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节温器总成密封失效故障分析及优化设计

王康，蒲大宇，崔权
（上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司，上海201804）

摘要：本文针对某小型汽油机在试验中出现的节温器总成泄露故障，全面分析可能导致失效的影响因素，逐一排查，并运用
Abaqus/Standard作为主要工具，建立有限元模型加以分析，结合实验数据，提出优化方案加以改进，最终通过对比试验，确认优
化措施得当，改进效果显著，有效解决了泄露问题。

1引言

某小型汽油发动机，在试验过程中出现节温器总成泄露故障。故障总成共由4件零件组成：节温器罩壳、密
封圈、螺栓及衬套。
为正确找出故障原因，做鱼刺图如下：

密封面设计

衬套设计不
安装螺栓预紧力设计不

节温器罩壳形状设计
节温器罩壳材料选用不

节温器总成
泄露
密封圈材料不佳
零件生产缺
密封圈截面
密封圈尺
形状设计不装配缺陷
寸设计不

密封圈设质量因素

图1-1节温器总成泄露原因鱼刺图

2故障原因排查

2.1质量因素

故障诊断问题通常首先要排查制造/装配原因。经检验，该节温器总成涉及的零件均不存在生产质量问题，装
机过程中也未见故障，因此，节温器总成密封失效原因可排除质量因素。

2.2设计因素

在排除质量因素后，设计因素成为了下一步工作的重点。如图1-1所示，设计因素可分为两个大的方面：
密封圈设计；
节温器罩壳相关设计。
以上两个大的方面涵盖了诸多影响因素，如图1-1示，所涉及的影响因素均需逐一排查。
2.2.1密封圈
该密封圈材料为三元乙丙橡胶（EPDM），是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物，其最主要的特性就
是具有优越的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力，并具有极好的硫化特性。
发动机节温器内冷却液温度通常在120degC以下。有关研究表明，EPDM具有较好的耐过热水性能，但与所
用硫化系统密切相关。如，以二硫化二吗啡啉、TMTD为硫化系统的乙丙橡胶，在125℃过热水中浸泡15个月后，
力学性能变化甚小，体积膨胀率仅0.3%。通过复查密封圈试验后样件，并未发现橡胶材料失效，因此可以基本排
除密封圈材料选择不当的可能性。
通常，类似于节温器总成的密封条件，o型圈是较好的选择，但是由于该密封圈空间形状复杂，o型圈难以
满足生产要求，故将密封圈横截面设计成图2-1所示形状。

图2-1密封圈截面状

在试验样件复查过程中，未发现密封圈褶皱现象，该密封圈形状具有较好的适应性；通过测量，发现橡胶密
封圈残余高度不足，因此不排除尺寸不当引起失效的可能性。
2.2.2密封面设计
密封面的设计影响因素较多。密封面压紧力和螺栓预紧力、衬套制造公差、罩壳材料选择以及罩壳刚度等因
素均影响到密封面保持密封性能的能力。经分析可知：
安装螺栓预紧力符合常用螺栓预紧力设计，未见不当，可排除；
节温器罩壳材料为PA66，并添加一定比例玻纤，一定程度上提高了罩壳刚度，但刚度是否已足够尚待查证；
衬套长度略低于设计经验值，在一定自然时效后可能会导致螺栓夹持力丢失，需改进；
罩壳形状设计复杂，需借用FEA手段考察罩壳在工作状态下的真实变形，待查。

3有限元分析

建立节温器总成有限元模型，采用Abaqus/Standard作为求解器，考察节温器罩壳在工作状态下的真实变形。

3.1模型介绍

有限元模型如图3-1所示，包括：节温器罩壳、衬套、螺栓、橡胶密封圈以及缸盖上的安装法兰部分。密封
圈位于缸盖和节温器罩壳之间，衬套嵌入在节温器罩壳螺栓孔内。由于要考察螺栓上紧过程中密封圈的接触和变
形情况，因此初始模型中，缸盖和节温器罩壳法兰面之间留有一定间隙，该间隙等于密封圈安装初始高度。为了
得到准确的密封圈变形，密封圈应采用比较细密的网格，这样既能保证密封圈不致过刚，又可以避免计算过程中
密封圈网格变形过大导致发散。

图3-1节温器总成有限元模型

3.1.1材料
如表3-1所示。

表3-1零件材料

零件名称材料
节温器罩壳PA66+glassfiber（线弹性模型）
密封圈EPDM（超弹模型）
螺栓Steel（线弹性模型）
衬套Cu（线弹性模型）

3.1.2约束
在剖切面上选取适当的节点约束1、2、3自由度以消除模型的刚体位移，为避免受约束节点处应力集中，可
以适当增加约束点的数量。
3.1.3接触关系
在各接触面之间定义相应接触关系，其中，为了考察橡胶密封圈的变形过程，需为缸盖-节温器罩壳、密封圈
-缸盖、密封圈-节温器罩壳之间定义有限滑移接触，其余处定义小滑移接触，并设置恰当的接触参数和属性。
特别要说明的是，建议为密封圈-缸盖、密封圈-节温器罩壳之间的接触对使用Adjust参数，虽然该参数对于
有限滑移类型的接触不是必选参数，但是合适的Adjust参数将非常有助于计算收敛性。
3.1.4载