某發動機排氣歧管墊片臺架耐久失效分析及改進*

吳江

(廣汽三菱汽車有限公司， 湖南 長沙 410000)

當前人們對汽車舒適性和穩定性的要求越來越高，發動機作為汽車的核心模塊，其相關品質是導致客戶抱怨的重要因素。排氣歧管密封墊片作為發動機的重要構成部件，其性能好壞是衡量發動機質量的重要因素之一，在開發前期需重點關注。針對某發動機排氣歧管墊片振動異響問題，對排氣歧管墊片原設計方案進行改善，通過增加加強筋及凸點提升墊片剛度。但改進后試樣在發動機臺架耐久試驗后出現裂紋，車輛使用中無法滿足發動機缸蓋與排氣歧管在高溫惡劣環境下的密封條件，會導致密封失效而發生漏氣密封性能不良等重大安全隱患，需繼續進行改善。該文通過分析墊片產生裂紋的原因提出相應解決方案，通過有限元方法分析歧管墊片的應力幅值與耐久壽命獲得最佳改善方案，并通過發動機臺架耐久試驗驗證該方案的有效性。

1 問題描述

發動機排氣歧管墊片是裝配在排氣歧管和發動機缸蓋排氣口之間，用來防止燃燒后的高溫氣體從連接處泄露的一種彈性密封墊片，具有隔離排氣系統熱輻射的隔熱功能和防止排氣系統高溫尾氣泄露的密封功能，對發動機正常運轉和功能實現具有重要作用，同時對車輛使用舒適性有較大影響。某發動機排氣歧管墊片的整體結構及功能分區見圖1。

圖1 某發動機排氣歧管墊片的整體結構及功能分區

在該發動機量產前的臺架共振耐久試驗后，其排氣歧管墊片密封區出現圖2所示長約20 mm、寬約0.05 mm的裂紋，不滿足共振點耐久試驗后產品的設計基準，可能導致實際使用中墊片產生異響、高溫氣體泄漏甚至斷裂，造成客戶抱怨甚至在行駛過程中發生事故，需在量產前加以解決。

圖2 排氣歧管墊片耐久試驗后出現的裂紋

從裂紋形態及試驗受力條件判斷其為疲勞裂紋。為改善振動條件下疲勞耐久性能，考慮通過變更墊片上凸點形狀及加強筋位置和數量來調整墊片剛度，改善振動條件下應力分布(見圖3)。分別制訂KAI-1、KAI-2、KAI-3 3種改善方案，其中：KAI-1方案將凸點改成凸包；KAI-2方案將凸點改成凸包，增大加強筋R值；KAI-3方案將凸點改成凸包，增大加強筋R值，并將加強筋1和3延長、加強筋2縮短。在實施臺架耐久試驗前利用ABAQUS和FEMFAT軟件對各改善方案進行振動條件下應力幅值測算，并評估其對耐久壽命的影響，從而選取最有效的方案進行最終試驗驗證。

圖3 排氣歧管墊片改善試樣示意圖

2 研究方法

為評估各改善方案試樣在振動條件下的應力分布，先對安裝狀態下發動機排氣歧管與發動機缸蓋運動狀態進行簡化(見圖4)。排氣歧管墊片上凸點與發動機缸蓋運動狀態有3種：1) 初始預壓狀態。為墊片初始安裝狀態，凸點高度大于凸點位置墊片與缸蓋間隙(0.2 mm)，墊片受到預壓作用。2) 向上壓緊狀態。受激勵影響，墊片向上運動，凸點位置始終處于壓緊狀態。3) 向下剝離狀態。受激勵影響，墊片向下運動，凸點與缸蓋之間接觸力越來越小，臨界狀態接觸力為零。結合上述運動狀態，不考慮發動機熱影響，計算向上壓緊狀態和向下剝離狀態下墊片應力變化值。

圖4 排氣歧管墊片與發動機缸蓋的運動狀態

3 排氣歧管墊片有限元分析

3.1 應力分布及幅值分析

分析原有方案和各改善方案下墊片上凸點與缸蓋壓緊/剝離狀態下應力分布，同時計算其變化幅值，應力幅值=|壓緊狀態下應力值-剝離狀態下應力值|。以改善方案KAI-3為例，2種狀態下應力分布見圖5。采用方案KAI-3時應力幅值計算結果見表1，幅值越大，意味著工作狀態下墊片受力情況越嚴苛，對疲勞壽命更不利。

圖5 采用方案KAI-3時排氣歧管墊片上凸點壓緊及剝離狀態下應力分布(單位：MPa)

表1 采用方案KAI-3時排氣歧管墊片應力幅值計算結果

3.2 疲勞壽命分析

根據各方案的應力幅值，按式(1)計算各改善方案的壽命提升值，結果見表2。壽命提升值小于1，代表該位置的疲勞壽命相比原方案有所降低；大于1，代表該位置的疲勞壽命相比原方案有所提升。結果顯示：在原有開裂位置，各方案的疲勞壽命均有提升；采用方案KAI-3時，原開裂位置的壽命有大幅提升，僅位置5的壽命有所下降。該點的應力值與原方案基本處于同一水平，且該點在原試樣發動機臺架耐久試驗中未出現開裂現象，預計按KAI-3方案制作樣件，該位置在臺架耐久試驗后無開裂風險。因此，推薦以KAI-3方案進行試樣制作和后續試驗驗證。

(1)

表2 排氣歧管墊片改善方案的壽命提升預測

4 排氣歧管墊片改善方案臺架試驗驗證

基于上述疲勞壽命計算結果，以改善方案KAI-3進行樣件制作，并搭載發動機臺架進行共振點耐久驗證。測試臺架及改善后試樣見圖6。

圖6 發動機耐久測試臺架及改善方案KAI-3試樣

因為改善后排氣歧管墊片試樣結構及剛度發生了變更，共振點耐久循環前需重新通過掃頻試驗尋找墊片最大振幅狀態下發動機轉速，通過設置麥克風聲音監控裝置及在重點位置加裝加速度傳感器來識別振動最大的工況點。掃頻試驗實測墊片實時振幅與發動機轉速的關系見圖7。

圖7 墊片實時振幅與發動機轉速的關系

根據現場麥克風監測及振動加速度測試數據，在發動機轉速運行至3 900 r/min(NL狀態：對應ENG扭矩10 N·m)附近時振幅和振動頻率最大，并伴隨有聲音的波峰(可接受水平)。在設定的共振轉速下，按照設計標準要求的共振耐久循環模式對方案KAI-3試樣進行耐久試驗驗證，試驗后通過磁粉探傷和目視檢查，未發現變形和開裂現象(見圖8)。將該墊片試樣安裝到發動機上，運行1年半時間內未出現品質問題，證明改進后構件有效。

圖8 發動機共振耐久試驗后排氣歧管墊片狀況

5 結論

(1) 根據應力幅值計算結果和疲勞壽命預測結果，各改善方案在原裂紋位置的疲勞耐久壽命均有提升，其中方案KAI-2和KAI-3的耐久壽命提升均在2倍以上。

(2) 改善方案KAI-3在位置5的疲勞壽命比原試樣有所下降，但該位置為非應力集中位置，預計按KAI-3方案制作樣件，該位置在臺架耐久試驗后無開裂風險。

(3) 按改善方案KAI-3制作的排氣歧管墊片試樣在發動機共振臺架耐久試驗后無裂紋發生，順利進入量產，量產試樣無品質問題發生，該改善方案有效。