發動機主油道錐堵泄漏問題研究

韓珍，沈杰，魏浩波

（上海汽車集團股份有限公司，上海 201804）

引言

漏油是發動機疑難問題之一，而錐堵主要用來密封發動機主油道工藝孔[1]，一部分錐堵的安裝位置在發動機外部可見區域，其漏油會導致客戶抱怨。本文針對錐堵漏油問題，從密封原理，設計分析，生產工藝等方面進行分析研究，并提出了解決方案。

1 問題描述

錐堵在開發過程中，早期并未發生泄漏，后期出現泄漏，更換密封膠和增大扭矩后得到解決，但是后續又產生了泄漏問題，在氣密性檢測時，少量數據超過限值，在后續測試中發生漏油現象。由此可見，需要找到根本原因才能解決錐堵漏油問題。

2 原因分析

2.1 工作原理

錐堵配合密封有兩種形式：直螺紋孔/錐螺紋堵塞，錐螺紋孔/錐螺紋堵塞，其工作原理是相同的，本文以直/錐配合為例來進行分析。

錐堵裝配在鋁合金的直螺紋安裝孔內，錐堵表面有預涂膠，直螺紋孔/錐螺紋堵塞配合的密封原理：

（1）錐堵材料比鋁合金硬，錐堵A截面[2]的螺紋中徑和大徑尺寸對應內螺紋尺寸，B截面的螺紋中徑和大徑尺寸均大于內螺紋對應尺寸，在安裝過程中，錐堵螺紋與內螺紋孔嚙合，與內螺紋基體干涉,內孔材料受到擠壓變形，從而填充螺紋副之間縫隙，在A面和B面之間區域達到密封效果（見圖1）；

圖1 錐堵密封原理[3]

（2）60°螺紋本身具有自鎖和自密封功能；

（3）預涂膠密封，在兩個擠壓的金屬面之間最大間隙內填充，來完成密封功能，若間隙過大，則無法實現密封功能。

2.2 密封尺寸分析校核

錐螺紋應滿足標準定義的參數要求，錐度1:16，在有效螺紋長度L1范圍內，螺紋應滿足在A和B參考面上的尺寸（見圖2）：

大徑，中徑，小徑，牙高。

圖2 錐螺紋尺寸要求[4]

按照標準定義，會制作環規來進行螺紋檢查，此項檢查針對的是螺紋中徑和60°牙型，未能檢查牙高和大徑尺寸[5]，因此，在滿足環規要求下，堵塞依然產生了泄漏問題。

針對問題堵塞，進行了剖切檢查：

圖3 產生泄漏的堵塞

從圖3可以看到，由于堵塞螺紋大徑不足，未能擠壓鋁合金內螺紋底部基材變形，產生較大縫隙，密封膠在此處填充失效，螺紋大徑處的縫隙形成一個螺旋上升的管道，機油從此管道泄漏；而小徑處的鋁合金材料薄弱，變形充分，縫隙較小，預涂膠起到密封作用。

因此，控制螺紋的大徑、中徑、牙高這三個關鍵尺寸，配合密封膠，可以起到密封效果。

早期采用加大扭矩+更改預涂膠措施，其實是擠壓缸蓋孔螺紋變形程度，填充了螺紋大徑不合格導致的縫隙，使用粘接性能更強的膠來填充縫隙，來保證通過缸蓋氣密性檢測。

2.3 凸出高度分析校核

錐堵裝配后，外側可能會有零件，會產生干涉，需要計算錐堵凸出安裝孔端面的高度。

圖4中，堵塞整體長度C，凸出安裝孔面高度為J，錐堵B面的螺紋尺寸與直孔的螺紋尺寸一致，此處裝配位置理論上是貼合的，因此凸出高度J=C-B（此處應考慮公差），而錐堵打扭矩后，會繼續下降一定高度，因此，錐堵實際凸出高度是可以控制在一定范圍之內。

另外，錐堵拆卸后，直螺紋孔受到的安裝應力大部分釋放；復裝錐堵時，內孔中受擠壓的螺紋并非前一次擠壓過的螺紋，而是下面未曾參與過盈擠壓的螺紋，相當于首次安裝錐堵，對螺紋孔的破壞風險低，而復裝后，錐堵將低于之前的安裝高度。但是錐/錐配合不建議復裝，需根據實際情況判斷。

圖4 錐堵凸出高度分析

2.4 應力分析校核

由于鋁合金鑄件會預留錐堵安裝孔搭子位置，而機加工螺紋孔后，可能會產生偏心問題，導致螺紋孔壁厚不均勻，安裝錐堵后，局部應力集中，可能會產生安裝孔極小尺寸方向裂紋問題，會產生漏油問題（見圖5）：

圖5 螺紋孔壁厚不均勻

若扭矩不足，錐堵與安裝孔接觸應力不足（見圖6），會產生密封不良問題，有潛在泄漏風險：

圖6 錐堵與安裝孔接觸應力不足

本文堵塞的CAE分析都滿足密封要求，實際也未產生破裂和扭矩失效引起的漏油。

3 解決措施和驗證措施

針對大徑和牙高尺寸不到位情況，將堵塞機加工工藝調整如下：

表1 三種機加工序比較

由于本文錐堵采用內六角設計，節省了重量和尺寸空間，但也造成堵塞壁厚薄，加工外螺紋的OP30工藝中，會導致薄壁處內凹變形，導致螺紋大徑尺寸不合格，臨時措施采用內六角孔內插入芯棒，搓絲時，螺紋大徑和牙高能夠保持較好的形狀，氣密性檢測也驗證了此更改有效，確認控制大徑和牙高尺寸，是減少泄漏的有效途徑。因此，在此基礎上繼續調整螺紋加工工藝，改為滾絲工藝（見圖7），螺紋尺寸調整到位后，氣密性檢查控制在1%內，問題解決。

圖7 搓絲和滾絲工藝

圖8 改進螺紋加工工藝效果

工藝調整期間，螺紋配合情況見圖 8，可以看到隨著工藝改進，錐堵對鋁合金基材的擠壓越來越充分，密封效果越來越好。使用滾絲工藝的錐堵，裝配后有三個螺牙參與擠壓和密封。

4 結束語

（1）通過剖切安裝狀態的漏油堵塞，找到漏油點，據此查到關鍵控制參數：大徑和牙高，從而確認堵塞密封的原理在于錐堵螺牙擠壓鋁合金孔的基材，產生干涉和變形，鋁合金材料填充螺紋副之間的空隙，達到密封效果，密封膠只能在間隙較小的貼合面之間產生輔助密封效果。

（2）通過調整螺紋加工工藝，從搓絲改為滾絲，零件尺寸調整到位密封問題解決。

（3）錐堵上的螺紋比較特殊，不僅要控制中徑尺寸，還須控制大徑和牙高尺寸，因此，除了使用環規檢查中徑尺寸，還須投影法檢查兩個參考面上的大徑和牙高尺寸，才能保證密封有效性。

（4）應用仿真軟件對錐堵安裝進行動力學分析，模擬錐堵安裝后的偏心和應力分布，為錐堵失效分析提供了有力的數據支撐，快速驗證了安裝扭矩的可靠性，快速有效，具有很強的實用性和經濟型。并對堵塞設計分析有很好的指導性作用。

（5）螺紋機加工設備需要定期保養，避免設備磨損導致的螺紋失控。

綜上所述，本文為錐堵密封失效提供了有效的分析檢查方法，能夠及時找到堵塞失效的根本原因，為下一步問題解決指明具體的方向，具有很強的指導作用和應用價值。