10.16638/jki.1671-7988.2021.03.043
某发动机缸盖碗型塞密封失效分析及
解决案例研究
黄金华1,2，范庆先1,2，贺礼1,2，李强1,2，孙萧1,2，赵福成1,2
（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波315336；
2.浙江吉利动力总成有限公司，浙江宁波315800）
摘要：碗型塞又名堵塞，因碗型塞的结构相对简单，可靠性高，价格便宜，广泛应用于内燃机。通过碗型塞与孔的过盈配合，及密封胶双重作用进行密封，碗型塞作为发动机常见的水道，油道密封方式，常见问题主要为漏液，因其结构简单，漏液问题根因也常常容易忽视；文章主要围绕发动机碗型塞漏水问题整改进行了理论分析和试验验证，为问题解决提供参考。
关键词：发动机；碗型塞；漏液；密封
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)03-141-04
Study on the Failure Analysis and Solved Cases of Bowl Plug Sealing
of Engine Cylinder Head
Huang Jinhua1,2, Fan Qingxian1,2, He Li1,2, Li Qiang1,2, Sun Xiao1,2, Zhao Fucheng1,2
（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336;
2.Zhejiang Geely Powertrain Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）
Abstract: Bowl plug, also known as plug, is widely used in internal combustion engines because of its relatively simple structure, high reliability and low price. Sealing is accomplished through the interference fit between the bowl plug and the hole and sealant. As a common sealing mode of engine cooling water jacket and oil channel, a common problem bowl plug is liquid leakage. Because of its simple structure, the root cause of liquid leakage problem is often overlooked. This paper is mainly about theoretical analysis and experimental verification on the leakage problem of engine bowl plug, and to provide references for problem solving.
Keywords: Engine; Bowl plug; Liquid leakage; Sealing
CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)03-141-04
1 引言
碗型塞密封是汽车发动机常见的密封方式，广泛应用于发动机水道、油道密封。碗型塞的密封需要设计匹配、生产工艺、零件质量综合因素保证，因此在量产过程中，不可避免地会出现密封失效的问题。碗型塞密封失效导致的“三漏”问题，是市场客户及主机厂都无法接受的。本文针对某款发动机缸盖水道碗型塞密封失效原因进行了分析及整改。
2 问题背景
发动机组装下线进行台架热试后，出现了批量的缸盖水道碗型塞密封处渗液现象，攻关解决此问题。
作者简介：黄金华（1988-），男，湖北，专科，就职于宁波吉利罗
佑发动机零部件有限公司，主要从事发动机整机开发工作。
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汽车实用技术
142 3 问题分析排查
3.1 故障确认
发动机密封
缸盖碗型塞在热试后出现渗漏，如下图。泄漏区域初步确认锁定为7点钟方向。为进一步确定故障现象，擦拭后，渗漏缸盖后端清洗干净，喷显影后热试运行1000s 后观察，确认漏点在7-8点钟位置，与首发故障吻合，如图1。
图1  漏液图示
3.2 碗型塞密封结构及原理
发动机所使用的碗型塞为Ｑ722系列标准碗型塞（如下图2）。它与安装孔的配合符合QC ／T388-1999的要求[1]。
图2  Ｑ722系列碗型塞
碗型塞与缸盖孔为过盈配合，碗型塞选型为Q72226[2]
（φ26（+0.30/+0.35），匹配缸盖孔φ26H8（0/+0.033）尺寸，
通过过盈量保证宏观密封。
微观密封方式采用密封胶密封。碗型塞密封截面为锥面，碗型塞的有效密封区域为直径较大的一端，如图3。密封胶涂在密封有效区域实现微观密封。
图3  碗型塞
3.3 问题排查[3]
基于密封原理，依次对碗型塞压装状态，切割后的密封区域状态，零件质量、设计校核进行排查分析。
图4  问题排查
3.3.1 碗型塞压装状态确认
测量密封失效的碗型塞不同区域压装深度，不同区域内深度差值超过了0.5mm 。目测存在明显的压偏。如图5：
图5  失效案例压装尺寸
进一步加大样本量测试，抽检5台缸盖。压偏量散差较
大，部分超过了0.5mm 。如图6：
图6  抽检分布
碗型塞压装过程中应受力均匀，保证压装后状态尽可能不产生倾斜与形变。需排查碗型塞压装后状态不良的因素。
通过监控碗型塞压力机压装曲线，如下图7。压装压装
过程中有明显的偏心正过程。合理范围内地对中度散差不会造成压装失效。
图7  压装曲线
校核碗型塞受力面与压力工装压头的配合，间隙为0.385mm-0.615mm 。此外，压头与碗型塞底面配合为点接触，需改善为仿行压头（图8），优化为面接触。
图8  压头工装
3.3.2 密封胶状态确认
拆解后发现碗型塞密封胶不连续，且密封胶区域靠近内侧。该碗形塞是锥形密封，涂胶位置离孔口倒角远（实测3mm ），胶无法大面积填充到密封面，起不到弥补间隙密封的作用。
该碗形塞是锥形密封，涂胶位置离孔口倒角远（实测3mm ），胶无法大面积填充到密封面，起不到弥补间隙密封
黄金华 等：某发动机缸盖碗型塞密封失效分析及解决案例研究
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的作用。校核涂胶位置需往外调整2mm 后可改善。
此外，缸盖碗型塞孔经过清洗机后，残留的清洗液油脂会导致密封胶间断，达因笔测试缸盖孔清洗效果不连续。需增加除脂工艺，优化胶线不连续问题，如图9。
图9  胶线不连续
3.3.3 零部件质量问题排查 3.3.3.1 缸盖孔尺寸排查
收集及测量缸盖碗型塞孔尺寸加工过程数据，多方向测试，测试尺寸数据合格，过程能力＞1.33.无风险。
图10  过程能力数据
3.3.3.2 碗型塞尺寸排查
对影响密封的碗型塞尺寸、性能项进行检测分析，检测结果合格，其尺寸检测结果见表1：
表1  尺寸检测结果
其机械性能检测结果见表2：
表2  机械性能
3.3.4 设计校核 过盈量校核：
碗型塞选型为Q72226（d φ26（+0.30/+0.35），匹配缸盖孔φ26H8（0/+0.033）尺寸，过盈量为0.267-0.35。
根据汽车设计标准QC/T 388-1999中Q722碗型塞片的要求，底孔采用H8级（基孔制），碗型塞和孔配合尺寸根据
表格中尺寸控制。目前碗型塞的设计与标准设计吻合，参照标准设计。对标本公司其他平台标准型碗型塞，φ26的直径采用相同的尺寸设计。如表3：
表3  碗型塞配合
密封胶型号校核：
碗型塞选用的密封胶为乐泰648，乐泰648是一款厌氧胶，具有快速固化，高强度，适合压入配合特点，用于连续工作温度达175℃的场合。乐泰648是相关性能如下：
表4  乐泰648性能
校核开发阶段温度场数据，缸盖水道区域最高温度为125℃。前期开发耐久试验已验证完成，密封胶型号满足使用要求。
3.4 失效原因总结
①碗型塞压装工装结构不合理导致碗型塞压偏； ②涂胶位置不合理导致胶线的有效密封区域较小； ③未除脂导致胶线不连续。
4 优化与验证
4.1 碗型塞压入工装优化
参照碗型塞的结构尺寸，优化工装结构。
优化后，工装与碗型塞两侧间隙0.095-0.035mm 。工装
与碗型塞底面为面接触。保证压装力均匀，减小侧向力，优化碗型塞压偏。
优化后的碗型塞压入工装如下图11：
图11  仿形压头工装
4.2 涂胶位置优化
通过尺寸链计算，为保证密封胶在密封区域的分布。涂胶位置调整为2mm 。整改后，验证对比压装后的涂胶位置，
汽车实用技术
144 大幅度改善。
4.3 除脂工艺通过增加人工除脂优化
改善密封胶不连续问题，整改后效果如下图12。
图12  整改后胶线
4.4 整改效果确认
上述整改措施实施后，跟踪9000件生产热试后未发生一起漏水失效，故障率下降为0，整改措施有效。
5 结语
碗型塞的密封受过盈量，压装后的碗型塞状态、涂胶状态综合保证。需要通过设计合理匹配/零部件质量合格、工装工艺的合理来实现。
设计匹配方面：标准碗型塞参照汽车设计标准选用， 配合采用基孔制设计；碗型塞材料选择同样有标准，需选用不低于工作强度要求。密封胶选择需满足环境温度、适合压装工艺，也可以通过对标其他成熟平台确定。
工艺方面：在碗型塞压入过程中，要压装力均匀，实现压入后碗型塞无明显倾斜。其中，工装结构是很重要的影响因素。
零部件质量是保证密封的充分条件，通过对故障件测量
结果分析，同时增加同批次产品的检测数量的手段。根据过程能力及数据结果锁定产品是否存在风险。
当碗型塞密封失效时，围绕上述三个方面，可以快速锁定原因，整改验证，消除风险。
参考文献
[1] QC/T 388-1999.中华人民共和国专业标准，碗型塞片.
[2] 李洪德.汽车常用的标准件资料手册[M].吉林：科学技术出版社,
2000.
[3] 秦学海.发动机碗形塞处漏油问题分析及解决方法[C].2016中国汽
车工程学会年会论文集.