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发动机汽缸垫设计黄正华( 湖北摩擦密封材料总 发动机汽缸垫设计 黄正华 ( 湖北摩擦密封材料总厂 ,枣阳 441200) 摘 要 本文讨论了汽缸垫护圈设计的力学原理 ,提出了加强型汽缸垫的匹配公式 ,确定了评价汽缸垫用板材质量的测试项目和方法 , 阐述了汽缸垫生产的质量控制和表面处理要求 。 关键词 汽缸垫设计 力学原理 匹配 质量控制 ρ3 =ρ1 + 2 b2 / ( h - b0 ) 汽缸垫由缸盖螺栓压紧力固定 ,用来密封缸体 内高温高压燃气 、润滑油和冷却水 ,是发动机最重要 的密封配件 ,其质量好坏直接关系到发动机动力的 发挥和工作性能的改善 。因此 ,汽缸垫设计必须紧 密结合发动机有关参数来进行 。随着速度高 、体积 小 、耗油低 、压缩比大的发动机不断涌现 ,对汽缸垫 的质量要求将更高更严 。本文仅就汽缸垫护圈设 计 、板材选择 、表面处理和质量控制等提出一些浅 见 ,以期在汽缸垫设计规范化 、质量标准化上引起讨 论 ,促进汽缸垫制造技术和质量水平上一个新台阶 。 1 护圈设计 汽缸垫“三封”的重点和前提 ,是对高温高压燃 气的密封 ,而依据发动机的工况条件 ,设计合理的护 圈结构 ,则是提高汽缸垫使用寿命和改善发动机工 作性能的关键 。下面从缸盖压紧力在普通型汽缸垫 上的分配及作用情况 , 来研究汽缸垫护圈设计 ( 图 1A) 。 设缸盖对汽缸垫的压紧力为 F0 , 缸口护圈面积 和压强分别为 S 1 、D 1 , 油 、水孔护圈面积和压强分 别为 S 2 、D 2 , 汽 缸 垫 其 余 板 材 面 积 和 压 强 分 别 为 S 3 、D 3 , 则 ( 4) 从式 (2) 、(3) 、( 4) 可看出 ,由于护圈厚度不同 , 同样的压缩量 ,汽缸垫不同部位的板材压强和压缩 率是不相同的 ,从而可通过选择护圈厚度来获得不 同的压强 ,达到合理分配缸盖压紧力的目的 。取汽 缸垫最常用的抄取石棉胶乳复合板 ,绘制压强 - 压 缩率曲线图 。根据发动机高温高压燃气的最大爆发 压强 ,以及冷却水 、润滑油的最大压强给定后 ,所确 定的密封压强 ,在图上查出相应的板材压缩率 ,代入 上述各式 ,求出相应护圈的厚度 。 当增加汽缸垫护圈厚度来提高压强有困难时 , 或者汽缸垫板材耐热性能不能满足发动机工作需要 时 ,就应对缸口护圈采取加强措施 。加强的方式有 两种 :一种是缸口护圈为全金属结构并完全脱离板 材 (图 1B) ;另一种是在缸口护圈中嵌一金属圆环或 波纹环 ,并使护圈延伸嵌入板材内 (图 1C 、D) 。由于 全金属结构的刚性和弹性体不叠合或不完全叠合 , 便产生了板材和护圈的匹配问题 ,特别是护圈完全 脱离板材时 ,匹配更为重要 。 设板材厚度为 h , 压缩率为 P , 缸口护圈部位压 紧时厚度为 a , 板材中心钢片厚度为 b0 , 板材压缩 率 、板材厚度和护圈厚度之差应满足如下关系式 : F0 = S 1 D1 + S 2 D 2 + S 3 D 3 ( 1) 式 ( 1) 中 F0 由发动机设计给出 , S 1 、S 2 、S 3 由 汽缸垫设计给出 , 显然应 S 3 μ S 1 S 2 , D 1 、D2 、D 3 由封汽 、封油 、封水的需要来确定 , D 1 μ D2 D3 。 在缸盖对汽缸垫施加压力时 , 护圈与板材同时 被压缩 。设板材厚度为 h , 压缩量为 Δh , 中心钢片 厚度为 b0 , 水油孔护圈厚度为 b1 , 缸口护圈厚度为 b2 , 则板材部位的板材压缩率 ρ1 : P ( h - b0 ) = h - a ( 5) 由于全金属结构护圈厚度已经固定 ,汽缸垫匹 配 ,需通过控制板材的厚度和压缩率来实现 。 为了实际生产的方便 ,板材需确定一个厚度范 围 。其厚度上限 ,用板材标准压缩率或将发动机规 定的压强测定板材相应的压缩率代入式 ( 5 ) 求出 。 厚度下限 ,由封水的最小压强测出板材相应的压缩 率代入式 (5) 求出 。板材厚度上限的意义是 :板材和 护圈按面积大小均匀分配缸盖压紧力 ,板材部位受 力是其最大值 ,随着板材厚度的降低 ,缸盖压紧力将 向护圈部位转移 。板材厚度下限的意义是 : 板材部 — ρ1 = Δh/ ( h - b0 ) 水 、油孔护圈部位板材压缩率 ρ2 : ρ2 =ρ1 + 2 b1 / ( h - b0 ) 缸口部位板材压缩率 ρ3 : ( 2) ( 3) — 53 表 1 汽缸垫用板材物理力学性能比较位受力最小 ,仅够维持对水 、油的密封 ; 而护圈部位受力最大 ,这将有利于防止窜气和“哧缸”,提高汽缸 垫的使用寿命 。只有当板材和护圈 表 1 汽缸垫用板材物理力学性