劉祥環(huán) 劉 平 曹保平 陳勇智

(1.中南大學機電工程學院 湖南長沙 410083;2.株洲齒輪有限責任公司 湖南株洲 412000)

隨著低碳經(jīng)濟時代的到來，純電動汽車進入高速發(fā)展階段。汽車進入電氣時代后帶來了高速傳動[1-2]，純電動汽車( BEV) 驅(qū)動電機的輸出轉速超過了15 000 r /min。純電動汽車在結構緊湊性、整車輕量化、成本最優(yōu)化的要求與日俱增，而一體化動力總成剛好具備這些優(yōu)點，因此成為了純電動汽車動力系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向。一體化動力總成將驅(qū)動電機、減速器、控制器集成在一起，使結構更加緊湊，同時也面臨一系列的難題需要攻克。減速器采用油潤滑，依靠與電機軸連接處安裝的油封進行密封，防止減速器的潤滑油進入電機內(nèi)部。純電動汽車采用電機驅(qū)動，電機輸出轉速遠高于發(fā)動機，普通骨架油封在長時間高速磨損后存在較大的失效風險。油封一旦發(fā)生失效，減速器腔體內(nèi)的潤滑油便會泄漏進入電機內(nèi)部，造成整個動力總成嚴重故障。因此，針對這一問題，設計一種適用于一體化動力總成的可靠密封結構，單獨或配合骨架油封使用，確保動力總成在全生命周期內(nèi)密封可靠，對推動純電動汽車的發(fā)展具有重要意義。

密封結構以接觸式與非接觸式2種方式為基礎，通過組合發(fā)展出不同的密封形式[3]。在國外，浮動密封核心技術已經(jīng)成熟[4-6]，但受國外技術封鎖，國內(nèi)浮動密封以進口為主。國內(nèi)雖然也仿制出浮動密封產(chǎn)品，但生產(chǎn)的浮動密封存在漏油、磨損等問題[7]，還不能滿足密封性能要求。本文作者借鑒國內(nèi)外密封結構[8-9]及設計方法[10-12]，設計一款適用于純電動汽車一體化動力總成的非接觸式新型密封結構[13]，通過模擬仿真及實驗驗證了該非接觸式新型密封結構的性能。

1 新型機械密封結構設計

新型機械密封采用動靜分離結構，如圖1所示，由動環(huán)、靜環(huán)Ⅰ、靜環(huán)Ⅱ組成，動環(huán)直接安裝在電機輸出軸上，靜環(huán)Ⅰ和靜環(huán)Ⅱ安裝在腔體上。靜環(huán)Ⅰ和靜環(huán)Ⅱ采用過盈配合，中間形成回油腔，靜環(huán)下面設有卸油孔。

圖1 新型機械密封結構

該密封結構采用非接觸式設計，工作時，動環(huán)與電機軸同步轉動，靜環(huán)與腔體保持靜止，避免了軸面與密封材料的磨損。靜環(huán)Ⅰ和靜環(huán)Ⅱ之間是回油腔，潤滑油進入回油腔后可以通過下端卸油孔回流到減速器腔體，保證減速器潤滑油不會泄漏到電機內(nèi)部。

2 密封效果分析

2.1 模擬仿真分析

利用基于粒子算法仿真軟件ParticleWorks，模擬減速器飛濺潤滑工況[14]，設置潤滑油粒子大小為0.2 mm，小于密封結構動靜環(huán)間距；對動靜環(huán)進行屬性定義，動環(huán)隨電機軸同步轉動，靜環(huán)隨著機殼保持靜止，電機軸轉速3 000 r/min;減速器均勻濺油，觀察潤滑油流向。模擬結果如圖2所示。

圖2 機械密封性能仿真結果

仿真結果顯示：在飛濺潤滑工況下，少量潤滑油進入機械密封回油腔，再經(jīng)下端卸油孔回流到減速器腔體內(nèi)。

2.2 密封實驗驗證

選取一體化動力總成二合一產(chǎn)品Y1T15進行密封實驗，該動力總成參數(shù)如表1所示。

表1 Y1T15動力總成參數(shù)

為模擬骨架油封失效狀態(tài)，將原有骨架油封人為破壞致失效狀態(tài)。將機械密封靜環(huán)安裝在腔體上，動環(huán)安裝在電機輸出軸上，將一體化動力總成固定在實驗臺架上，調(diào)整減速器工作角度為0°(減速器工作角度為減速器輸入軸與輸出軸軸線所在平面和水平面夾角，0°為潤滑油最易進入電機內(nèi)部的工作角度)，連接電機控制器，控制電機轉速3 000 r/min，正反轉各30 min。實驗裝置如圖3所示。

圖3 實驗裝置

實驗完成后拆解實驗樣箱，結果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化設計前實驗結果

實驗結果顯示，回油腔內(nèi)有少量油存于底部，油量不多可以認為油已經(jīng)回到減速器中。拆下電機，發(fā)現(xiàn)有少量潤滑油泄漏到電機中。原因分析：(1)機械密封與軸、腔體接觸處配合設計不合理；(2)機械密封動環(huán)與靜環(huán)設計不合理，不能有效密封。

3 機械密封結構優(yōu)化設計

3.1 機械密封結構優(yōu)化

對原機械密封結構進行改進，動環(huán)和靜環(huán)集成在一起，中間形成迷宮結構，動、靜環(huán)之間增加浮動環(huán)如圖5所示。工作時，潤滑油液面比較低，浮動環(huán)在離心力的作用下與靜環(huán)脫開，減少摩擦；不工作時，即使液面比較高，浮動環(huán)回彈與靜環(huán)接觸達到密封的效果。

圖5 浮動環(huán)機械結構

優(yōu)化后機械密封結構同采用動靜環(huán)一體結構，安裝時，直接把整個機械密封裝在腔體上，再把電機軸插入動環(huán)2內(nèi)，動環(huán)2通過O形圈1與軸過盈配合，靜環(huán)4通過O形圈3與腔體過盈配合，靜環(huán)與動環(huán)之間依靠浮動環(huán)5實現(xiàn)密封，優(yōu)化后的新型機械密封結構如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的新型機械密封結構

3.2 優(yōu)化設計后密封效果仿真分析

利用基于粒子算法仿真軟件ParticleWorks，模擬減速器飛濺潤滑工況，設置潤滑油粒子大小為0.2 mm，小于密封結構動靜環(huán)間距；對動靜環(huán)進行屬性定義，動環(huán)隨電機軸同步轉動，靜環(huán)隨著機殼保持靜止，電機轉速分別為3 000、7 500、15 000 r/min;減速器均勻濺油，觀察潤滑油流向。仿真效果如圖7所示。

圖7 機械密封性能仿真結果

優(yōu)化后的機械密封，在飛濺潤滑工況下，少量潤滑油進入機械密封回油腔，再經(jīng)下端卸油孔回流到減速器腔體內(nèi)。

3.3 優(yōu)化設計后密封實驗驗證

選取二合一動力總成Y1T15進行密封實驗。模擬骨架油封失效狀態(tài)，將原有骨架油封人為破壞致失效狀態(tài)，優(yōu)化后的機械密封為集成式，將其安裝在減速器腔體上，如圖8所示。安裝完成后，將一體化動力總成固定在實驗臺架上，調(diào)整減速器工作角度為0°，連接電機控制器，控制電機轉速為3 000 r/min，正反轉各30 min，查看漏油情況。如無漏油再依次控制電機轉速為7 500 r/min、15 000 r/min各測一次。

圖8 一體化動力總成機械密封結構

結果表明，電機轉速為3 000、7 500、15 000 r/min時實驗后，拆開實驗樣箱，優(yōu)化設計后密封的密封效果均良好無泄漏，如圖9所示。

圖9 不同轉速下優(yōu)化設計后密封的實驗結果

3.4 優(yōu)化設計后密封壽命分析

由于新型機械密封沒有磨損消耗，相對于骨架油封在高線速度和壽命上有比較大的優(yōu)勢，經(jīng)過耐久實驗驗證，機械密封結構產(chǎn)品使用壽命可達10年以上要求。如表2所示。

表2 機械密封和骨架油封性能對比

4 結論

(1)針對一體化動力總成使用的油封存在的密封問題，設計一種采用動靜分離結構的新型機械密封，仿真和實驗結果表明，該新型機械密封在電機輸出3 000 r/min工況下，有一定的密封效果，但有少量油泄漏到電機內(nèi)部。

(2)對設計的新型機械密封結構進行改進，將動環(huán)和靜環(huán)集成在一起，中間形成迷宮結構，在動、靜環(huán)之間增加了浮動環(huán)。經(jīng)過優(yōu)化設計后，新型機械密封結構在3 000、7 500、15 000 r/min轉速下都有良好的密封效果。通過模擬仿真及實驗驗證，該非接觸式新型密封結構達到設計預期功能，可靠性較常規(guī)油封密封有明顯提升，使一體化動力總成在生命周期內(nèi)的可靠性得到有效提升，提高了一體化動力總成的市場競爭力。