节温器总成密封失效故障分析及优化设计.pdf

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1、节温器总成密封失效故障分析及优化设计节温器总成密封失效故障分析及优化设计王康，蒲大宇，崔权（上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司，上海 201804）摘要：本文针对某小型汽油机在试验中出现的节温器总成泄露故障，全面分析可能导致失效的影响因素，逐一排查，并运用Abaqus/Standard 作为主要工具，建立有限元模型加以分析，结合实验数据，提出优化方案加以改进，最终通过对比试验，确认优化措施得当，改进效果显著，有效解决了泄露问题。1 引言1 引言某小型汽油发动机，在试验过程中出现节温器总成泄露故障。故障总成共由 4 件零件组成：节温器罩壳、密封圈、螺栓及衬套。为正确找出故障原因，做鱼刺图如下：

2、图 1-1 节温器总成泄露原因鱼刺图2 故障原因排查2.1 质量因素2 故障原因排查2.1 质量因素故障诊断问题通常首先要排查制造/装配原因。经检验，该节温器总成涉及的零件均不存在生产质量问题，装机过程中也未见故障，因此，节温器总成密封失效原因可排除质量因素。2.2 设计因素2.2 设计因素在排除质量因素后，设计因素成为了下一步工作的重点。如图 1-1 所示，设计因素可分为两个大的方面：密封圈设计；节温器罩壳相关设计。以上两个大的方面涵盖了诸多影响因素，如图 1-1 示，所涉及的影响因素均需逐一排查。2.2.1 密封圈密封圈该密封圈材料为三元乙丙橡胶（EPDM），是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的

3、三元共聚物，其最主要的特性就是具有优越的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力，并具有极好的硫化特性。发动机节温器内冷却液温度通常在 120degC 以下。有关研究表明，EPDM 具有较好的耐过热水性能，但与所用硫化系统密切相关。如，以二硫化二吗啡啉、TMTD 为硫化系统的乙丙橡胶，在 125过热水中浸泡 15 个月后，力学性能变化甚小，体积膨胀率仅 0.3%。通过复查密封圈试验后样件，并未发现橡胶材料失效，因此可以基本排除密封圈材料选择不当的可能性。节温器总成泄露密封面设计密封圈设质量因素节温器罩壳形状设计安 装 螺栓 预紧 力 设计 不节温器罩壳材料选用不密封圈材料不佳密封圈截面形状设计不密封圈尺寸

4、设计不衬 套 设 计 不零件生产缺装配缺陷通常，类似于节温器总成的密封条件，o 型圈是较好的选择，但是由于该密封圈空间形状复杂，o 型圈难以满足生产要求，故将密封圈横截面设计成图 2-1 所示形状。图 2-1 密封圈截面状在试验样件复查过程中，未发现密封圈褶皱现象，该密封圈形状具有较好的适应性；通过测量，发现橡胶密封圈残余高度不足，因此不排除尺寸不当引起失效的可能性。2.2.2 密封面设计密封面设计密封面的设计影响因素较多。密封面压紧力和螺栓预紧力、衬套制造公差、罩壳材料选择以及罩壳刚度等因素均影响到密封面保持密封性能的能力。经分析可知：安装螺栓预紧力符合常用螺栓预紧力设计，未见不当，可排除；

5、节温器罩壳材料为 PA66，并添加一定比例玻纤，一定程度上提高了罩壳刚度，但刚度是否已足够尚待查证；衬套长度略低于设计经验值，在一定自然时效后可能会导致螺栓夹持力丢失，需改进；罩壳形状设计复杂，需借用 FEA 手段考察罩壳在工作状态下的真实变形，待查。3 有限元分析有限元分析建立节温器总成有限元模型，采用 Abaqus/Standard 作为求解器，考察节温器罩壳在工作状态下的真实变形。3.1 模型介绍模型介绍有限元模型如图 3-1 所示，包括：节温器罩壳、衬套、螺栓、橡胶密封圈以及缸盖上的安装法兰部分。密封圈位于缸盖和节温器罩壳之间，衬套嵌入在节温器罩壳螺栓孔内。由于要考察螺栓上紧过程中密封

6、圈的接触和变形情况，因此初始模型中，缸盖和节温器罩壳法兰面之间留有一定间隙，该间隙等于密封圈安装初始高度。为了得到准确的密封圈变形，密封圈应采用比较细密的网格，这样既能保证密封圈不致过刚，又可以避免计算过程中密封圈网格变形过大导致发散。图 3-1 节温器总成有限元模型3.1.1 材料材料如表 3-1 所示。表 3-1 零件材料零件名称材料节温器罩壳PA66+glass fiber（线弹性模型）密封圈EPDM（超弹模型）螺栓Steel（线弹性模型）衬套Cu（线弹性模型）3.1.2 约束约束在剖切面上选取适当的节点约束 1、2、3 自由度以消除模型的刚体位移，为避免受约束节点处应力集中，可以适当增

7、加约束点的数量。3.1.3 接触关系接触关系在各接触面之间定义相应接触关系，其中，为了考察橡胶密封圈的变形过程，需为缸盖-节温器罩壳、密封圈-缸盖、密封圈-节温器罩壳之间定义有限滑移接触，其余处定义小滑移接触，并设置恰当的接触参数和属性。特别要说明的是，建议为密封圈-缸盖、密封圈-节温器罩壳之间的接触对使用 Adjust 参数，虽然该参数对于有限滑移类型的接触不是必选参数，但是合适的 Adjust 参数将非常有助于计算收敛性。3.1.4 载荷及载荷步载荷及载荷步如表 3-2 示。表 3-2 载荷及载荷步载荷步说明Step-1在该载荷步内施加一个较小的螺栓预紧力，帮助各触面建立接触Step-2为

8、螺栓施加真实的预紧力，考察真实的受力、变形和接触由于密封圈使用超弹材料模型，因此各个载荷步必须开启几何非线性选项。3.1.5 输出输出为了便于调试模型，在试算时，可以利用 Frequency 参数定义输出全部中间增量步的计算结果，待模型调试成功后，输出定义改为仅输出最终的应力、应变、应变能以及接触相关计算结果以减小结果文件。3.2 计算结果计算结果3.2.1 密封圈变形及接触应力密封圈变形及接触应力图 3-2 密封圈变形图 3-3 密封圈接触应力分布3.2.2 节温器罩壳法兰接触应力节温器罩壳法兰接触应力图 3-4 罩壳法兰接触应力3.2.3 节温器罩壳法兰面变形节温器罩壳法兰面变形图 3-5

9、 罩壳法兰面变形3.2.4 结果分析结果分析1）密封圈由于受曲率影响，密封圈两侧刚度不一致。如图 3-2 所示，受压变形后，密封圈仅一侧弯曲，另一侧保持平直。观察密封圈整周的变形，可以发现，密封圈仅一侧壁面弯曲、另一侧壁面保持平直，其弯曲的方向和半径方向同向。在图 3-3 中的 A 区域，密封圈直线形密封段，其刚度两侧是对称的，在受压后，有可能向任意一侧弯曲。但由于该段两端连接处的圆弧均为内凹形密封段，因此该直线密封段密封圈变形沿袭了两端的变形方式，即外壁弯曲而内壁保持平直。观察密封圈侧壁接触应力云图 3-3，在密封圈整周范围内，仅 A 区密封圈的内、外壁均未与密封圈安装槽发生接触，即，该段密

10、封圈退让后，未获得有效支撑，该段内密封刚度不足，即意味着该段密封能力不足。密封圈顶面接触应力云图 3-3 显示，A 区域内密封顶面上接触压力出现明显的不连续，B、C 两点处的接触压力较相邻区域有明显下降。对比试验结果，A 区域存在严重的泄露，B 区域处渗漏偶尔发生，C 区域未见泄露。2）节温器罩壳如图 3-4 所示，在节温器罩壳与缸盖的安装法兰面上，实际仅螺栓头附近区域发生了有效接触。这表明，节温器罩壳整体偏软，安装法兰面整体发生了变形。结合图 3-5，发现在 1-5 五个安装点之间，共出现 4 处相对变形较大的区域，见图内圆圈内标注处。顺次做出螺栓 1-5 之间的连线，如图 3-5 中的虚线

11、所示，可见变形区域均位于有效夹持螺栓的连线中点附近，并且全部没有落在紧固螺栓的连线上。由于法兰面的弧形设计导致螺栓之间材料缺失，无法将紧固螺栓的夹持力有效传递到变形处，加之密封圈反力作用，导致法兰面在夹持力最弱的地方发生了曲翘。由于各处变形点上方结构不同，各处变形量有所差别，如图 3-6 所示，2-3 之间的刚度最弱，因此变形也最大。图 3-6 法兰上部结构2-3、1-5 及 1-2 之间尽管放生了变形，但是由试验可知，这三处变形并未引起泄露，因此变形程度是可接受的，而 4-5 之间的变形位置则在试验中出现过泄露。使用塞物法测量实际装配后的罩壳法兰变形，测量数据与计算结果对比见表 3-3。表

12、3-3 法兰测数据与计算结果对比位置计算结果/mm实测结果/mm1-20.310.322-30.380.524-50.470.641-50.450.55两者之间存在一定差异，但是趋势完全一致，如果排除制造误差和测量误差的影响，可以认为计算结果与实测结果吻合度较高。对于该工程问题，由于缺乏标准，很难确定许用变形极限值，只能采用比较法对设计加以改进，因此变形趋势的预测更具有实际意义。4 优化设计4.1 节温器罩壳形状设计4 优化设计4.1 节温器罩壳形状设计由 3.2.3 计算结果可知，节温器罩壳在承受螺栓夹持力之后，会产生一定的曲翘变形。当变形过大致使密封法兰面上某些区域夹持力下降时，即可能引起

13、泄露故障。为了避免这种情况发生，有必要优化节温器罩壳设计。尝试采取如下措施：法兰面厚度提高 2mm，以提高罩壳法兰面抗变形能力；在图 3-5 圆圈标注区域的法兰上部增加加强筋，减小局部变形；改变法兰面形状，如图 4-1 所示，将“花生形设计”改为五边形设计，使螺栓夹持力得到有效传递；改变罩壳材料，选用刚度较大材料，减少整体变形。图 4-1 优化后罩壳法兰形状及加强筋4.2 密封圈4.2 密封圈适当增加密封圈宽度，或将密封圈截面形状改为“平顶橄榄形”，如图 4-2 所示，以减小密封圈退让空间，提高密封圈残余高度保持能力，从而提高密封性能。该措施对于图 3-3 中的 A 区域有显著意义。图 4-2

14、 建议的密封圈截面形状4.3 衬套4.3 衬套严格控制衬套制造公差，保证衬套长度在合理的范围内，从而保证螺栓夹持力不丢失。4.4 复算4.4 复算设计修改后，建立新的有限元模型，按照章节 3 相同的设置和方法进行对比复算，计算结果表明，优化设计后的节温器罩壳法兰面变形有明显改善，密封圈顶面接触应力分布趋于均匀，且密封圈侧壁获得更多有效支撑，以上改进均意味着密封能力提升。限于文章篇幅，复算结果不在文中使用图片详细描述。5 试验对比5 试验对比将新旧两种设计分别安装在相同的工装上，静置于 80degC 热水中施加静压，结果如表 5-1 所示。表 5-1 优化前后实验结果设计方案压力/bar保压时间

15、/hour优化前50优化后1024试验表明改进效果显著，优化后设计满足工程要求。6 结论6 结论Abaqus/Standard 对含有多处不同类型接触（有限滑移/小滑移）的高度非线性问题具有良好的解算能力，计算结果和试验结果吻合良好；原节温器总成存在罩壳刚度不足、密封圈尺寸偏小以及衬套长度偏小的问题，泄露是这些问题综合影响的结果。要解决失效，必须全面排查所有可能的影响因素，并针对潜在风险逐一改进；基于章节 3 的计算结果，对比试验现象，提出了相应优化方案。实验表明措施得当，有效解决了节温器总成的泄露问题。下一步的工作下一步的工作在获得准确的热材料属性和热边界条件后，可以在本文的基础上进一步计算节温器罩壳热变形，将取得与工程实际更好的一致性。致谢致谢在本案例中的计算过程中，Dassault 公司高绍武博士提供的诸多帮助，特此表示感谢。