某發動機缸蓋碗型塞密封失效分析及解決案例研究

黃金華，范慶先，賀禮，李強，孫蕭，趙福成

某發動機缸蓋碗型塞密封失效分析及解決案例研究

黃金華1,2，范慶先1,2，賀禮1,2，李強1,2，孫蕭1,2，趙福成1,2

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

碗型塞又名堵塞，因碗型塞的結構相對簡單，可靠性高，價格便宜，廣泛應用于內燃機。通過碗型塞與孔的過盈配合，及密封膠雙重作用進行密封，碗型塞作為發動機常見的水道，油道密封方式，常見問題主要為漏液，因其結構簡單，漏液問題根因也常常容易忽視；文章主要圍繞發動機碗型塞漏水問題整改進行了理論分析和試驗驗證，為問題解決提供參考。

發動機；碗型塞；漏液；密封

1 引言

碗型塞密封是汽車發動機常見的密封方式，廣泛應用于發動機水道、油道密封。碗型塞的密封需要設計匹配、生產工藝、零件質量綜合因素保證，因此在量產過程中，不可避免地會出現密封失效的問題。碗型塞密封失效導致的“三漏”問題，是市場客戶及主機廠都無法接受的。本文針對某款發動機缸蓋水道碗型塞密封失效原因進行了分析及整改。

2 問題背景

發動機組裝下線進行臺架熱試后，出現了批量的缸蓋水道碗型塞密封處滲液現象，攻關解決此問題。

3 問題分析排查

3.1 故障確認

缸蓋碗型塞在熱試后出現滲漏，如下圖。泄漏區域初步確認鎖定為7點鐘方向。為進一步確定故障現象，擦拭后，滲漏缸蓋后端清洗干凈，噴顯影后熱試運行1000s后觀察，確認漏點在7-8點鐘位置，與首發故障吻合，如圖1。

圖1 漏液圖示

3.2 碗型塞密封結構及原理

發動機所使用的碗型塞為Ｑ722系列標準碗型塞（如下圖2）。它與安裝孔的配合符合QC／T388-1999的要求[1]。

圖2 Ｑ722系列碗型塞

碗型塞與缸蓋孔為過盈配合，碗型塞選型為Q72226[2]（φ26（+0.30/+0.35），匹配缸蓋孔φ26H8（0/+0.033）尺寸，通過過盈量保證宏觀密封。

微觀密封方式采用密封膠密封。碗型塞密封截面為錐面，碗型塞的有效密封區域為直徑較大的一端，如圖3。密封膠涂在密封有效區域實現微觀密封。

圖3 碗型塞

3.3 問題排查[3]

基于密封原理，依次對碗型塞壓裝狀態，切割后的密封區域狀態，零件質量、設計校核進行排查分析。

圖4 問題排查

3.3.1碗型塞壓裝狀態確認

測量密封失效的碗型塞不同區域壓裝深度，不同區域內深度差值超過了0.5mm。目測存在明顯的壓偏。如圖5：

圖5 失效案例壓裝尺寸

進一步加大樣本量測試，抽檢5臺缸蓋。壓偏量散差較大，部分超過了0.5mm。如圖6：

圖6 抽檢分布

碗型塞壓裝過程中應受力均勻，保證壓裝后狀態盡可能不產生傾斜與形變。需排查碗型塞壓裝后狀態不良的因素。

通過監控碗型塞壓力機壓裝曲線，如下圖7。壓裝壓裝過程中有明顯的偏心找正過程。合理范圍內地對中度散差不會造成壓裝失效。

圖7 壓裝曲線

校核碗型塞受力面與壓力工裝壓頭的配合，間隙為0.385mm-0.615mm。此外，壓頭與碗型塞底面配合為點接觸，需改善為仿行壓頭（圖8），優化為面接觸。

圖8 壓頭工裝

3.3.2密封膠狀態確認

拆解后發現碗型塞密封膠不連續，且密封膠區域靠近內側。該碗形塞是錐形密封，涂膠位置離孔口倒角遠（實測3mm），膠無法大面積填充到密封面，起不到彌補間隙密封的作用。

該碗形塞是錐形密封，涂膠位置離孔口倒角遠（實測3mm），膠無法大面積填充到密封面，起不到彌補間隙密封的作用。校核涂膠位置需往外調整2mm后可改善。

此外，缸蓋碗型塞孔經過清洗機后，殘留的清洗液油脂會導致密封膠間斷，達因筆測試缸蓋孔清洗效果不連續。需增加除脂工藝，優化膠線不連續問題，如圖9。

圖9 膠線不連續

3.3.3零部件質量問題排查

3.3.3.1 缸蓋孔尺寸排查

收集及測量缸蓋碗型塞孔尺寸加工過程數據，多方向測試，測試尺寸數據合格，過程能力＞1.33.無風險。

圖10 過程能力數據

3.3.3.2 碗型塞尺寸排查

對影響密封的碗型塞尺寸、性能項進行檢測分析，檢測結果合格，其尺寸檢測結果見表1：

表1 尺寸檢測結果

其機械性能檢測結果見表2：

表2 機械性能

3.3.4設計校核

過盈量校核：

碗型塞選型為Q72226（dφ26（+0.30/+0.35），匹配缸蓋孔φ26H8（0/+0.033）尺寸，過盈量為0.267-0.35。

根據汽車設計標準QC/T 388-1999中Q722碗型塞片的要求，底孔采用H8級（基孔制），碗型塞和孔配合尺寸根據表格中尺寸控制。目前碗型塞的設計與標準設計吻合，參照標準設計。對標本公司其他平臺標準型碗型塞，φ26的直徑采用相同的尺寸設計。如表3：

表3 碗型塞配合

密封膠型號校核：

碗型塞選用的密封膠為樂泰648，樂泰648是一款厭氧膠，具有快速固化，高強度，適合壓入配合特點，用于連續工作溫度達175℃的場合。樂泰648是相關性能如下：

表4 樂泰648性能

校核開發階段溫度場數據，缸蓋水道區域最高溫度為125℃。前期開發耐久試驗已驗證完成，密封膠型號滿足使用要求。

3.4 失效原因總結

①碗型塞壓裝工裝結構不合理導致碗型塞壓偏；

②涂膠位置不合理導致膠線的有效密封區域較小；

③未除脂導致膠線不連續。

4 優化與驗證

4.1 碗型塞壓入工裝優化

參照碗型塞的結構尺寸，優化工裝結構。

優化后，工裝與碗型塞兩側間隙0.095-0.035mm。工裝與碗型塞底面為面接觸。保證壓裝力均勻，減小側向力，優化碗型塞壓偏。

優化后的碗型塞壓入工裝如下圖11：

圖11 仿形壓頭工裝

4.2 涂膠位置優化

通過尺寸鏈計算，為保證密封膠在密封區域的分布。涂膠位置調整為2mm。整改后，驗證對比壓裝后的涂膠位置，大幅度改善。

4.3 除脂工藝通過增加人工除脂優化

改善密封膠不連續問題，整改后效果如下圖12。

圖12 整改后膠線

4.4 整改效果確認

上述整改措施實施后，跟蹤9000件生產熱試后未發生一起漏水失效，故障率下降為0，整改措施有效。

5 結語

碗型塞的密封受過盈量，壓裝后的碗型塞狀態、涂膠狀態綜合保證。需要通過設計合理匹配/零部件質量合格、工裝工藝的合理來實現。

設計匹配方面：標準碗型塞參照汽車設計標準選用，配合采用基孔制設計；碗型塞材料選擇同樣有標準，需選用不低于工作強度要求。密封膠選擇需滿足環境溫度、適合壓裝工藝，也可以通過對標其他成熟平臺確定。

工藝方面：在碗型塞壓入過程中，要壓裝力均勻，實現壓入后碗型塞無明顯傾斜。其中，工裝結構是很重要的影響因素。

零部件質量是保證密封的充分條件，通過對故障件測量結果分析，同時增加同批次產品的檢測數量的手段。根據過程能力及數據結果鎖定產品是否存在風險。

當碗型塞密封失效時，圍繞上述三個方面，可以快速鎖定原因，整改驗證，消除風險。

[1] QC/T 388-1999.中華人民共和國專業標準,碗型塞片.

[2] 李洪德.汽車常用的標準件資料手冊[M].吉林:科學技術出版社, 2000.

[3] 秦學海.發動機碗形塞處漏油問題分析及解決方法[C].2016中國汽車工程學會年會論文集.

Study on the Failure Analysis and Solved Cases of Bowl Plug Sealing of Engine Cylinder Head

Huang Jinhua1,2, Fan Qingxian1,2, He Li1,2, Li Qiang1,2, Sun Xiao1,2, Zhao Fucheng1,2

（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）

Bowl plug, also known as plug, is widely used in internal combustion engines because of its relatively simple structure, high reliability and low price. Sealing is accomplished through the interference fit between the bowl plug and the hole and sealant. As a common sealing mode of engine cooling water jacket and oil channel, a common problem bowl plug is liquid leakage. Because of its simple structure, the root cause of liquid leakage problem is often overlooked.This paper is mainly about theoretical analysis and experimental verification on the leakage problem of engine bowl plug, and to provide references for problem solving.

Engine;Bowl plug;Liquid leakage;Sealing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.043

U464

A

1671-7988(2021)03-141-04

U464

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1671-7988(2021)03-141-04

黃金華（1988-），男，湖北，專科，就職于寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，主要從事發動機整機開發工作。