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基于Abaqus\GASKET的汽油发动机气缸垫密封性能预测研究

黄凤琴李双清张志明黄平任晓川王伟民蔡志强

（东风汽车公司技术中心湖北武汉430058）

摘要：本文首先介绍了气缸垫有限元分析的意义，然后基于有限元软件Abaqus\GASKET功能，

对某发动机气缸密封垫密封性能进行了预测研究。通过建立三维实体模型，根据发动机冷热冲

击试验定义装配、受热、受冷三种分析工况，得到了各工况下螺栓的轴向力变化、缸垫面压及

线压、缸盖变形、缸垫headlift等。分析结果表明：模拟分析可以较好的预测缸垫各工况下的

密封能力，气缸垫的密封性能主要取决于波纹结构、stopper结构和位置的布置及螺栓预紧力，

为缸垫的设计和优化方向提供了充分的理论依据。

关键词：汽油发动机、缸垫、密封、有限元分析、Abaqus\GASKET

1引言

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[1]。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。

2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[2]。

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。

1

缸垫3D示意图缸垫截面示意图

图1缸垫结构示意图

3模型建立

3.1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Abaqus\GASKET

单元属性，赋给缸垫波纹单元。

图2缸垫波纹压缩特性曲线

3.2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：

step‐1装配工况

step‐2热应力工况（冷却水温110℃）

step‐3热应力工况（冷却水温25℃）+2缸最大爆发压力

step‐4热应力工况（冷却水温110℃）

2

step‐5热应力工况（冷却水温25℃）+2缸最大爆发压力

3.3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。

3.2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

4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。

3

5结果分析

5.1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

5.2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