发动机密封性是评价发动机品质的重要指标之一，良好的密封和足够的强度一直是发动机整机可靠性的重要保障。气缸盖是发动机中结构最复杂、机械载荷和热负荷最高的零件之一。
在发动机运行过程中经常暴露出由于其刚度或强度不足而引起的种种问题。发动机的气缸垫的主要作用是使高温高压燃气、冷却水和润滑油不泄露，起密封的作用；并且与气缸盖、气缸套、活塞一起构成气缸容积和燃烧室；气缸垫在高温高压和受热不均的条件下工作，其强度、密封性能的好坏，直接影响到发动机工作的安全性和可靠性，是发动机的重要密封部件。在某发动机冷热冲击试验中，出现缸体排气侧漏水故障，急需对缸垫密封性能进行预测研究。
目前国内对金属气缸垫密封的研究较少，本文利用有限元分析软件，对某汽油发动机气缸密封垫进行了建模和计算，分析了汽缸垫上的压力分布，关键部位的变形，以及结构对缸垫密封性能的影响，然后根据分析结果对现有缸垫进行了改进，对比分析结果发现有明显改善，最终改进缸垫通过发动机冷热冲击试验。
缸垫几何结构介绍
气缸密封垫安装在机体与缸盖之间，其结构复杂，工作环境恶劣。气缸垫除了密封燃烧室、冷却液机润滑油通道，防止漏气、漏油、漏水之外，还用户与传递机体与缸盖之间的作用力，密封垫上冷却液和润滑油孔道的布置对整机的冷却与润滑性能有很大的影响，所以在设计过程中要充分考虑气缸密封垫与整机匹配。
在本分析中，采用的是金属垫片，根据结构和作用来区分，主要分为缸垫本体、缸口密封圈、水套密封圈、高压油孔密封圈、回油孔密封圈五个部分，它们的主要作用是构造缸垫主体、防止燃烧室漏气、防止水套漏水和防止高压油孔及回油孔漏油。缸垫结构示意图如图 1所示。
缸垫 3D 示意图（图1）
缸垫截面示意图（图1）
模型建立
缸垫的力学特性
为准确计算其压力分布，测得缸垫缸口密封波纹、水套密封波纹、高压油孔密封波纹、回油孔密封波纹加载和卸载特性曲线如图 2 所示。在分析中，将这些曲线通过编辑 AbaqusGASKET单元属性，赋给缸垫波纹单元。
图 2 缸垫波纹压缩特性曲线
计算工况
考虑到缸垫在整个冷热冲击试验过程中的工况，将整个分析分为五步，step‐4 和 step‐5 为将 step‐2 和 step‐3 重复一个循环：
lstep‐1 装配工况
lstep‐2 热应力工况（冷却水温 110℃）
lstep‐3 热应力工况（冷却水温 25℃）+2 缸最大爆发压力
lstep‐4 热应力工况（冷却水温 110℃）
lstep‐5 热应力工况（冷却水温 25℃）+2 缸最大爆发压力
边界条件
约束缸体主轴承座出部分节点 x，y，z 的位移自由度。
有限元分析模型
有限元模型包括缸体、缸盖、缸垫、缸盖螺栓、气门阀座和火花塞。缸体、缸盖接触及重要部位采用六面体单元，其余采用四面体单元。缸垫、气门阀座、火花塞采用六面体单元，缸盖螺栓采用 beam 单元模拟。有限元分析模型见图 1。
图 3 有限元分析模型
模型验证
为验证模型的有效性，特对有缸垫模型和无缸垫模型进行了压印试验验证，图 4 为缸垫缸盖侧面压试验结果和仿真装配工况结果对比。
仿真分析结果 压印试验结果
图 4 缸垫面压（缸盖侧）对比
由图 4 可知，仿真结果和压印试验结果趋势基本一致，因此认为有限元分析模型时有效的，可以进行缸垫的密封性能预测分析。
结果分析
缸垫螺栓轴向力变化
图 6 为各工况下螺栓轴力的变化，螺栓轴力变化，对缸垫的密封性能会产生影响，同时考虑到螺栓的强度要求，必须采用允许拉伸轴向力大于螺栓在受热工况中的最大轴向力，才可满足设计要求。在此款发动机及，螺栓强度满足要求。
图 6 螺栓轴向力变化
缸垫面压分布
方案一为最初缸垫设计，方案二在方案一上对水波压缩高度和宽度进行了调整，同时在缸垫中间层增加了 6 个 stopper。图 7 为方案一与方案二装配工况面压对比结果。有图中可以看出，水波排气侧均有出现压力不足情况。方案二在水腔波纹和回油孔波纹出面压较方案一有明显增加，满足我们的设计要求。
图 7 step‐1 面压对比图
在水温为 110℃热负荷工况，缸体缸盖温度升高，螺栓轴向力增加，缸垫面压也会随之增加，而当水温下降到 25℃度时，水套周围壁温迅速下降，缸体缸盖温度场发生变化，螺栓轴向力降低，缸垫密封压力下降。由图 8 可以看出，方案一排气侧水腔和回油孔波纹压力下降较大，而方案二在冷却工况仍能保证密封压力。
图 8 step‐3 面压对比示意图
为了研究有无 stopper 对缸垫密封性能的影响，特将有 stopper 和无 stopper 缸垫（缸垫其它结构均一致）有限元分析结果进行了对比。方案一与方案二 step‐3 缸盖变形对比如图 9 所示，方案二缸盖整体弯曲变形较方案一小。
图 9 step‐3 缸盖变形对比
图 9 为装配工况对比结果，由图可知无 stopper 较有 stopper，水腔波纹和回油孔波纹面压均有不同层度的下降，而在水温为 25℃时工况下降更为明显，如图 10 所示。由此可见，有stopper 结构缸垫对其密封性能有很大的影响。
图 9 step‐1 面压对比图
图 10 step‐3 面压对比示意图
缸垫 headlift 的变化
headlift 为 step‐3 相对 step‐1 波纹变形。图 12 为方案一与方案二水腔波纹 headlift 对比图，由图可知，方案一排气侧部分节点 headlift 在冷却水温为 25℃时线压下降较方案二明显。
图 12 水腔波纹 headlift 对比图
小结
1）利用 AbaqusGASKET 提供的专用垫片单元，通过材料定义厚度方向的非线性压缩特性曲线，可以有效的模拟加载和卸载过程中的材料非线性。
2）通过对缸垫波纹宽度和高度的调整，增加 stopper，改进后的缸垫水腔波纹面压和线压有明显提高。
3）增加 stopper 之后能有效减小缸盖的变形，增加缸垫面压。
4）方案一缸垫在发动机冷热冲击试验中出现排气侧漏水故障，改进后的方案二通过了发动机220h 冷热冲击试验。
资料来源：达索官方
