摘要：近年来，摩托车水冷发动机在三轮车和全地形车上得到广泛应用，由于水冷发动机气缸头密封系统是双向密封，结构较复杂，既不能让冷却液漏入机油中，也不能让机油或气漏入冷却液中，因此，发动机故障率相对较高。通过对摩托车水冷发动机市场出现气缸头密封垫烧蚀带来的系列问题进行分析，从气缸头密封垫的密封机理入手，对水冷发动机气缸头密封垫进行了优化设计，很好地解决了水冷发动机气缸头密封问题。

    摩托车水冷发动机压缩比较风冷发动机大，同时缸面结构也与风冷大不相同，摩托车水冷发动机防止漏气、漏油和漏水，是最基本的设计制造要求，常因“三漏”问题拖长产品的开发周期或产品密封质量欠佳，导致机油消耗量、曲轴箱窜气量超标、气缸垫寿命缩短等问题，从而影响产品质量。要成功开发、生产水冷发动机，关键在于如何保证水冷发动机的密封问题，特别是气缸面的密封性尤为重要，水冷发动机气缸面存在双向密封，既不能使冷却液漏入油中，也不能使油或气漏入冷却液中，所以水冷发动机的密封非常重要，因而对燃烧室密封性要求更高，密封效果不好直接影响到发动机功率下降和漏气、漏水，进而导致发动机零部件寿命降低和发动机失效。通过对摩托车水冷发动机市场出现的气缸头密封垫烧蚀带来的系列问题进行分析，从气缸头密封垫的密封机理入手，对水冷发动机气缸头密封垫进行了优化设计，很好地解决了水冷发动机气缸头密封问题。

    1  摩托车水冷发动机气缸头密封垫密封机理
    1.1 气缸头密封垫的作用
    由于水冷发动机压缩比较风冷发动机大，对燃烧室密封性要求更高，密封性能的好坏直接影响到水冷发动机能否正常工作，气缸头密封垫安装在发动机气缸体和气缸头之间，作用是保证燃烧室的密封，防止燃气、冷却水和润滑油窜漏。燃气、冷却水、润滑油3种流体的温度、压力和粘度相差很大，而工作气体要进行物理、化学和热变化，由于这些特殊性，气缸头密封垫所处的不同环境与任务和其他密封垫相比，要苛刻和重要的多，气缸头密封垫可靠密封的难点有以下几点。
    a) 3种流体的形状差别很大，对各自要求的密封面压差也大，如表1所示。

    b) 3种流体的物理化学性质大不相同，选材较困难。
    c)缸垫尺寸大，要想使其全部有适当的面压分布，需环绕被密封的流体形成连续的密封环带。
    d)缸头是发动机中压力和温度变化最激烈的部件，要使气缸头密封垫在长久使用中保持性能，要保证缸头螺栓的轴向紧固力降低时，仍有较好的密封性能。
    1.2 气缸头密封垫的密封机理
    气缸垫主要靠连续的密封环带进行密封，密封垫密封线加工过程如图1所示；加工后应力分布如图2所示，金属垫片在压波过程中形成波形凸起，外力形成金属材料的塑性形变，形成金属内部应力的不均；密封垫装配后的应力分布如图3所示，垫片在装配后，内部应力在外力（来自缸头）作用下，应力在波形的高点和2个支点集中，形成密封带，这个阶段，外力不消除，内部应力不会衰减和改变分布，形成永久密封，当发动机在拆机过程中，外力消除，垫片集中的应力会随着外力的消除，向反方向扩散，所以金属垫片不能二次装机。

    2 摩托车水冷发动机气缸头密封垫的优化设计
    2.1 气缸头密封垫材料的选用
    对于水冷发动机，特别是大排量发动机，当发动机使用环境恶劣时，单用一片简单的密封垫解决发动机气缸头的密封问题是相当困难的，要求缸垫材料要有合适的压缩、复原特性和永久应变特性，所以应选用金属复合垫片或金属垫片。
    环保节能型金属橡胶复合垫片是选用合金钢，碳钢经化学处理，涂以高耐油胶膜，再经硫化交联复合而成的金属垫片，它的性能优越，金属与胶膜有较高的结合强度，胶膜具有耐冲击、耐化学介质、耐溶剂、耐燃油及可靠的密封性，完全适合气缸头的密封工况要求。一般选用高温弹性好、表面柔性好的材料，如JZ2520，底板为0Cr18Ni9Ti，涂层为氟橡胶。
    2.2 单层气缸头密封垫结构及缺陷
    a)单层气缸头密封垫结构：单层气缸头密封垫基本采用底板为0Cr18Ni9Ti，双面涂层氟橡胶，具体结构如图4所示。平面上有内外圈密封线，内圈密封线主要密封高温高压燃烧气进入水道和防止循环水进入燃烧室，外圈密封线主要密封循环水道里的水不能进入外界；密封垫上的内外圈密封线高度一致，均高于基面（0.20±0.05) mm。

    b）单层气缸头密封垫缺陷：由于水冷发动机广泛使用在三轮摩托车上，使用环境恶劣（路况差、重载等），使得气缸头在发动机上会有轻微的跳动，这是在压缩和燃烧压力作用下，气缸头试图从缸体上分离造成的结果。这些压力拉长了气缸头连接螺栓，导致气缸头相对缸体有一个轻微的跳动，这种轻微跳动会使气缸头密封垫出现放松和压紧现象，从而加快了气缸盖密封垫的损坏，影响密封性能。正常情况下，这种轻微的跳动是非常微小的（几乎为零），因此，对气缸密封性能的影响也是非常微小的（几乎为零）；但在非正常情况下，这种跳动对气缸密封性能的影响就显得非常明显了，如摩托车处于颠簸或高频振动状态时，发动机的预紧螺栓发生松动，会在密封件和摩托车发动机密封面之间产生间歇式的微间隙而导致渗漏。所以，尽量不要让摩托车长时间在高低不平的路上行驶，以减小气缸头轻微跳动的可能性；另一方面，气缸体、气缸头间平面粗糙度和平面度较差，密封垫的压缩率无法填补密封面的粗糙不平，也会导致气缸垫有烧损、老化粘缸等现象。气缸头密封损坏情况如图5所示。

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