發(fā)動機(jī)缸蓋總成氣門密封性檢測研究

孫愛民，賴智宇，丁雪婷

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 發(fā)動機(jī)制造部，廣西 柳州545007）

近年來，隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，發(fā)動機(jī)制造技術(shù)和工藝發(fā)生了很大的變化，其制造品質(zhì)直接影響產(chǎn)品性能水平和可靠性。隨著發(fā)動機(jī)趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡單化、性能優(yōu)質(zhì)化，發(fā)動機(jī)技術(shù)向著減小總質(zhì)量、降低油耗、降低排放，提高效率和可靠性等方向發(fā)展，上汽通用五菱汽車股份有限公司的四沖程發(fā)動機(jī)采用氣門式配氣機(jī)構(gòu)，其功能是按照發(fā)動機(jī)的工作順序和工作循環(huán)的要求，定時開啟和關(guān)閉各缸的進(jìn)、排氣門，靠吸進(jìn)空氣和油料混合后，進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃燒爆炸來產(chǎn)生動力，然后再排出燃燒過的廢氣。

氣門是發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的執(zhí)行零件，是保證發(fā)動機(jī)動力性能、可靠性與耐久性的重要零件，其最基本的功能，是按照工作過程的需要打開或關(guān)閉，以保證氣缸內(nèi)吸入新氣，并把燃燒做功后的廢氣從氣缸排出。這就要求氣門在關(guān)閉時有很好的密封性能。密封性能的好壞，會直接影響發(fā)動機(jī)動力性能的優(yōu)劣，甚至?xí)绊懓l(fā)動機(jī)的可靠性。

1 氣門密封的基本理論

圖1 頂置氣門式配氣結(jié)構(gòu)

氣門式配氣機(jī)構(gòu)由氣門組和氣門傳動組兩部分組成，每組的零件組成則與氣門的位置、凸輪軸的位置和氣門驅(qū)動形式等相關(guān)。上汽通用五菱公司發(fā)動機(jī)采用頂置氣門，即進(jìn)、排氣門置于氣缸蓋內(nèi)，倒掛在氣缸頂上（圖1）。

1.1 氣門構(gòu)造及密封原理

氣門由頭部和桿部組成，氣門根據(jù)其氣門頂面可分為平頂、凹頂和凸頂?shù)刃螤?。目前使用的多?shù)為平頂氣門，平頂氣門結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，吸熱面積小，質(zhì)量小，可同時應(yīng)用于進(jìn)、排氣門；氣門桿呈圓柱形，在氣門導(dǎo)管中不斷往復(fù)運動。其表面須經(jīng)過熱處理和磨光，以保證與氣門導(dǎo)管的配合精度和耐磨性；為了盡可能提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到高的升功率要求，合理增大氣門直徑及采用多氣門結(jié)構(gòu)，是提高發(fā)動機(jī)充氣效率的重要措施，B系統(tǒng)發(fā)動機(jī)采用16氣門設(shè)計。

氣門與氣門座或氣門座圈之間靠錐面密封。氣門錐面與氣門頂面之間的夾角，稱為氣門錐角。進(jìn)、排氣門的氣門錐角一般為45°，只有少數(shù)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門錐角為30°。氣門通過斷面的大小取決于h（圖2）。

圖2 氣門錐角

進(jìn)氣門錐角較小時，氣門通過斷面較大，進(jìn)氣阻力較小，可以增加進(jìn)氣量。但是，氣門錐角小，其氣門頭部邊緣較薄，剛度較差，容易變形，致使氣門與氣門座圈之間的密封性變差。較大的錐角，可提高氣門頭部邊緣的剛度，氣門落座時有較好的自動對中作用，與氣門座圈有較大的接觸壓力等，這些都有利于氣門與氣門座圈之間的密封和傳熱，并有利于擠掉密封錐面上的積碳。

1.2 氣門與氣門座圈配合原理

缸蓋上與氣門錐面相貼合的部位，稱為氣門座。氣門座因溫度很高，需要承受頻率極高的沖擊載荷，容易磨損，所以大多數(shù)鋁制和鑄鐵缸蓋多采用鑲嵌有合金鑄鐵或奧氏體鋼制成的氣門座圈，可以延長缸蓋的使用壽命。氣門座圈的錐角與氣門錐角需相適應(yīng)，一般氣門錐角比氣門座圈的錐角要小，這樣有助于增加密封錐面的接觸壓力，加速磨合，而且可以切斷和擠出兩者之間的積垢，保持錐面密封性良好。如果氣門錐面、氣門座圈經(jīng)過熱處理后具有良好的耐磨性和密封性，氣門與氣門座圈可以采用相同的錐角（圖3）。

圖3 氣門與氣門座錐角

2 缸蓋總成氣密性檢測原理

受檢對象為裝配分裝完成后的缸蓋總成。進(jìn)、排氣門與氣門座圈配合，火花塞安裝并擰緊至缸蓋火花塞孔，缸蓋進(jìn)、排氣側(cè)封堵后，形成缸蓋總成密閉的氣道空間。檢測前根據(jù)各產(chǎn)品設(shè)計要求及歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，規(guī)定了缸蓋總成火花塞擰緊的扭矩，以及當(dāng)座圈與合格氣門配合并通過額定壓力的壓縮空氣后的泄漏率。因泄露率是缸蓋總成裝配各種零件共同作用的結(jié)果，能綜合反映其制造品質(zhì)和裝配效果。當(dāng)裝配好的缸蓋進(jìn)入測試工位后，自動封堵設(shè)備將缸蓋進(jìn)、排氣進(jìn)行封堵，并由進(jìn)排氣側(cè)進(jìn)行充氣，經(jīng)過充氣、隔離、保壓及測試這4個階段，通過對測試壓力及泄漏量的監(jiān)控，檢測缸蓋總成泄漏情況。目前，公司B系列及C系列測試壓力及泄漏量分別為：0.15×105Pa，50 cm3/min，測試程序如表1。

表1 缸蓋總成泄露測試B&C程序?qū)Ρ缺?/p>

3 缸蓋總成泄漏測試失效分析

3.1 工藝分析

缸蓋總成即完成氣門油封、進(jìn)排氣門、氣門座圈、氣門彈簧及鎖夾等零件裝配的總成件，裝配工藝如下：

（1）火花塞安裝并擰緊，控制火花塞扭矩滿足燃燒室密封要求；

（2）氣門油封壓裝至氣門導(dǎo)管外；

（3）安裝進(jìn)、排氣門至氣門導(dǎo)管內(nèi)；

（4）安裝氣門彈簧、座圈、鎖夾壓裝至進(jìn)排氣門導(dǎo)桿；

（5）氣門拍打；

（6）泄漏測試。

為確保安裝完成的缸蓋總成氣門運動順暢，使用氣缸趨動壓頭分別對進(jìn)排氣門進(jìn)行拍打一定的次數(shù)，此過程即為裝配工藝中的“氣門拍打”，在此過程中使進(jìn)、排氣門在導(dǎo)管內(nèi)充分運動，拍打結(jié)束后，依靠氣門彈簧回復(fù)力使進(jìn)、排氣門閉合，形成密封空間。為檢測缸蓋總成的氣密性，將對缸蓋總成進(jìn)行“泄漏測試”，泄漏測試按先后順序分別對一、二、三、四個缸進(jìn)行測試，以最終泄漏量評定缸蓋的氣密性。

3.2 泄漏潛在原因分析

泄漏測試工位反饋的泄漏結(jié)果來看，缸蓋總成泄漏的主要原因，為氣門關(guān)閉后與氣門座圈的配合狀態(tài)密封不嚴(yán)。根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，缸蓋總成泄漏的潛在原因包含以下幾個方面：

（1）氣門與氣門座圈之間摻雜有鋁屑；

（2）放成品缸蓋托盤隔襯被劃傷后形成的黑色雜質(zhì)；

（3）氣門缺陷；

（4）員工手套毛屑等。

按照生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我們提取了今年2～4月份缸蓋總成泄漏的樣本容量（圖4）。

圖4 C14影響缸蓋泄露測試潛在原因統(tǒng)計

從圖4可發(fā)現(xiàn)影響缸蓋泄漏測試的主要原因集中在前兩項：鋁屑和雜質(zhì)。究其原因：

一是氣門與座圈間有鋁屑，導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)而造成泄漏；

二是缸蓋總成需經(jīng)過拍打氣門工位進(jìn)行氣門運動，此過程將導(dǎo)致部分缸蓋內(nèi)容鋁屑由于振動而掉落，附著在氣門及座圈間，導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)，造成泄漏，此泄漏原因占很大的比例。

3.3 泄漏測試采取的工程措施

針對鋁屑、雜質(zhì)造成的泄漏，公司在氣門拍打工位增加了吹氣裝置，進(jìn)、排氣側(cè)增加封堵及吹氣頭，分別伸入缸蓋進(jìn)、排氣道，拍打氣門同時進(jìn)行吹氣，將進(jìn)、排氣道內(nèi)的細(xì)小鋁屑及雜質(zhì)吹出，避免氣門及座圈配合不嚴(yán)而造成泄漏。氣門拍打工位采用的吹氣裝置如圖5。

圖5 缸蓋泄露測試吹氣裝置

工作原理分析：

（1）缸蓋進(jìn)氣門拍打工位，讀取缸蓋機(jī)型信息，吹氣裝置自動變位；

（2）頂起缸蓋托盤，進(jìn)排氣封堵板分別密封缸蓋進(jìn)排氣側(cè)，吹氣頭分別伸入缸蓋進(jìn)排氣道；

（3）氣門拍打程序啟動，同時吹氣頭進(jìn)行充氣，將氣門拍打過程中掉落及缸蓋氣道內(nèi)殘留的細(xì)小鋁屑充分吹出；

（4）當(dāng)氣門拍打固定次數(shù)后，停止拍打及充氣，氣門關(guān)閉時，確保氣門及座圈完全密封，未殘留鋁屑導(dǎo)致泄漏。

3.4 效果驗證

圖6為公司在氣門拍打工位增加吹氣裝置的前后數(shù)據(jù)對比，增加此吹氣裝置后，因鋁屑而造成的泄漏比例大幅度下降。

圖6 C14影響缸蓋泄露測試增加吹氣裝置后數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計

4 結(jié)束語

發(fā)動機(jī)缸蓋泄漏，直接影響發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)啟動困難，功率下降，燃燒不完全，積炭嚴(yán)重，甚至引起個別汽缸不工作。除缸蓋裝配級零部件間配合狀態(tài)外，機(jī)加工缸蓋座圈密封面的錐角誤差、錐面形狀誤差和氣門密封錐面相對缸蓋氣門導(dǎo)桿孔的位置誤差，同樣影響密封性能。只有確保缸蓋總成的密封性，才能保證發(fā)動機(jī)的整體性能。

[1]金盛芳.氣門及氣門座的材料和熱處理[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車，1980，（6）：3-4.

[2]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]湯鶴天.內(nèi)燃機(jī)氣門簡介[J].內(nèi)燃機(jī)配件，1980，（1）：88-89.

[5]朱浩森，鄒萍玲.氣門生產(chǎn)中錐面棱圓度的控制[J].內(nèi)燃機(jī)配件，1981，（4）：68-69.