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基于Abaqus的汽油机金属气缸垫密封性能改进研究

黄凤琴，张志明，李相旺，吴斌峰，张功晖

（东风汽车公司技术中心，湖北武汉，430058）

摘要：本文基于Abaqus软件，通过建立四缸汽油机缸体、缸盖、气缸垫三维实体模型，首先进行传热流固耦合

分析得到缸体缸盖的温度场，然后根据发动机冷热冲击试验定义常温装配、热冲击、冷冲击、深度冷冲击四种分

析工况，得到了各工况下缸垫全波及半波的线压、全波headlift等。根据分析结果对缸垫缸口结构进行改进，试

验证明缸口的结构改进措施是十分有效的。仿真分析和试验结果表明：模拟分析可以较好的预测缸垫各工况下的

密封能力，气缸垫的密封性能主要取决于缸垫的结构设计（波纹结构、stopper结构和位置），为缸垫的设计和

优化方向提供了充分的理论依据。

关键词：汽油机；金属缸垫；密封性能；Abaqus

引言

发动机密封性是评价发动机品质的重要指标之一，良好的密封和足够的强度一直是发动机整机可靠性

的重要保障。发动机的气缸垫的主要作用补偿缸盖和缸体表面的宏观和微观不平度，以保证高温高压燃气、

冷却水和润滑油不泄露，起密封的作用；并且与气缸盖、气缸套、活塞一起构成气缸容积和燃烧室；气缸垫在高温高压和受热不均的条件下工作，其强度、密封性能的好坏，直接影响到发动机工作的安全性和可

靠性，是发动机的重要

密封部件[1]。

传统的缸垫密封性能开发多基于经验设计、试验开发和反复优化试验等，往往导致开发周期长，成本

高。利用CAE技术在设计前期就进行缸垫密封性能预测，是保证发动机密封系性能目标达成的

重要手段[2]。

目前国内对金属气缸垫密封的研究较少，国外通过CAE手段对金属气缸垫密封性能研究较多，但是大多为

单缸简化建缸垫结构对密封性能影响分析方面

模[3]，且无的研究[4]。

本文以某款增压发动机金属气缸垫为研究对象，利用有限元分析软件Abaqus，采用完整缸盖、缸体和

气缸密封垫进行了建模和计算，分析了气缸垫上的压力分布，关键部位的变形，以及结构对缸垫密封性能

的影响，然后根据分析结果对现有缸垫进行了改进，对比分析结果发现有明显改善，最终改进缸垫通过可

靠性试验。

1缸垫几何结构介绍

气缸密封垫安装在机体与缸盖之间，其结构复杂，工作环境恶劣。气缸垫除了密封燃烧室、冷却液机

润滑油通道，防止漏气、漏油、漏水之外，还用于传递机体与缸盖之间的作用力，密封垫上冷却液和润滑油孔道的布置对整机的冷却与润滑性能有很大的影响，所以在设计过程中要充分考虑气缸密封垫与整机匹

配[5]。

在本分析中，采用的是金属垫片，根据结构和作用来区分，主要分为缸垫本体、缸口密封圈、缸口限位层（stopper）、水套密封圈、高压油孔密封圈、回油孔密封圈五个部分，它们的主要作用是构造缸垫主体、

防止燃烧室漏气、防止水套漏水和防止高压油孔及回油孔结构示意图如图1所示。

漏油[6]。缸垫

(a)缸垫3D(b)

示意图缸垫截面示意图

图1缸垫结构示意图

1

2模型建立

2.1有限元分析模型

有限元模型包括缸体、缸盖、缸垫、缸盖螺栓、气门阀座和火花塞。缸体、缸盖接触及重要部位采用

六面体单元，其余采用四面体单元。缸垫、气门阀座、火花塞采用六面体单元，缸盖螺栓采用beam单元模

拟。有限元分析模型见图2。

(a)有限元模型3D示意图(b)缸垫3D示意图

图2有限元分析模型

2.2缸垫的力学特性

气缸垫主要是通过功能层上的全波纹和半波纹的凸筋结构以及上面的涂层来实现密封的功能，因此波

纹的压缩特性对缸垫密封性能起着至关重要的作用。为准确计算其压力分布，测得缸垫缸口密封波纹、水

套密封波纹、高压油孔密封波纹、回油孔密封波纹加载和卸载特性曲线如图3所示。

图3缸垫波纹压缩特性曲线

2.3计算工况

考虑到缸垫在整个冷热冲击试验过程中的工况，即常温装配、热冲击（冷却水温110℃）、冷冲击（冷

却水温25℃）、深度冷冲（-30℃）击四种分析工况，共18个分析步。

2.4边界条件

约束缸体主轴承座出部分节点x，y，z三个方向的位移自由度，约束示意图见图4。

2

图4约束示

意图

3缸体缸盖的流固耦合传热分析

因发动机在运行过程中一直处于热负荷的环境之下，在进行密封性能分析之前，需先进行缸体、缸盖

的流固耦合传热分析。准确有效的缸盖、缸体温度场分析，直接影响缸垫密封性能预测的准确

性[7]。

缸内燃气与缸筒内表面、缸内燃气与缸盖燃烧室顶、缸内燃气与阀座内表面、新鲜空气与进气道内表

面、排出废气与排气道内表面之间的热传递均根据计算结果赋予第三类热边界条件，如表4所示。

表4固体区域热边界条件

燃气/环境温度（K）传热系数W/(m2·K)

缸盖+