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气缸盖螺栓密封圈密封性有限元分析与试验研究李利平【摘要】运用有限元理论与ABAQUS分析计算软件，建立某乘用车发动机气缸盖螺栓密封圈与缸体装配体的有限元计算模型，计算密封圈在装配状态下的最大接触压力和Von Mises应力，并采用静态面压试验进行验证。
结果表明，该密封圈满足密封性与强度设计要求，具有足够的安全裕度；仿真分析结果与试验结果吻合较好，验证了有限元分析方法的合理性。
分析密封圈与缸体的摩擦因数与密封介质压力对密封性能的影响。
结果表明，密封圈与缸体的摩擦因数对密封性能影响较小；接触面上的最大接触压力随着密封介质压力的增大而增大，密封性能随之增强。
%Based on finite element theory and ABAQUS software,a finite element discrete model of seal ring-cylinder assembly for a passenger car engine cylinder head bolts was built.The contact pressure and Von Mises of seal ring were calculated and the calculated results were compared with static surface pressure test results.The results show that the seal ring meets the conditions of sealing performance and strength design,which has enough safety margin of sealing perform-ance.The simulation results agree well with the test results,which prove that the finite element simulation model is cor-rect.Some factors influencing sealing properties were analyzed,such as friction coefficient between seal ring and cylinder as well as media pressure.The results indicate that the friction coefficient has a little influence on sealing performance. The maximum contact pressure in the sealing surface is increased with the increase of media pressure,and the sealing per-formance is improved significantly.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】4页(P87-90)【关键词】气缸盖;密封圈;密封性;静态面压试验【作者】李利平【作者单位】华南理工大学广州学院广东广州510288【正文语种】中文【中图分类】TH136橡胶密封圈结构简单，制造方便，尺寸与弹性稳定性高，在机械密封结构中广泛应用。
缸盖的拆装实验报告
《缸盖的拆装实验报告》
在汽车维修领域，缸盖的拆装是一项非常重要的工作。
缸盖是发动机的重要部件，它连接汽缸和汽缸盖垫片，起着密封和支撑作用。
因此，对缸盖的拆装工
作需要非常谨慎和专业。
在本次实验中，我们对一台汽车的发动机进行了缸盖的拆装实验。
首先，我们
使用专业工具将发动机冷却液排出，然后拆下进气管和排气管，将汽缸盖上的
所有螺丝和螺母逐一拆下。
在拆卸过程中，我们需要特别注意不要损坏汽缸盖
和相关部件。
在拆卸完成后，我们清理了汽缸盖和相关部件，检查了密封垫片的状态，并进
行了必要的更换。
然后，我们按照厂家规定的扭矩值和顺序依次安装了新的密
封垫片和汽缸盖，确保所有螺丝都拧紧到位。
在整个拆装过程中，我们严格按照操作规程进行，确保了工作的安全和准确性。
最终，我们成功完成了缸盖的拆装工作，并对发动机进行了测试，确保其正常
运转。
通过这次实验，我们深刻认识到了缸盖拆装工作的重要性和复杂性，也提高了
我们的技术水平和工作经验。
在今后的汽车维修工作中，我们将继续严格按照
操作规程进行操作，确保每一项工作都能达到最佳效果。
收稿日期：2008-05-05基金项目：辽宁省重大科技攻关资助项目（2004216010）良好的密封和强度一直是发动机整机可靠性问题中的主要矛盾之一。
较大的气缸盖螺栓预紧力能保证良好的密封性能，但同时给气缸盖及气缸垫带来了强度问题。
近些年，发动机不断强化，功率不断提高，发动机爆发压力不断增大，机体承受的负荷相应增加，过去常用的金属-石棉气缸垫已经不能适应发动机的燃烧压力和热负荷要求[1]。
2009年 工 程 图 学 学 报 2009 第2期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.2汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析史彦敏1， 李卫民2（1．辽宁石化职业技术学院，辽宁 锦州 121003； 2．辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）摘 要：研究和探讨了有限元分析理论和方法在汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构强度计算中的应用。
以通用有限元分析软件为平台，建立了三维CAD/CAE 应用软件集成系统，实现了从预紧工况到爆发工况的结构分析、稳态热分析和热-结构耦合分析。
关 键 词：计算机应用；组合结构；有限元分析；发动机气缸盖；气缸垫 中图分类号：TP 391文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2009)02-0023-07Finite Element Analysis for Composite Structure of Cylinder Head andCushion in Automobile EngineSHI Yan-min 1, LIWei-min 2 ( 1. Liaoning Petro-Technique College, Jinzhou Liaoning 121003, China;2. Mechanical and Automation Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China )Abstract: The application of finite element analysis theory and method in calculation ofstrength for composite structure of cylinder head and cushion in automobile engine is discussed. A 3D CAD/CAE integrated system is built based on the general finite element analysis software. The structure analysis, steady-state thermal analysis and thermo-structure coupling analysis are realized from pre-tightening to outburst operating mode.Key words: computer application; composite structure; finite element analysis; cylinder head; cylinder cushion采用新型的金属气缸垫可确保燃烧室的密封。
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气缸盖拆装实训操作步骤
一、拆卸
第一步：分二到三次以两向中交叉称的序拆卸气缸盖螺栓
第一次：用扭力扳手和用套筒，以两向中交叉称的序
松气缸盖各螺栓。
1、2、⋯⋯10
第二次：用快速和用套筒，同序出气缸盖各螺栓。
1、2、⋯⋯10
第二步：取下气缸盖和置于适宜位置，并取下气缸置于适宜位置。
二、清洗
第一步：用刀去除气缸盖与气缸体工作面及燃室的炭第二步：用汽油与毛刷清洗缸盖内外部，使其出金属本色。
三、
第一步：目气缸盖无裂，螺栓螺孔的螺无。
第二步：用刀口尺〔尺代替〕气缸盖〔体〕平面度，各平面度差不超。
四、安装
第一步：用干的毛巾再次清气缸体，气缸筒和气缸盖平面
第二步：安装新气缸，在气缸上涂上一密封胶，有的一面朝上，并准气缸体上的螺孔。
第三步：将气缸盖平地置于气缸上，并准螺孔。
第四步：滑与安装新气盖螺栓。
第五步：按定力矩分三到四次以中向两交叉称的序气缸盖螺栓
第一次：用快速和用套筒，以中向两交叉称的序
气缸盖各螺栓。
1、2、⋯⋯10
第二次：用扭力扳手和用套筒，以40NM的力矩以同序气缸盖各螺栓。
1、2、3⋯⋯10
用丹油在螺栓尾部做上。
第三次：用扭力扳手和用套筒，以同序将气缸盖各螺栓再
180度。
1、2、⋯⋯10
五、清并整理工具，告操作完成。
1 7 9 6 4
拧松
顺序
3 5 10 8 2
1
可编辑可修改
8 6 1 3 9
拧紧
顺序
10 4 2 5 7
2。
2011年第2期 青海师范大学学报(自然科学版)Journal of Qinghai No rm al U niversity (Natural Science ) 2011No .2收稿日期:2010-10-20作者简介:李恒宾(1973-),男(汉族),陕西西安人,副教授,研究方向:汽车检测与维修技术.气缸盖在联接螺栓采用不同拆装顺序时的有限元结构分析李恒宾1,费青章2,黄 平1(1.青海交通职业技术学院汽车工程系,青海西宁 810028;2.青海海达汽车检测有限公司,青海西宁 810028)摘 要:利用三维建模软件Solidw ork s 对气缸盖、气缸体和联接螺栓进行了三维实体建模,利用ANS YS W orkbench 有限元分析软件对模型进行了网格划分,确定了有限元分析模型的边界条件.计算分析了气缸盖联接螺栓采用不同的拆装顺序时,气缸盖的应力分布和变形情况.通过结果比对,得到了联接螺栓合理的拆装顺序,对发动机维修质量的保证有一定的参考价值和指导意义.关键词:气缸盖;有限元;预紧力;接触中图分类号:TK412 文献标识码:A 文章编号:1001-7542(2011)02-0075-05气缸盖作为汽车发动机的重要零部件,其结构复杂,同时要承受很大的机械负荷和热负荷,在使用和维修中很容易出现变形,导致发动机出现漏气、漏水、漏油、甚至燃气冲坏气缸垫的现象[1].实践表明,气缸盖联接螺栓采用不同的拆装顺序对气缸盖的变形和应力分布有较明显的影响.螺栓联接属于典型的边界条件非线性接触问题,它的求解是一个反复迭代的过程,用传统的数学计算方法很难进行计算分析.同时,接触问题要考虑摩擦,使计算的收敛性变得困难.随着计算机技术的不断发展,有限元分析已经成为解决复杂工程问题的重要手段.它在可行性论证、工程设计和结构优化等方面发挥着重要作用,并广泛应用于非线性接触问题的计算和分析.1 有限元模型的建立1.1 三维实体模型的建立对结构进行有限元分析,计算模型的建立是十分重要的.因为计算模型建立的是否合理,对计算的速度、分析收敛及计算结果的可信度影响很大[2].为了保证气缸盖计算分析的准确性,在建立模型时,对其主要结构尺寸不作简化,复杂的水腔和气道均根据实际情况精确建模,以保证计算结果的准确有效.气缸盖三维模型如图1所示,进气道剖面如图2所示.图1 气缸盖三维模型图Fig .1 M odel of the cylin der head图2 进气道剖面图Fig .2 Sectional d raw ing of inlet 气缸体和联接螺栓不是本文研究的重点部件,在保证计算精度和准确性的前提下,对特征做了适当简化处理,建立了气缸体和联接螺栓的三维模型.DOI :10.16229/j .cn ki .issn 1001-7542.2011.02.015青海师范大学学报(自然科学版)2011年1.2 有限元模型的转换和网格划分通过三维建模软件Solidw o rks和有限元分析软件ANSYS Wo rkbench之间的无缝结合性能,将三维实体模型转换为有限元模型.在确定网格数量时应权衡计算结果的精度和计算规模的大小,对装配体网格的划分共生成95704个节点和48814个单元.2 有限元边界条件的确定2.1 发动机的主要参数气缸盖的材料采用铸造铝合金,气缸体的材料采用灰铸铁,联接螺栓的材料采用合金调质钢.详细物理性能如表1所示.表1 装配体材料物理性能表T ab.1 Phy sica l perfo rmance statement of assembly materials区域材料弹性模量Gpa泊松比密度Kg/m3气缸盖铸造铝合金750.332700气缸体灰铸铁1300.257210联接螺栓合金调质钢2060.3078002.2 接触边界条件的确定(1)接触对识别①气缸盖和气缸体接触面接触类型定义为摩擦接触Frictio nal,设定摩擦系数为0.2;②螺栓螺纹部分与气缸体接触类型定义为绑定接触Bo nded;③螺栓头部紧固面与气缸盖接触面接触类型定义为摩擦接触Frictio nal.(2)接触算法的确定在接触算法的选取上采用了增强的拉格朗日乘子法,它克服了罚函数和拉格朗日乘子法的不足,又保留它们的优点[3,4],大大降低了对罚值选取的要求,计算结果容易收敛.2.3 位移边界条件的确定由于气缸盖的形状是不对称的结构,为了精确、全面模拟气缸盖的变形和应力情况,在分析中,取整个气缸盖作为研究对象.气缸盖在实际预紧过程中,主要靠各处的接触来限制变形,当采用接触算法后,对气缸盖的位移不再做约束.对气缸体在底部加入固定约束,同时限制X、Y、Z方向的位移.2.4 载荷边界条件和载荷处理(1)预紧力与拧紧力矩的关系预紧力F的数值应根据载荷性质、联接刚度等条件确定.在使用中所施加的预紧力是由拧紧螺栓所施加的扭矩T给出,T可以使用扭力扳手在拧紧螺栓时测出.拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺栓支承面上的摩擦阻力矩T2之和:即:T=T1+T2 (1) T1=Fd2tan(ψ+φν)/2(2) T2=f c F(D30-d30)/[3(D20-d20)](3)则:T=T1+T2=12F d2tan(ψ+φν)+23f c(D30-d30)/(D20-d20)(4)整理成如下表达式:(5) 76第2期李恒宾,等:气缸盖在联接螺栓采用不同拆装顺序时的有限元结构分析令:d 2tan (ψ+φν)2d +f c (D 30-d 30)3d (D 20-d 20)=k 1(6)于是有:T =k 1F d(7)k 1:为扭矩系数;d :为螺纹公称直径;T :为拧紧力矩;F :为螺栓预紧力.普通钢制螺栓联接k 1的平均值是0.199,标准偏差是0.05.在经验设计中,k 1一般取为0.2[5].(2)螺栓预紧力的模拟方法采用ANSYS Wo rkbench11.0软件自带的螺栓载荷,它的模拟原理是采用预紧力单元法,施加方便,模拟精度较高.为了比较联接螺栓采用不同拆装顺序的区别,在ANS YS Wo rkbench 中用载荷步的形式来实现,分以下4种方案进行分析计算:方案1:从中间到两边对角拧紧,即:根据图3所示的螺栓编号按①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧-⑨-⑩的顺序分三次拧紧,预紧力分别为:20KN 、30KN 、40KN .图3 气缸盖螺栓编号Fig .3 Cylinder head b olts code方案2:从两边到中间不对角拧紧,即:根据图3所示的螺栓编号按⑩-⑦-⑨-⑧-④-⑤-③-⑥-②-①的顺序分三次拧紧,预紧力分别为:20KN 、30KN 、40KN .方案3:从两边到中间对角拆卸,即:根据图3所示的螺栓编号按⑩-⑨-⑧-⑦-⑥-⑤-④-③-②-①的顺序拆卸.方案4:从中间到两边不对角拆卸,即:根据图3所示的螺栓编号按①-②-⑥-④-⑤-③-⑨-⑧-⑩-⑦的顺序拆卸.3 有限元模型的求解及结果分析(1)气缸盖不同拧紧顺序求解结果分析从图4-图7的数据可以看到,联接螺栓按方案1和方案2采用不同的拧紧顺序拧紧后,得到的气缸盖变形和应力值非常接近,证明这两种不同的拧紧顺序得到的预紧效果区别不大.图4 方案1气缸盖总变形情况Fig .4 Total deformation des ign 1图5 方案2气缸盖总变形情况Fig .5 Total deformation of design 277青海师范大学学报(自然科学版)2011年图6 方案1气缸盖等效应力分布Fig .6 Equivalen t stress of design1图7 方案2气缸盖等效应力分布Fig .7 E quivalent stres s of design 2 (2)气缸盖不同拆卸顺序求解结果分析从图8和图9的数据可以看出,按方案3拆卸后气缸盖总变形的最大值和最小值要比方案4的小许多,对气缸盖的维修和使用有利.图8 方案3气缸盖总变形情况Fig .8 Total deformation des ign3图9 方案4气缸盖总变形情况Fig .9 Total deformation of design4图10 方案3气缸盖残余应力分布Fig .10 Residual stres s of design3图11 方案4气缸盖残余应力分布Fig .11 Residual stress of des ign 4 从图10和图11的数据可以看出,采用方案3拆卸后残余应力的最大值和最小值均比方案4小,气缸盖不容易产生疲劳而出现裂纹,同时气缸盖在拆卸后由残余应力导致的变形也较小,效果较好.而按方案4的顺序拆卸后气缸盖的残余应力较大,分布不均匀,最大应力部位出现在气缸盖鼻梁区,对气缸盖重新安装后的密封性有较大影响.4 结论(1)气缸盖联接螺栓采用多次顺序加载后,两种不同的拧紧顺序对气缸盖的变形和应力影响很小,数据也非常接近.说明采用从中间到两边对角拧紧联接螺栓与从两边到中间不对角拧紧时的效果相当.(2)联接螺栓不同的拆卸顺序对气缸盖总变形及等效应力的影响较大,按从两边到中间对角拆卸的原则比较合理.参考文献:[1] 孔宪峰.汽车发动机构造与维修[M ].北京:高等教育出版社,2001:101-104.[2] 宋晋宇.Z6110型柴油机气缸盖、气缸垫接触强度分析及其算法的探讨[D ].大连:大连理工大学,2005:09.[3] 王勖成.有限单元法[M ].北京:清华大学出版社,2003:03.[4] Lei Jiang ,R J Rogers .Combined Lagrangian multiplier and penalty fu nction finite element technique for elastic im pact analy sis [J ].Com -78第2期李恒宾,等:气缸盖在联接螺栓采用不同拆装顺序时的有限元结构分析79pu ter﹠Structu res,1988,30(6):1219-1229.[5] 林湖.发动机关键螺栓紧固理论与实验研究[J].上海海运学院学报,2006(1):18-19.Finite element structural analysis of cylinder head in differentdisassembly and assembly orders of connection boltsLI H eng-bin1,F EI Qing-zhang2,HU A NG Ping1(1.Departm ent o f Autom otive Engineering,Qinghai Communicatio ns Technical College,Xining810028,China;2.Qing hai Haida Vehicle Detection Co.,LTD,Xining810028,China)A bstract:Using3D mo deling softw are Solidw o rks,the three dimensional m odel of the cylinder head, the cy linder blo ck and cy linder bo lts are constructed,ANSYS W orkbench so ftw are is used to me shed,and the boundary condition of the finite element analy sis model are dete rmined.Calculated and analyzed the de-fo rm atio n and stress distribution o f the cylinder head in different disassembly and assem bly orders.The re-sult are co mpared to obtain the reaso nable disassem bly order,w ith a ce rtain significance of reference and guidance to guaranteeing quality of Auto mobile mo to r maintenance.Key words:Cy linder head;finite element;preload;contact。
