发动机暖风水管漏气原因分析及解决方案(共6页)

1、发动机暖风水管漏气(lu q)原因分析及解决方案王自忠，张久保，马文亮，李慧军，由毅，赵福全吉利(jl)汽车研究院，杭州萧山 311228【摘要(zhiyo)】 某2.4L自然吸气式发动机在整机水道试漏过程中，出现暖风水管漏气问题。本文通过对暖风水管的装配结构、法兰盘刚度、密封垫片等方面进行详细的分析。结果表明，造成暖风水管漏气的主要原因是：暖风水管法兰盘刚度不足且固定方式不合理，在装配过程中变形过大；暖风垫片密封高度过小。针对该故障原因，提出了增加暖风水管法兰面刚度、优化固定方式，提高密封垫片密封性能等措施。以上措施实施后，暖风水管漏气问题彻底解决。【关键词】 暖风水管，漏气，法兰盘刚度An

2、alysis and Solution to Leakage of Warm-Air Water Ducts for an Engine Wang Zizhong, Zhang Jiubao, Ma Wenliang, Li Huijun, You Yi, Zhao FuquanGeely Automobile Research Institute, Xiaoshan, Hangzhou 311228Abstract: The warm-air duct leakage occurred during the leakage test of a specific 2.4L natural as

3、pirated engine. The fitting structure, flange plate rigidity and sealing gasket were particularly analyzed in terms of the warm-air duct in this paper. The result indicated that the warm-air duct leakage arose from insufficient flange plate rigidity, unreasonable fitting method and excessive deforma

4、tion during assembly, as well as inadequate gasket sealing height. The countermeasures were proposed by increasing the flange surface rigidity, optimizing fitting method, and improving gasket sealing performance, etc. After these measures were implemented, the warm-air duct leakage was completely so

5、lved. Key words: Warm-Air Water Duct, Leakage, Flange Plate Rigidity1 引言密封对于发动机来讲是一个重要的课题。本文通过一例发动机暖风水管密封失效案例，对影响发动机水道密封性能的因素进行详细的分析，并提出有效的改进措施。某2.4L发动机在整机水道试漏过程出现漏气问题，故障比例达到40%左右，如图1所示。试漏方法及参数如下。图1 暖风水管的漏气1.1 整机水道试漏方法及参数发动机整机水道试漏方法如下：将发动机进水管堵上，暖风进出水管有橡胶管相连，从发动机出水管接入1bar0.2bar的空气，然后在水道各密封面涂发泡剂，检测水道各

6、密封面是否存在泄漏现象。试漏方法如图2、图3所示。图2 整机试漏图3 整机试漏发动机整机水道(shudo)试漏参数如表1。表1 发动机整机水道(shudo)试漏参数序号项目参数1加压量1bar0.2bar2加压时间20s3等压时间5s4平衡时间10s5测出时间15s2 原因(yunyn)分析2.1 暖风水管密封结构及密封机理暖风水管密封结构为：暖风水管法兰面通过两个M6的螺栓固定在水泵壳体上，暖风水管法兰面和水泵壳体通过暖风水管垫片实现密封，详见图4。图4 暖风水管密封结构其密封机理为：固定螺栓对法兰面施加压紧载荷，以产生压紧应力，提高密封面的接触强度，当应力增加到足以引起表面产生明显的塑性形

7、变，以填补密封面间隙，堵塞泄漏通道。使用密封垫片的目的就是利用垫片材料在压紧载荷的作用下比较容易产生塑性变形的特性，使之填平法兰密封面的微小凸凹不平，从而实现密封1。2.2 暖风水管漏气原因分析通过以上暖风水管的密封结构及机理分析，可能得到影响暖风水管密封性能的因素如下：水泵壳体和暖风水管结合面表面质量差；系统刚度不足；暖风水管固定方式不合理；暖风水管垫片密封性能不足；暖风水管螺栓拧紧力矩过小；下面对以上影响暖风水管密封性能的因素进行详细的分析，找出暖风水管漏气的原因。 2.2.1 结合面表面质量分析图纸中规定水泵壳体和暖风水管法兰面的表面粗糙度如表2。 表2 结合面表面质量调查序号项目粗糙度

8、Ra/m1水泵壳体1.62暖风水管1.6对于(duy)金属垫片，一般(ybn)场合推荐使用表法兰面粗糙度为Ra1.6m2。并且(bngqi)调查在产机型相同密封结构的结合面，其表面粗糙度都在Ra1.6m，也都不存在漏气故障。因此可以看出水泵壳体和暖风水管法兰面表面粗糙度满足使用要求。对暖风水管法兰面和水泵壳体结合面进行检测，其表面粗糙度达到Ra1.6m，满足图纸要求。其表面质量见图5、图6。因此可以排除表面质量引起的漏气故障。图5 水泵壳体表面粗糙度图6 暖风水管法兰面表面粗糙度2.2.2 系统刚度分析该密封系统是由暖风水管、暖风水管垫片、连接螺栓和水泵壳体组成，其中水泵壳体和暖风水管法兰面的

9、刚度对密封性能至关重要。2.2.2.1 水泵壳体刚度分析水泵壳体采用整体压铸工艺，材料为ADC12。暖风水管结合面处壁厚较厚（如图8），刚度可以满足密封要求。因此可以排除水泵壳体密封面刚度不足问题。图7 水泵壳体上暖风水管结合面2.2.2.2 暖风水管法兰面刚度分析暖风水管法兰面的厚度为5.5mm，材料为20号钢，其材料本身偏软，厚度偏薄。因此重点对暖风水管法兰面的刚度进行分析。其分析边界条件和约束如图8。图8 暖风水管法兰面约束边界暖风水管法兰面轴向变形分布如图9。从分析结果上看，法兰面中间部分存在明显的变形。 图9 法兰面轴向变形分布由于暖风水管法兰面中间部位产生明显的轴向变形，导致暖风水

10、管垫片接触应力减小，从而影响密封性能。其暖风水管垫片接触应力（未考虑暖风垫片压缩高度）分布如图10。图10 暖风(nun fn)垫片接触应力分布从暖风(nun fn)水管垫片接触应力分布来看，在暖风水管中间部位出现了小于零的现象，即暖风水管垫片中间(zhngjin)部位没有轴向压紧力的作用，而从图1中看，暖风水管漏气的位置刚好处于结合面中间部位。因此可以断定暖风水管法兰面刚度不足时导致暖风水管漏气的主要原因。2.2.3 暖风水管固定方式分析该机型的暖风水管有三个固定点，分别是：通过暖风水管法兰面与水泵壳体总成固定；通过暖风水管固定点3与气缸体总成固定；通过暖风水管固定点2与气缸盖总成固定；其固

11、定方式见图11。图11 暖风水管固定方式从以上的固定方式可看出，暖风水管通过三个固定点分别固定在三个总成上面。由于各总成之间不仅存在自身的加工误差，还存在较大装配误差，暖风水管三个固定点的准确位置，因此在暖风水管装配过程中，造成暖风水管受力变形，影响发动机暖风水管密封。2.2.4 暖风水管垫片密封性能分析影响密封垫片密封性能的一个重要指标是垫片的回弹性能。垫片的回弹性能是指压紧载荷去除后垫片厚度的回复量，它对工作状态下由于介质压力或其它因素引起垫片与密封面的分离进行有效的补偿，以保持垫片密封的有效性3。该发动机暖风水管垫片采用金属垫片，材料为20号钢，厚度为0.4mm，垫片中间部分凸起，以保证

12、回弹性能，两面涂丁腈橡胶，涂层单面厚度0.1mm，以增加密封性能，其截面结构见图13。图12 暖风水管垫片截面结构对暖风水管垫片截面尺寸链进行计算，可以得出暖风水管垫片的压缩高度如下：最小压缩高度=0.68-0.65=0.03mm最大压缩高度=（0.68+0.05）-（0.6-0.05） =0.18mm而调查不同场合金属垫片的压缩高度见表3。表3 不同场合金属垫片压缩高度调查序号名称压缩量1水泵垫片0.20.08mm2节温器垫片0.20.08mm3机油泵垫片0.20.08mm4机油集滤器0.250.08mm通过以上调查发现，金属(jnsh)垫片的压缩(y su)高度(god)正常都在0.20.

13、008mm。而暖风水管垫片的压缩高度在0.03mm到0.18mm之间，明显偏小。专业密封垫片的厂家推荐压缩高度也0.2mm左右。因此暖风水管垫片压缩高度偏小，从而影响暖风水管垫片的回弹性能，可能导致暖风水管漏水。2.2.5 暖风水管连接螺栓拧紧力矩不足密封面上总是存在着微观不平形成的泄漏间歇。因此在预紧过程中，垫片必须产生足够的弹性变形以堵塞泄漏间歇，也就必须通过螺栓等装置对垫片施加足够大的压紧力。为保证垫片的密封性能，暖风水管法兰面提供的压紧力必须大于垫片的最小有效压紧力.法兰面提供压紧力为3： （2-1） （2-2）连接螺栓提供的轴向力；密封垫片有效承压面积；连接螺栓拧紧力矩；连接螺栓数量

14、；螺纹之间及螺栓头部与承压面的摩擦系数；一般螺栓取=0.2；连接螺栓的公称直径；在暖风水管密封系统中，各参数数值如表4.表4 暖风密封系统参数值序号参数单位数值1只22168.73/0.24N*m105mm6通过以上公式及参数，可以计算出暖风水管法兰面压紧力=98.7MPa。而金属波形垫片最小有效压紧力=38.7MPa3，因此，因此连接螺栓拧紧力矩满足暖风水管密封的要求。2.3 分析结论从以上的分析看，造成暖风水管漏气的原因为：暖风水管法兰面刚度不足，在连接螺栓打紧时，法兰面中间部位变形较大，引起密封失效。这是暖风水管漏水的主要原因；暖风水管固定方式不合理，引起暖风水管装配变形；暖风水管垫片压

15、缩高度偏小，回弹性能不足。3 解决方案针对以上的原因分析，提出暖风水管漏气的解决方案。3.1 提高暖风水管法兰面刚度将暖风水管法兰面的厚度由原来的5.5mm更改为6.7mm。更改后法兰面的轴向变形分析结果见图13。通过和图9进行对比，暖风水管法兰面轴向变形明显变小。图13 改进后法兰面轴向变形(bin xng)分析暖风(nun fn)水管垫片接触应力（未考虑暖风垫片压缩高度）分析结果(ji gu)见图14。图14 改进法兰后垫片接触应力分析通过和图10进行对比，暖风水管垫片接触应力明显的增加。此接触应力是在未考虑暖风水管压缩高度。如果考虑压缩高度，暖风水管垫片的接触应力将进一步增加。可以满足密

16、封性能的要求。3.2 改进暖风水管的固定方式改进暖风水管的固定方式：如图15，在暖风水管固定点1和固定点2之间增加一段橡胶管，保证固定点2和固定点3的装配不会引起暖风水管法兰面的变形。图15 暖风水管结构改进方案示意图3.3 增加暖风水管垫片压缩高度将暖风水管垫片的压缩高度由目前的0.03mm到0.18mm之间增加到0.20.08mm，以增加暖风水管垫片的回弹性能，提高密封效果。通过以上措施的实施后，在发动机厂进行效果验证，第一批共计进行120台改进后发动机水道试漏，没有出现暖风水管漏气现象。故障得到圆满的解决。4 结论密封是一个系统性的问题，密封系统的任何一个环节出问题都将影响密封的效果。本文通过对暖风水管密封漏气故障分析，详细分析密封系统中影响密封性能的各个因素。并最终找到暖风水管漏气的主要原因是法兰面刚度不足，轴向变形过大引起的密封失效。同时暖风水管垫片压缩高度不足，暖风水管的固定方式不合理也影响密封能。并针对以上的影响因素，提出合理的解决方案，最终解决暖风水管的漏气问题。参考文献1 顾伯勤,李新华,田争.静密封设