差的設計范圍±0.236mm。同時追溯該平臺傳統(tǒng)燃油機型未有市場滲油問題發(fā)生，所以判斷高度差不是該處滲油的主要原因，但基于經(jīng)驗可以通過調(diào)整缸蓋與缸體間的銷孔、銷套裝配公差，進一步縮小缸蓋與缸體的高度差，使密封效果更佳。

一般而言，缸蓋與缸體之間的高度差產(chǎn)生主要原因是缸蓋與缸體間的相對運動。通常，缸蓋與缸體之間靠結合面上的兩個定位銷套進行定位。如果定位銷套與安裝孔的配合間隙設計不合理，則會導致缸蓋、缸體安裝時的定位精度降低。從表1中，調(diào)整前后銷套和安裝孔的相關尺寸及公差數(shù)據(jù)，可以看出，調(diào)整后提高了缸體與缸蓋裝配時的定位精度，降低了缸體與缸蓋裝配后密封面的高度差，因此密封性能可以得到提升。

2.三結合面密封結構

為保證缸體、缸蓋前端面與正時罩蓋充分密封結合，常規(guī)的工程方案一般在正時罩蓋結合面處設計儲膠槽結構，并在內(nèi)部邊緣設計有0.5mm的倒角，并結合面壓測試判斷壓痕是否清晰連續(xù)且具備適當寬度，一般設計寬度范圍為4.8～9.0mm（見圖5）。

對于該故障機的正時罩蓋采用雙層傘狀儲膠槽，拆解過程中可以判斷密封槽儲膠相對完整且連續(xù)，密封膠無明顯剝離斷裂現(xiàn)象，通過面壓測試其壓痕也相對完整但不連續(xù)。

在缸蓋、缸體結合面處仍可以看到清晰油跡，且突破了雙層密封膠。從滲油軌跡判斷，缸蓋缸體上下結合面有明顯油跡斷層，且第一層儲膠槽不連續(xù)，可能導致機油溢出（見圖6）。據(jù)此，可對第一層儲膠槽進一步優(yōu)化，將儲膠槽貫通，并增加螺栓結合面料厚，使螺栓孔連線位于正時罩蓋內(nèi)部，進一步優(yōu)化面壓。

另外，基于正時罩蓋的面壓測試結果，以及從滲油具體位置分析，判斷缸蓋處有改善空間，通過增加缸蓋外側邊緣倒角（高3.5mm，傾角8°）來增加該位置的掛膠量，可以改善缸蓋與缸體間的儲膠空間以提升密封性能（見圖7）。

3.結合面外力影響

由于該發(fā)動機的正時罩蓋為非獨立懸置（懸置端與正時罩蓋一體鑄造），正時罩蓋安裝螺栓的應力分布相對集中，尤其三結合面處較為明顯。因行駛路況的限定（山路、坑洼路面），在行駛過程中發(fā)動機的振動力極易通過發(fā)動機懸置傳遞到正時鏈罩與缸體、缸蓋的三結合面處并產(chǎn)生微觀扭曲形變。該形變量大于該處密封膠的填充量，由于毛細作用，導致密封膠密封性能降低，從而出現(xiàn)滲油故障。

故在排除了其他滲油原因后，應將正時罩蓋受力結構進行優(yōu)化，進行單獨懸置布置或增加固定螺栓，參考市場其他成熟機型也有獨立懸置支架的應用來分散發(fā)動機傳遞過來的振動應力（見圖8和圖9）。

4.工藝制程及部品管理

除上述原因分析，該處的滲油問題在工藝制程以及部品管控等方面也需要管控改善，其中改善的關鍵因素如下：

1）密封面的加工刀紋一般采用魚鱗式交叉刀紋加工，避免貫穿性加工紋理（見圖10），且應合理控制密封表面粗糙度（一般按Rz12.5mm），以增加密封膠料的附著力。

2）密封面清潔度也尤其重要，尤其是靠密封膠密封的金屬表面，當密封面油污過多時，會影響密封膠的正常密封效果。

針對該滲油問題，通過現(xiàn)場點檢判斷，發(fā)現(xiàn)了若干項影響滲油的工藝制程及部品質量因素，并提出了相應改善建議，見表3。

綜合上述滲油問題分析，提出下述初步的改善方案（見圖11），并進行CAE仿真進一步驗證。

對策1：三結合面缸蓋處增加倒角（高3.5mm，傾角8°），加強密封膠填充性。

對策2：將正時鏈罩第一道儲膠槽進行貫通，并延長第二道密封槽防線空間。

對策3：在三結合面兩處螺栓孔中間增加壁厚（缸蓋/缸體/前罩殼），降低螺栓應力以優(yōu)化三結合面面壓。

對策4：正時罩蓋密封面進行魚鱗紋加工，并嚴格控制加工表面的粗糙度和清潔度。

對策5：增加增程器右懸置獨立托架，并與前罩殼固定螺栓孔位共孔，以改善螺栓應力分布，減少正時罩蓋懸置端振動力的影響。

三結合面滲油問題方案優(yōu)化及驗證

1.仿真分析及解決措施

為論證上述滲油問題原因解析以及改善方案的有效性，按照整車工況進行CAE仿真，并針對密封面各部件的模態(tài)、張開量、滑移量、螺栓應力分布及面壓各維度進行分析，評估方案改善的有效性。

（1）仿真模型搭建 模型輸入：總成模型（含缸蓋、缸體、正時鏈罩、懸置托架），其中基礎模型按正時罩蓋無獨立懸置支架，改善模型為正時罩蓋包含獨立懸置支架方案（見圖8）；模型材質：缸蓋為ADC12，缸體為HT250，正時鏈罩為ADC12，懸置托架為QT450；螺栓力矩加載：M8為（23±2）N·m，M10為（50±5）N·m；計算工況加載：按懸置28工況選擇部分工況進行仿真（主要選擇8kPH ±11g前后碰撞，垂直上下加載±5g/橫向左右加載±3g）。

基礎模型CAE分析 基于CAE分析匯總結果可以得出如下判斷（見表4）：

1）QT450獨立懸置托架模態(tài)滿足要求（＞500Hz）。

2）進氣側增加加強筋后，改善了三結合面密封槽處的前后張開量。排氣側最大值由1.2μm降低至0.3μm，進氣側最大值由1.5μm降低至1.3μm。并使最大值外移至正時罩蓋邊緣處，使密封膠槽密封性得到改善，排氣側三結合面張開量有所改善。

3）三結合面左右滑移量較原狀態(tài)有所改善，最大值由4.8μm降低至3.2μm。

4）獨立懸置托架正時鏈罩三結合面處抗拉應力減小明顯（由210MPa降低至108MPa），整體變形量小，提升密封性能。

由以上CAE分析可以判斷，上述改善方案的仿真計算可以滿足設計要求，可以進行改善樣機的試做及耐久驗證。

2.臺架及整車耐久試驗驗證

將改善方案導入的增程器進行500h臺架耐久試驗，15萬次起停驗證及3萬km整車耐久路試，無滲油問題再發(fā)，判斷三結合面密封結構改善有效，且滿足設計要求。

結語

本文結合增程器滲油問題進行了充分解析及驗證，并對于發(fā)動機三結合面的密封性能提升提出了具體改善方案?？偨Y而言，對于任何結合面處，要保證密封的4個要素是：

1） 直線度、平面度、粗糙度、清潔度及密封面的形狀設計的結合表面狀況。

2） 密封介質狀況，包括密封結構設計和密封膠的選配等。

3） 緊固力的大小和分布，面壓均勻性分布，結合面張開量和滑移量的影響。

4）增程器裝配及部品質量一致性保證。

對此，結合上述實際工程案例分析，提出了下述增程器三結合密封面密封性能優(yōu)化的基本方法，并在后續(xù)開發(fā)應用中予以參考（見圖12）。

參考文獻：

[1] 丁國棟.某型號柴油機機體和機座結合面漏油問題的原因分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2012（5）：52-53.

[2] 張明興. 缸體缸蓋結合面平面度超差問題的解決[J].汽車工藝與材料，2010（5）：24-27.

[3] 董峰. 發(fā)動機缸體缸蓋結合面密封性方法研究[D]. 上海：上海交通大學.2012.

[4] 韓進宏，遲彥孝. 互換性與技術測量[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[5] 林樺. 發(fā)動機防漏密封技巧[J]. 汽車維修，2002（6）：48-49.