氣門(mén)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

雷 剛 譚 巍 樊 偉 范冬冬

(1.重慶理工大學(xué)汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400054； 2.浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司 浙江寧波 315336)

氣門(mén)油封是發(fā)動(dòng)機(jī)總成中的重要零部件，其密封性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能有著重要影響。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能不斷提高，氣門(mén)桿速度不斷提升，這對(duì)氣門(mén)油封的密封性能提出了更加嚴(yán)苛的要求。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣門(mén)油封的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)給出推薦值，但是油封細(xì)部參數(shù)的設(shè)計(jì)仍然依靠油封生產(chǎn)企業(yè)結(jié)合自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，這樣將會(huì)導(dǎo)致相同規(guī)格、相同材料的氣門(mén)油封由于不同企業(yè)細(xì)部設(shè)計(jì)的差別，在密封性能和使用壽命上表現(xiàn)出較大的差異。

以往對(duì)油封密封性能的研究已經(jīng)形成一系列研究成果[1-6]。目前對(duì)于油封密封性能的研究主要是通過(guò)建立油封的有限元模型，或者通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。李莉英[7]對(duì)氣門(mén)油封進(jìn)行彈性模量測(cè)定、徑向力測(cè)定和壽命實(shí)驗(yàn)等，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，計(jì)算了油膜厚度，以驗(yàn)證氣門(mén)油封唇口的最佳參數(shù)。呂迪[8]分析了影響氣門(mén)油封機(jī)油泄漏量的要素，建立了有限元模型對(duì)其中一些要素進(jìn)行模擬仿真，并設(shè)計(jì)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。張付英等[9]研究了彈簧勁度系數(shù)、過(guò)盈量等對(duì)唇形油封密封性能的影響。上述的研究大多考慮的是單一結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油封密封性能的影響規(guī)律，并未考慮多個(gè)油封參數(shù)共同作用下的油封密封性能。因此，針對(duì)多結(jié)構(gòu)參數(shù)共同影響下油封密封性能的研究和優(yōu)化，是非常有必要的。

本文作者以初始?xì)忾T(mén)油封為基礎(chǔ)，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，對(duì)氣門(mén)油封油面角、氣面角、過(guò)盈量、彈簧剛度、唇口圓角半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，利用有限元方法模擬分析氣門(mén)油封唇口接觸壓力分布，進(jìn)而計(jì)算得到最大接觸壓力和單位周長(zhǎng)徑向力2個(gè)密封性能指標(biāo)；通過(guò)極差分析，確定氣門(mén)油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油封接觸壓力和徑向力影響的主次順序，并以油封最大接觸壓力和最小單位周長(zhǎng)徑向力為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化氣門(mén)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得滿(mǎn)足目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)氣門(mén)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

1 氣門(mén)油封幾何模型

文中研究的油封模型為發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)油封，其幾何模型如圖1所示。油封總成由橡膠本體，金屬骨架和壓緊彈簧3部分組成。氣門(mén)油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括油面唇角α、氣面唇角β、安裝過(guò)盈量δ、油封唇口圓角半徑r和壓緊彈簧的彈簧剛度k。氣門(mén)油封初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 油封幾何模型

在氣門(mén)油封設(shè)計(jì)之初，油封與氣門(mén)桿之間會(huì)有一定的過(guò)盈量，油封依靠唇口的橡膠變形與氣門(mén)桿形成初始的接觸狀態(tài)來(lái)獲得密封。金屬骨架的作用是用來(lái)支撐油封，保證油封有一個(gè)良好裝配狀態(tài)。橡膠老化會(huì)導(dǎo)致油封徑向力衰減，而壓緊彈簧可以補(bǔ)償油封接觸所需要的徑向力，從而提高油封的使用壽命。

2 氣門(mén)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[10]，將氣門(mén)油封油面唇角α、氣面唇角β、安裝過(guò)盈量δ、唇口圓角半徑r、彈簧剛度k5個(gè)參數(shù)定義為設(shè)計(jì)因素，氣門(mén)油封參數(shù)參照GB/T 34028—2017《發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)導(dǎo)桿往復(fù)油封及性能試驗(yàn)方法》中推薦范圍值進(jìn)行確定。分析氣門(mén)油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油封最大接觸壓力和單位周長(zhǎng)徑向力等接觸性能參數(shù)的影響，并以最大接觸壓力和最小單位周長(zhǎng)徑向力為目標(biāo)值，尋求油封結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案因素水平參數(shù)如表2所示，其中字母A～E表示正交試驗(yàn)因素，數(shù)字1～4代表各試驗(yàn)因素水平值。根據(jù)正交試驗(yàn)的因素及各因素的水平值，選擇5因素4水平的L16(54)正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)方案的排列組合，正交試驗(yàn)方案如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平

表3 L16(54)正交試驗(yàn)方案

3 有限元分析模型

結(jié)合表3油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和有限元分析方法，對(duì)氣門(mén)油封進(jìn)行有限元模型的建立。采用有限元分析軟件模擬16種方案下帶簧氣門(mén)油封的密封狀態(tài)，計(jì)算獲得各方案油封接觸壓力和接觸寬度，進(jìn)一步計(jì)算得到油封最大接觸壓力和單位周長(zhǎng)徑向力數(shù)值大小。

3.1 氣門(mén)油封網(wǎng)格劃分

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)油封由橡膠本體、金屬骨架和壓緊彈簧3部分組成，在不考慮油封偏心安裝時(shí)，油封結(jié)構(gòu)在幾何結(jié)構(gòu)、約束條件和載荷施加上都表現(xiàn)為軸對(duì)稱(chēng)。因此，在油封建模時(shí)選擇建立油封結(jié)構(gòu)的子午面模型，對(duì)子午面模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。橡膠部分、壓緊彈簧、金屬骨架采用四邊形軸對(duì)稱(chēng)減縮積分單元，氣門(mén)桿和氣門(mén)導(dǎo)管按照解析剛體建立模型。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，網(wǎng)格劃分的數(shù)量和大小對(duì)仿真結(jié)果沒(méi)有影響。

為了能對(duì)氣門(mén)油封壓緊彈簧進(jìn)行模擬，在創(chuàng)建油封模型時(shí)對(duì)壓緊彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，以便在分析中盡可能模擬壓緊彈簧的作用。簡(jiǎn)化后的彈簧模型呈圓管狀，用圓管的等效彈性模量E來(lái)表征彈簧剛度k的數(shù)值。具體推導(dǎo)過(guò)程[11-12]如下：

F=k·ΔL

(1)

(2)

(3)

σ=E·ε

(4)

(5)

式中:F為彈簧拉力(N)；k為彈簧勁度系數(shù)(N/mm)；ΔL為彈簧拉伸變形量(mm);L為彈簧原長(zhǎng)(mm)；ε為拉伸應(yīng)變；σ為拉伸應(yīng)力(N/mm2);S為圓管橫截面積(mm2)。

氣門(mén)油封網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 油封網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 材料模型

橡膠屬于超彈性材料，在力學(xué)性能上表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線(xiàn)性特性，橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通常采用應(yīng)變能密度函數(shù)來(lái)描述。橡膠應(yīng)變?cè)?50%以?xún)?nèi)變形，兩參數(shù)的Mooney-Rivlin 模型能夠很好地描述橡膠材料的力學(xué)性能，此模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)也有很好的一致性[13]。兩參數(shù)的Mooney-Rivlin 模型[14]描述如下：

U=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(6)

式中：U為單位體積的應(yīng)變能；C01、C10為材料系數(shù);I1、I2為一階、二階應(yīng)變不變量。

用于氣門(mén)油封橡膠本體材料為氟橡膠(FKM),硬度為Shore A 72。根據(jù)FKM橡膠的硬度，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到橡膠材料系數(shù)C10=0.812 MPa，C01=0.203 MPa。氣門(mén)油封內(nèi)包金屬骨架材料為碳鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3；氣門(mén)桿和氣門(mén)導(dǎo)管按照剛體處理。

3.3 接觸設(shè)置和邊界條件

氣門(mén)油封系統(tǒng)在模擬分析過(guò)程中，需要建立氣門(mén)桿和油封唇口的接觸、氣門(mén)導(dǎo)管與油封的接觸、油封與彈簧的接觸對(duì)才能保證力的傳遞。3組接觸均采用面-面接觸的方式，切向摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3。

約束氣門(mén)油封底部的全部自由度。在代表氣門(mén)導(dǎo)管的解析剛體上施加沿Y方向的位移值，大小為8 mm,在代表氣門(mén)桿的解析剛體上施加沿Y方向的位移值，大小為10 mm。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 初始油封有限元分析結(jié)果

待Abaqus計(jì)算完后，截取到的應(yīng)力云圖如圖3所示。將Abaqus中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin后，得到的接觸應(yīng)力在接觸寬度上的分布如圖4所示。

圖3 初始油封接觸壓力云圖(MPa)

圖4 接觸壓力沿Y軸向分布

由圖3所示接觸應(yīng)力云圖可以看出，初始油封的大部分接觸區(qū)域的接觸壓力都在0.7 MPa以上，而最大接觸壓力達(dá)到了2.9 MPa左右。對(duì)于無(wú)壓或低壓(0.3 MPa)油封環(huán)境來(lái)說(shuō)，初始油封的接觸壓力明顯大于油壓,所以能夠起到良好的密封作用。由圖4所示接觸壓力沿Y軸向分布可以看出，油封唇接觸壓力呈現(xiàn)不均勻分布，接觸壓力最大值位置靠近油側(cè)。副唇的設(shè)計(jì)可以防止灰塵進(jìn)入密封唇口。

4.2 正交試驗(yàn)方案的有限元分析結(jié)果

表4匯總了氣門(mén)油封正交試驗(yàn)16種方案的接觸寬度、最大接觸壓力和單位周長(zhǎng)徑向力分析結(jié)果。

表4 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究氣門(mén)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油封密封性能的影響規(guī)律，選取油封唇口最大接觸壓力pmax和單位周長(zhǎng)徑向力Fr2個(gè)性能指標(biāo)，分析油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)2個(gè)性能指標(biāo)影響的主次順序；并以最大接觸壓力和最小單位周長(zhǎng)徑向力作為優(yōu)化目標(biāo)，尋求油封結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合。

5.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析

極差分析(直觀分析)：通過(guò)極差的大小來(lái)評(píng)價(jià)各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的程度。極差值表示第i列因素各水平平均指標(biāo)值的最大值與最小值之差,即

Ri=max{kij}-min{kij}

(7)

式中：i為正交試驗(yàn)因素?cái)?shù)(A～E)；j為各因素水平數(shù)(1～4)；ki為任意列上水平號(hào)為i時(shí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和的算術(shù)平均值[15]。

為了探尋油封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油封密封性能的影響規(guī)律，研究油封諸多結(jié)構(gòu)因素對(duì)油封最大接觸壓力pmax和單位周長(zhǎng)徑向力Fr的影響順序，尋求最優(yōu)的油封結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，需要對(duì)正交試驗(yàn)方案分析數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，極差分析結(jié)果如表5所示。

表5 各因素極差分析結(jié)果

極差值通過(guò)試驗(yàn)因素水平的改變，來(lái)反映目標(biāo)值變化的波動(dòng)情況，進(jìn)而分析出各因素對(duì)目標(biāo)性能的重要程度。因素的重要性與極差值的大小呈正相關(guān)，極差值越大，說(shuō)明因素對(duì)目標(biāo)性能的影響程度越大，通過(guò)極差的分析就可以反映出油封各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油封靜態(tài)密封性能影響的主次順序。從極差分析結(jié)果可以看出，影響氣門(mén)油封最大接觸壓力的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序依次為：E、A、B、D、C，影響單位周長(zhǎng)徑向力的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序依次為：E、 B、C、A、D。由此可見(jiàn)，因素E(即油封唇口圓角半徑)對(duì)油封唇口最大接觸壓力和單位周長(zhǎng)徑向力的影響程度都為最大；因素B(即氣面角)對(duì)單位周長(zhǎng)徑向力有較顯著的影響；因素A(即油面角)對(duì)油封唇口最大接觸壓力有較強(qiáng)的影響，但對(duì)單位周長(zhǎng)徑向力影響較小；因素D(即彈簧剛度)對(duì)單位周長(zhǎng)徑向力和最大接觸壓力影響均較小。

5.2 氣門(mén)油封最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案確定

為了探究氣門(mén)油封最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，以最大接觸壓力和最小單位周長(zhǎng)徑向力為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算出同一水平下各因素的數(shù)值均值，獲取各因素最優(yōu)水平組合，再結(jié)合極差分析結(jié)果，確定出滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。最大接觸壓力均值和單位周長(zhǎng)徑向力均值如圖5、6所示。2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的各因素最佳水平如表6所示。

圖5 最大接觸壓力均值

圖6 單位周長(zhǎng)徑向力均值

表6 各因素最優(yōu)水平數(shù)

由表6可知，每個(gè)因素對(duì)于最大平均接觸壓力和最小單位周長(zhǎng)徑向力2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)水平并不完全相同。結(jié)合圖5、6極差分析結(jié)果，則可以確定出各因素對(duì)2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)水平組合為：油面角α=43°，氣面角β=23°，過(guò)盈量δ=0.1 mm，彈簧剛度k=0.792 N/mm，唇口圓角半徑r=0.1 mm。

5.3 油封最優(yōu)方案的優(yōu)化結(jié)果分析

由正交試驗(yàn)方案得到的最優(yōu)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)組合對(duì)氣門(mén)油封進(jìn)行建模分析，計(jì)算得到優(yōu)化后的氣門(mén)油封最大接觸壓力和單位周長(zhǎng)徑向力，并與初始油封密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，突出優(yōu)化后氣門(mén)油封密封性能的提升。圖7所示為油封優(yōu)化后的接觸壓力云圖，圖8所示為其接觸壓力在接觸寬度上的分布。

圖7 優(yōu)化后油封唇口接觸壓力云圖(MPa)

圖8 優(yōu)化后油封唇口接觸壓力沿Y軸向分布

對(duì)比圖7、8和圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后油封的唇口壓力分布最大處的接觸壓力比初始油封要明顯更大，說(shuō)明優(yōu)化后油封的密封性能要明顯提高；同時(shí)優(yōu)化后油封的接觸寬度要明顯短于初始油封的接觸寬度，說(shuō)明優(yōu)化后油封的磨損情況將會(huì)減輕。具體計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 初始油封與優(yōu)化油封性能對(duì)比

根據(jù)表7計(jì)算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的氣門(mén)油封在最大接觸壓力上比初始油封增加了85.61%，對(duì)于無(wú)壓油封或油壓小于0.3 MPa的油封來(lái)說(shuō)，最大接觸壓力大于油壓即可保證油封的靜態(tài)密封性能。油封的徑向力亦稱(chēng)抱軸力，徑向力過(guò)大，將會(huì)加劇油封唇口磨損，嚴(yán)重影響油封的使用。從表7可看出，優(yōu)化后的油封單位周長(zhǎng)徑向力比初始油封減少了20.54%，在保證油封密封性的前提下，大大改善了油封唇口的磨損情況，提高了油封的使用壽命。

6 結(jié)論

(1)正交試驗(yàn)及極差分析結(jié)果表明：油封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大接觸壓力影響的主次順序依次為唇口圓角半徑、油面唇角、氣面唇角、彈簧剛度、安裝過(guò)盈量；對(duì)單位周長(zhǎng)徑向力影響的主次順序依次為唇口圓角半徑、氣面唇角、安裝過(guò)盈量、油面唇角、彈簧剛度。由此可見(jiàn)，油封唇口圓角半徑對(duì)油封唇口最大接觸壓力和單位周長(zhǎng)徑向力的影響程度都為最大；氣面角對(duì)單位周長(zhǎng)徑向力有較顯著的影響；油面角對(duì)油封唇口最大接觸壓力有較強(qiáng)的影響，但對(duì)單位周長(zhǎng)徑向力影響較小；彈簧剛度對(duì)單位周長(zhǎng)徑向力和最大接觸壓力影響均較小。

(2)以最大接觸壓力和最小單位周長(zhǎng)徑向力為優(yōu)化目標(biāo)，獲得了氣門(mén)油封最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：油面角α=43°，氣面角β=23°，過(guò)盈量δ=0.1 mm，彈簧剛度k=0.792 N/mm，唇口圓角半徑r=0.1 mm。優(yōu)化后的氣門(mén)油封最大接觸壓力比初始油封增加了85.61%，單位周長(zhǎng)徑向力降低了20.54%。

(3)文中以氣門(mén)油封為研究對(duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)唇口接觸特性研究與優(yōu)化，研究方法同樣適用于其他不同規(guī)格的油封，對(duì)油封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化都能起到一定的參考意義。