（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

某柴油機(jī)曲軸前油封優(yōu)化設(shè)計(jì)

湯泓淵劉岳文謝良根

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹了某柴油機(jī)曲軸前油封的結(jié)構(gòu)，針對(duì)前油封設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的油封漏油問(wèn)題進(jìn)行了分析，并采取了調(diào)整油封工裝和改進(jìn)油封內(nèi)部結(jié)構(gòu)的措施，解決了油封漏油的故障，為盒式PTFE油封的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考。

1 前言

隨著近年來(lái)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)制造行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，也推動(dòng)著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和性能的不斷提高。曲軸油封作為防止發(fā)動(dòng)機(jī)漏油的關(guān)鍵部件，其重要性越來(lái)越受到各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的重視。三漏問(wèn)題一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)與制造中重點(diǎn)關(guān)注的課題，油封密封性能的好壞，直接影響到主機(jī)廠(chǎng)和客戶(hù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的直觀感受，影響制造商的口碑。各發(fā)動(dòng)機(jī)制造商除了對(duì)油封的使用可靠性和壽命的要求提高外，對(duì)油封的安裝方便性、可維護(hù)性、更換便利性、價(jià)格等方面也提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)大部分柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商基本上采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的，材質(zhì)為氟橡膠或PTFE的徑向密封油封結(jié)構(gòu)[1]。此種油封的裝配方式一般分為2種：一種是將油封壓裝至油封座，然后再將油封座裝配至發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上；另一種是先將與油封配合的油封座裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，然后再將油封裝配到曲軸及座孔上。隨著密封技術(shù)與制造水平的不斷提高，油封的制作加工工藝也不斷成熟；生產(chǎn)效率提高、價(jià)格降低，為新型油封的發(fā)展提供了廣闊的空間。

2 聚四氟乙烯油封介紹

1929年Walther Simmer發(fā)明了橡膠骨架油封。近百年來(lái)人們一直沿用橡膠作為油封的主要材質(zhì)，使用比較廣泛的有丁腈橡膠與氟橡膠。前者成本低廉，但耐溫與密封性能較差，泄漏情況比較嚴(yán)重；而后者的耐溫性與密封性有明顯改善，但成本較高，且仍具備普通橡膠材料的某些不良共性，如耐磨性能差、使用壽命短、對(duì)軸的偏心反應(yīng)特別敏感等，泄漏現(xiàn)象仍比較普遍。

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)Mather、National等公司相繼成功研制了用填充聚四氟乙烯（PTFE）油封代替唇形橡膠油封。聚四氟乙烯又名特氟隆或塑料王，是四氟乙烯單體的共聚物。PTFE化學(xué)穩(wěn)定性好，幾乎所有的化學(xué)抗性，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)氧化劑、有機(jī)溶劑等對(duì)它均不起作用；熱穩(wěn)定性好，裂解溫度在400℃以上，能夠在-200～300℃溫度范圍內(nèi)正常工作；磨擦系數(shù)極低，并且具有非常好的自潤(rùn)滑性，特別適用于高速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合，線(xiàn)速度可高達(dá)30 m/s[2]。

PTFE油封唇口在加工時(shí)被拉成喇叭狀，由于PTFE經(jīng)拉制后具有記憶收縮能力，在工作中產(chǎn)生的摩擦熱使唇口會(huì)不斷收縮，所以不需要彈簧的幫助，它會(huì)緊緊抱在軸上，不讓它與軸表面有間隙存在，也能補(bǔ)償磨損。同時(shí)PTFE油封內(nèi)壁刻有與軸旋向相反的螺紋槽，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)推力，阻止流體外流。

PTFE油封主要應(yīng)用在空氣壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱、起動(dòng)電機(jī)、泵、空調(diào)、攪拌機(jī)、自動(dòng)化精密機(jī)械、機(jī)器人、化學(xué)處理設(shè)備、制藥、食品加工設(shè)備等密封要求較高的場(chǎng)合，特別適用于傳統(tǒng)橡膠油封無(wú)法滿(mǎn)足的應(yīng)用，是今后油封發(fā)展的方向。

3 某柴油機(jī)前油封結(jié)構(gòu)介紹

本論文主要是針對(duì)某柴油機(jī)的曲軸前端密封進(jìn)行油封開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

油封能否良好發(fā)揮密封作用，與密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、密封元件密封性能優(yōu)劣有關(guān)。為了避免曲軸軸頸的磨損，并降低軸頸表面的粗糙度以及淬硬要求，該柴油機(jī)采用了新型的盒式油封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。新型的盒式油封主要由作為內(nèi)圈的軸套和負(fù)責(zé)徑向密封的外圈橡膠密封圈組成。其中軸套可保護(hù)曲軸軸頸，且熱處理成本較曲軸淬硬的低，而且油封主唇密封處的軸頸部分不需要淬火處理。如油封密封唇被軸磨損后，可以只更換油封總成而不需要更換曲軸，從而降低了維修成本。

4 前齒輪室受熱膨脹對(duì)油封橡膠密封的影響

在曲軸前油封設(shè)計(jì)初期，耐久試驗(yàn)期間油封發(fā)生外圈滲漏，見(jiàn)圖2。

該柴油機(jī)的前油封座孔位于鋁制的前齒輪室罩殼上。由于鋁制材料受熱時(shí)變形量大，故對(duì)前齒輪室罩殼座孔的直徑進(jìn)行了受熱變形量測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。同時(shí)，此前齒輪室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間受到限制，使得加強(qiáng)筋布置受限，受熱后會(huì)使整個(gè)齒輪室產(chǎn)生一定的形變。

針對(duì)由于鋁制前油封座孔變形問(wèn)題，采取調(diào)整裝配工藝的方式加以解決，即使用具有固化作用的膠水來(lái)彌補(bǔ)由于座孔變形導(dǎo)致的外圈橡膠密封不嚴(yán)的缺陷。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法有效解決了油封外圈滲油的故障。

圖1 盒式油封結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 前油封泄漏

表2 前齒輪室罩殼座孔受熱變形量

5 油封內(nèi)外圈間隙對(duì)密封性能的影響

5.1 漏油故障模式介紹

該柴油機(jī)在第一批配套電站出廠(chǎng)試驗(yàn)期間，前油封出現(xiàn)漏油故障。針出現(xiàn)障機(jī)的幾臺(tái)柴油機(jī)，拆下其前油封，查看油封本身是否有異常。結(jié)果發(fā)現(xiàn)此次油封泄漏的故障模式一致，基本為油封外圈防塵橡膠與油封內(nèi)圈骨架上的防塵毛氈發(fā)生摩擦，毛氈和防塵橡膠被磨損下來(lái)的碎屑匯集在密封唇與內(nèi)圈襯套的軸之間，導(dǎo)致密封失效，發(fā)生漏油，詳見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 防塵毛氈對(duì)比

圖4 密封唇密封失效

5.2 漏油故障原因分析

根據(jù)對(duì)盒式油封內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)分析，此種油封的一項(xiàng)重要參數(shù)為油封內(nèi)外圈之間的間隙值c。油封安裝后，如果此間隙值過(guò)大，則會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致油封內(nèi)圈防塵毛氈與外圈上防塵橡膠間的間隙b減小，從而使得防塵毛氈與防塵橡膠相互摩擦，見(jiàn)圖1。防塵毛氈與防塵橡膠相互摩擦不僅會(huì)導(dǎo)致油封外圈傾斜，也會(huì)使得磨損下來(lái)的毛氈和橡膠碎屑影響主唇的密封，導(dǎo)致油封密封失效。

5.2.1 前齒輪室罩殼變形

為了方便油封在座孔內(nèi)的軸向定位，油封工裝采用的定位方式是利用前齒輪室罩殼油封孔端面定位。但是通過(guò)試驗(yàn)可知，由于前齒輪室罩殼的結(jié)構(gòu)和材料特殊性，使得在油封裝配過(guò)程中，前齒輪室罩殼座孔端面受力后會(huì)往發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)產(chǎn)生較明顯的位移，尤其是油封工裝接觸到油封孔的端面后，位移加大。油封手工安裝扭矩值與油封孔端面位移的關(guān)系見(jiàn)表3。

在油封被壓裝至油封座孔后，拆下油封工裝，前齒輪室油封座孔回彈，使得油封外圈與前齒輪室罩殼一起回彈，而油封內(nèi)圈的襯套與曲軸是過(guò)盈配合，不會(huì)隨著外圈往外回彈，從而導(dǎo)致毛氈與防塵橡膠的距離與理論要求不符，也就是導(dǎo)致b值減小。

5.2.2 油封內(nèi)外圈設(shè)計(jì)間隙

經(jīng)查，原油封本身的設(shè)計(jì)間隙只有1.4 mm，即防塵毛氈與防塵橡膠的極限理論間隙過(guò)小；另外，油封裝配后的c值大小是依靠油封壓裝工裝上做出的臺(tái)階深度來(lái)控制的，而原油封工裝上內(nèi)外圈的臺(tái)階深度為1mm，詳見(jiàn)圖5。這就意味著使用此工裝安裝好油封之后，加上油封外圈的回彈，c值就會(huì)大于1 mm，使得內(nèi)外圈之間的b值就會(huì)小于0.4 mm。如果再考慮曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的軸向理論竄動(dòng)為0.17～0.42（裝配統(tǒng)計(jì)值一般為0.2～0.3），一旦油封有所傾斜或者是油封在制造過(guò)程中間隙控制出現(xiàn)偏差，這些都將導(dǎo)致油封毛氈與防塵橡膠摩擦的風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，油封在設(shè)計(jì)制造時(shí)本身的內(nèi)外圈理論間隙值大小對(duì)于油封總成的密封性能具有重要影響。

表3 油封安裝扭矩值與座孔位移

圖5 原油封孔端面定位的工裝示意圖

5.3 改進(jìn)措施

5.3.1 改變工裝定位方式和臺(tái)階深度

考慮到前齒輪室罩殼材料為鋁制，在受到壓力時(shí)易產(chǎn)生變形，所以將油封軸向位置的定位方式由油封孔端面定位改為依靠曲軸前端面定位。將油封工裝上接觸前齒輪室端面的定位臺(tái)階削除，即將工裝外圓直徑控制在φ100以下，這樣就能避免在油封安裝至前齒輪室座孔后仍然對(duì)座孔施加的軸力，從而減小座孔和油封外圈的回彈效果。另外，為了減小c值的大小，修改工裝上臺(tái)階的深度，將原先1 mm改為0.4 mm，這樣能進(jìn)一步保證毛氈與防塵橡膠間的安全間隙，詳見(jiàn)圖6。

5.3.2 增加油封內(nèi)外圈設(shè)計(jì)間隙

經(jīng)過(guò)油封供應(yīng)商分析，硫化在油封金屬骨架上的防塵橡膠厚度太厚，可以通過(guò)減少此處的厚度來(lái)增加內(nèi)部間隙；通過(guò)更換膠水類(lèi)型，使用粘結(jié)性能更強(qiáng)的膠水，可以減少膠水的使用量，從而可以最大限度地增加油封本身內(nèi)外圈的間隙值。

通過(guò)供應(yīng)商采取這兩項(xiàng)措施，最終將油封本身襯套與外圈的理論間隙由原來(lái)的1.4 mm增加到了2.4 mm，這樣在c值為0.4的情況下，b值有1.3mm的理論間隙，大大降低了毛氈與防塵橡膠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中相互摩擦的風(fēng)險(xiǎn)，詳見(jiàn)圖7。

圖6 修改后的油封工裝圖意圖

圖7 更改前后的內(nèi)部間隙示意圖

5.4 效果驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)以上2項(xiàng)措施，將改進(jìn)后的新油封使用新工裝安裝后，對(duì)5臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了8 h試車(chē)跟蹤。試驗(yàn)結(jié)束后將油封拆下并將其拆解，未發(fā)現(xiàn)毛氈與副唇橡膠的磨損痕跡，見(jiàn)圖8。后續(xù)出廠(chǎng)試驗(yàn)中再未出現(xiàn)此模式的漏油故障。

圖8 油封拆解示意圖

6 總結(jié)

經(jīng)過(guò)對(duì)某柴油機(jī)新型結(jié)構(gòu)油封的漏油故障分析，以及試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出盒式油封雖然具有PTFE油封的優(yōu)點(diǎn)，而且其自身的軸套能保護(hù)曲軸免受磨損，降低曲軸軸頸粗糙度要求，但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，即由于盒式結(jié)構(gòu)油封的特點(diǎn)，決定了軸套與外圈是相對(duì)旋轉(zhuǎn)的，這使得在油封制造和裝配過(guò)程中必須考慮油封內(nèi)部的安全間隙值，避免油封在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自身相互干涉磨損。另外，針對(duì)鋁制的油封座，還需要考慮熱膨脹給外圈過(guò)盈量帶來(lái)的影響。綜上所述，在油封開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合油封本身結(jié)構(gòu)，安裝過(guò)程和相關(guān)零部件材料和結(jié)構(gòu)對(duì)油封密封效果的影響，充分考慮不利因素，提高油封產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，降低油封漏油故障率。

1湯毓紅，劉衛(wèi)東，安源勝，朱大濱．新型聚四氟乙烯油封的研制[J]．潤(rùn)滑與密封，2007，32(4): 170-172．

2李建國(guó)．油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)--旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)油封密封機(jī)理的有限元分析[D]：[碩士學(xué)位論文]．北京：北京化工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，2007．

3 GBT 21283.1-2007，密封元件為熱塑性材料的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈第1部分：基本尺寸和公差[S].

Optimal Design of Crankshaft Front Oil Seal of Diesel Engine

Tang Hongyuan,Liu Yuewen,Xie Lianggen
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.Shanghai 200438,China）

The structure of the crankshaft front oil seal of a diesel engine is presented.The seal is failure to seal oil during engine development.After analysis,it is found that the tool for installing the seal and internal structure design of the seal contribute to the issue.Modification to the tool and seal structure is carried out and verified by bench test to be effective.The case provides reference to such seal design.

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密封盒式油封PTFE設(shè)計(jì)間隙

來(lái)稿日期：2014-07-03

湯泓淵（1980-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.004