某柴油機曲軸前油封優(yōu)化設計

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某柴油機曲軸前油封優(yōu)化設計

湯泓淵劉岳文謝良根

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

介紹了某柴油機曲軸前油封的結構，針對前油封設計開發(fā)過程中出現(xiàn)的油封漏油問題進行了分析，并采取了調(diào)整油封工裝和改進油封內(nèi)部結構的措施，解決了油封漏油的故障，為盒式PTFE油封的設計開發(fā)提供了參考。

1 前言

隨著近年來我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車制造行業(yè)之間的競爭越來越激烈，也推動著發(fā)動機技術和性能的不斷提高。曲軸油封作為防止發(fā)動機漏油的關鍵部件，其重要性越來越受到各個發(fā)動機制造商的重視。三漏問題一直是發(fā)動機研發(fā)與制造中重點關注的課題，油封密封性能的好壞，直接影響到主機廠和客戶對發(fā)動機質(zhì)量的直觀感受，影響制造商的口碑。各發(fā)動機制造商除了對油封的使用可靠性和壽命的要求提高外，對油封的安裝方便性、可維護性、更換便利性、價格等方面也提出了更高的要求。目前國內(nèi)大部分柴油發(fā)動機制造商基本上采用傳統(tǒng)結構的，材質(zhì)為氟橡膠或PTFE的徑向密封油封結構[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)動機缸體上；另一種是先將與油封配合的油封座裝配到發(fā)動機缸體上，然后再將油封裝配到曲軸及座孔上。隨著密封技術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、對軸的偏心反應特別敏感等，泄漏現(xiàn)象仍比較普遍。

20世紀80年代初，美國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化學穩(wěn)定性好，幾乎所有的化學抗性，強酸、強堿或強氧化劑、有機溶劑等對它均不起作用；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滑性，特別適用于高速旋轉(zhuǎn)場合，線速度可高達30 m/s[2]。

PTFE油封唇口在加工時被拉成喇叭狀，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不斷收縮，所以不需要彈簧的幫助，它會緊緊抱在軸上，不讓它與軸表面有間隙存在，也能補償磨損。同時PTFE油封內(nèi)壁刻有與軸旋向相反的螺紋槽，當軸旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一個向內(nèi)推力，阻止流體外流。

PTFE油封主要應用在空氣壓縮機、發(fā)動機、齒輪箱、起動電機、泵、空調(diào)、攪拌機、自動化精密機械、機器人、化學處理設備、制藥、食品加工設備等密封要求較高的場合，特別適用于傳統(tǒng)橡膠油封無法滿足的應用，是今后油封發(fā)展的方向。

3 某柴油機前油封結構介紹

本論文主要是針對某柴油機的曲軸前端密封進行油封開發(fā)設計。柴油機主要參數(shù)見表1。

表1 柴油機基本參數(shù)

油封能否良好發(fā)揮密封作用，與密封結構的設計、密封元件密封性能優(yōu)劣有關。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，該柴油機采用了新型的盒式油封結構，其結構見圖1。新型的盒式油封主要由作為內(nèi)圈的軸套和負責徑向密封的外圈橡膠密封圈組成。其中軸套可保護曲軸軸頸，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油封橡膠密封的影響

在曲軸前油封設計初期，耐久試驗期間油封發(fā)生外圈滲漏，見圖2。

該柴油機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變形量大，故對前齒輪室罩殼座孔的直徑進行了受熱變形量測量，結果見表2。同時，此前齒輪室結構復雜，空間受到限制，使得加強筋布置受限，受熱后會使整個齒輪室產(chǎn)生一定的形變。

針對由于鋁制前油封座孔變形問題，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彌補由于座孔變形導致的外圈橡膠密封不嚴的缺陷。經(jīng)過試驗驗證，該方法有效解決了油封外圈滲油的故障。

圖1 盒式油封結構示意圖

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)外圈間隙對密封性能的影響

5.1 漏油故障模式介紹

該柴油機在第一批配套電站出廠試驗期間，前油封出現(xiàn)漏油故障。針出現(xiàn)障機的幾臺柴油機，拆下其前油封，查看油封本身是否有異常。結果發(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的碎屑匯集在密封唇與內(nèi)圈襯套的軸之間，導致密封失效，發(fā)生漏油，詳見圖3和圖4。

圖3 防塵毛氈對比

圖4 密封唇密封失效

5.2 漏油故障原因分析

根據(jù)對盒式油封內(nèi)部的具體結構分析，此種油封的一項重要參數(shù)為油封內(nèi)外圈之間的間隙值c。油封安裝后，如果此間隙值過大，則會相應地導致油封內(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，見圖1。防塵毛氈與防塵橡膠相互摩擦不僅會導致油封外圈傾斜，也會使得磨損下來的毛氈和橡膠碎屑影響主唇的密封，導致油封密封失效。

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。但是通過試驗可知，由于前齒輪室罩殼的結構和材料特殊性，使得在油封裝配過程中，前齒輪室罩殼座孔端面受力后會往發(fā)動機側(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系見表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盈配合，不會隨著外圈往外回彈，從而導致毛氈與防塵橡膠的距離與理論要求不符，也就是導致b值減小。

5.2.2 油封內(nèi)外圈設計間隙

經(jīng)查，原油封本身的設計間隙只有1.4 mm，即防塵毛氈與防塵橡膠的極限理論間隙過??；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階深度來控制的，而原油封工裝上內(nèi)外圈的臺階深度為1mm，詳見圖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值就會大于1 mm，使得內(nèi)外圈之間的b值就會小于0.4 mm。如果再考慮曲軸在運轉(zhuǎn)過程中的軸向理論竄動為0.17～0.42（裝配統(tǒng)計值一般為0.2～0.3），一旦油封有所傾斜或者是油封在制造過程中間隙控制出現(xiàn)偏差，這些都將導致油封毛氈與防塵橡膠摩擦的風險增大。因此，油封在設計制造時本身的內(nèi)外圈理論間隙值大小對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 改進措施

5.3.1 改變工裝定位方式和臺階深度

考慮到前齒輪室罩殼材料為鋁制，在受到壓力時易產(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，修改工裝上臺階的深度，將原先1 mm改為0.4 mm，這樣能進一步保證毛氈與防塵橡膠間的安全間隙，詳見圖6。

5.3.2 增加油封內(nèi)外圈設計間隙

經(jīng)過油封供應商分析，硫化在油封金屬骨架上的防塵橡膠厚度太厚，可以通過減少此處的厚度來增加內(nèi)部間隙；通過更換膠水類型，使用粘結性能更強的膠水，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。

通過供應商采取這兩項措施，最終將油封本身襯套與外圈的理論間隙由原來的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轉(zhuǎn)過程中相互摩擦的風險，詳見圖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 效果驗證

經(jīng)過以上2項措施，將改進后的新油封使用新工裝安裝后，對5臺樣機進行了8 h試車跟蹤。試驗結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，見圖8。后續(xù)出廠試驗中再未出現(xiàn)此模式的漏油故障。

圖8 油封拆解示意圖

6 總結

經(jīng)過對某柴油機新型結構油封的漏油故障分析，以及試驗驗證，可以看出盒式油封雖然具有PTFE油封的優(yōu)點，而且其自身的軸套能保護曲軸免受磨損，降低曲軸軸頸粗糙度要求，但同時也帶來了新的問題，即由于盒式結構油封的特點，決定了軸套與外圈是相對旋轉(zhuǎn)的，這使得在油封制造和裝配過程中必須考慮油封內(nèi)部的安全間隙值，避免油封在運轉(zhuǎn)過程中自身相互干涉磨損。另外，針對鋁制的油封座，還需要考慮熱膨脹給外圈過盈量帶來的影響。綜上所述，在油封開發(fā)設計時，需要綜合油封本身結構，安裝過程和相關零部件材料和結構對油封密封效果的影響，充分考慮不利因素，提高油封產(chǎn)品的設計效率，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]．潤滑與密封，2007，32(4): 170-172．

2李建國．油封結構優(yōu)化設計--旋轉(zhuǎn)運動油封密封機理的有限元分析[D]：[碩士學位論文]．北京：北京化工大學機械設計及理論，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設計間隙

來稿日期：2014-07-03

湯泓淵（1980-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機設計。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.004