發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇托架油封漏油的研究分析

孫寶源，田君茹

（中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)力有限公司，濟(jì)南 250220）

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇托架油封漏油的研究分析

孫寶源，田君茹

（中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)力有限公司，濟(jì)南 250220）

整車在試驗(yàn)和售后過(guò)程出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇托架油封密封件滲漏和磨損現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)研究和分析發(fā)現(xiàn)：與油封配合的輪轂軸粗糙度、螺旋線不合理，倒角過(guò)大等原因?qū)е掠头獯娇诋惓Ｄp而失去密封作用，最終導(dǎo)致機(jī)油滲漏。本文通過(guò)對(duì)油封工作原理、油封對(duì)配合軸的表面要求、零部件技術(shù)參數(shù)、故障數(shù)據(jù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)等深入的分析和研究，并提出合理建議和改進(jìn)措施。

故障背景；工作原理；技術(shù)要求

1 故障背景和描述

售后和零公里整車裝配的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，出現(xiàn)風(fēng)扇托架油封磨損漏油故障，不僅影響整車質(zhì)量和合格率，增加售后維修和服務(wù)成本，給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失后，還會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞企業(yè)品牌形象。主要故障形式如圖1。

油封采用的是具有極佳的抗磨擦性、化學(xué)穩(wěn)定性的聚四氟乙烯材料，與之配合的輪轂軸是數(shù)控車削加工的HT250鑄鐵材料。

圖1 油封磨損失效

圖2 油封工作示意圖

2 工作原理及技術(shù)要求介紹

2.1 唇口式油封工作原理

自由狀態(tài)下，油封唇口內(nèi)徑比軸徑小，具有一定的過(guò)盈量；安裝后，油封唇口的過(guò)盈壓力和自緊彈力對(duì)旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一定的徑向壓力；工作時(shí)，油封唇口在徑向壓力的作用下，形成一定寬度的密封接觸環(huán)帶。在潤(rùn)滑油壓力的作用下，油液滲入油封唇口與轉(zhuǎn)軸之間形成極薄的一層油膜。油膜受油液表面張力的作用，在轉(zhuǎn)軸和油封唇口外沿形成一個(gè)“新月”面防止油液外溢，起到密封作用，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)油封唇口的反向螺旋線溝槽將潤(rùn)滑油“拉”回油腔防止外溢。

2.2 油封本身特點(diǎn)

所采用的是PTFE材料唇片油封，其主要特點(diǎn)有：（1）油封具有極佳的化學(xué)穩(wěn)定性和溫度適應(yīng)性。（2）摩擦系數(shù)介于0.02-0.04之間，并具有較強(qiáng)的自潤(rùn)滑功能，油膜狀態(tài)下其滑動(dòng)摩擦系數(shù)更低。

（3）允許軸的運(yùn)轉(zhuǎn)偏心量較大，最大可允許軸頸0.4mm的徑向跳動(dòng)量。

（4）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，又能補(bǔ)償磨損。

2.3 油封密封件對(duì)工作軸的一些要求

油封密封件的配合軸加工表面要求有兩種類型，一種是不允許加工軸表面有切削刀痕旋線等，另一種則是要求加工軸表面要有一定節(jié)距和深度要求的螺旋狀切痕，在軸某一轉(zhuǎn)向下起到對(duì)潤(rùn)滑油的往回導(dǎo)流密封作用。以上兩種軸的要求，在國(guó)內(nèi)幾乎都是第一種類型的設(shè)計(jì)，而國(guó)外還有第二種類型的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

對(duì)于第二種設(shè)計(jì)螺旋輸送作用的軸，以三角形截面切痕為例，當(dāng)切痕法距，軸距B，螺旋角β，軸頸為D時(shí)，其泵油量可用下式計(jì)算：

粗糙度和加工方法有關(guān)粗糙度過(guò)大，易引起磨損、發(fā)熱、唇口膠料粘附手軸表面，唇口表面切向變形生成的彈性皺紋結(jié)構(gòu)受到破壞并導(dǎo)致泄漏。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，軸面粗糙度過(guò)小會(huì)使密封間隙油膜厚度降低，當(dāng)小于臨界密封油膜厚度時(shí)，油封唇口磨損和發(fā)熱也會(huì)變大，并使密封能力下降。

軸的材料為鑄鐵時(shí)，切削加工會(huì)破壞石墨的“包室 ”，析出游離狀石墨后變成開(kāi)口孔穴，這種孔穴的存在一方面造成唇口壓力的漏失和彈性皺紋連續(xù)性的破壞，一方面由于爬行和擺動(dòng)對(duì)唇 口材料表層進(jìn)行切割，經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)孔穴直徑大于0.1mm時(shí)就會(huì)發(fā)生潤(rùn)滑油的泄漏。經(jīng)過(guò)以上分析可以看出，唇口式油封在進(jìn)行潤(rùn)滑油密封時(shí)對(duì)配合軸的要求主要有三方面：

（1）有螺旋線要求的軸必須嚴(yán)格控制螺旋線的加工質(zhì)量，并嚴(yán)格保證螺旋線的旋向，否則會(huì)適得其反產(chǎn)生泵油而泄漏，質(zhì)量控制不好還會(huì)造成對(duì)唇口的異常磨損，縮短油封的壽命。

（2）油封配合軸的表面粗糙度要嚴(yán)格控制，過(guò)大過(guò)小都會(huì)對(duì)油封唇口造成異常磨損，縮短油封的壽命。

（3）鑄鐵材料的軸在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)要嚴(yán)格謹(jǐn)慎，防止破壞其組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)孔穴缺陷而產(chǎn)生漏油。

3 風(fēng)扇托架漏油故障分析

3.1 技術(shù)要求及實(shí)際測(cè)量情況

通過(guò)油封密封件的工作原理和對(duì)零部件的技術(shù)要求，對(duì)漏油件進(jìn)行了一些數(shù)據(jù)測(cè)量和分析，具體如下：

（1）風(fēng)扇托架油封是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造的PTFE材料，與曲軸前后油封、油泵殼體油封等一樣，統(tǒng)一材料配方、成型技術(shù)、加工方式制造。

（2）輪轂軸技術(shù)要求和測(cè)量分析

1）輪轂軸與油封的尺寸鏈計(jì)算分析

針對(duì)輪轂倒角大小對(duì)油封的影響，計(jì)算輪轂與油封唇口配合的尺寸鏈：

·計(jì)算風(fēng)扇殼體裝油封孔深度H1；

H1max=158.5-16.9-127.1=14.5mm

H1min=157.5-17.1-127.3=13.1mm

圖3

·計(jì)算風(fēng)扇輪轂軸頭倒角高度H2；

H2max=[（55-51.7）/2]/tan19o=4.8mm

H2min=[（54.81-52.3）/2]/tan21o=3.27mm

圖4

·由于油封唇口高度圖紙無(wú)要求，通過(guò)目測(cè)及實(shí)際測(cè)量可以看出油封唇口在受力配合情況下高度大于等于油封外圓高度，用萬(wàn)功顯光學(xué)投影測(cè)得油封裝在輪轂上后唇口高度H3=9.1983-9.4776；取小數(shù)點(diǎn)后兩位如下：

H3max=9.48mm；H3min=9.20mm

·計(jì)算油封壓入后，唇口離殼體底平面高度H5=H1-H3

H5max=14.5-9.20=5.3mm

H5min=13.1-9.48=3.62mm

·風(fēng)扇托架軸向間隙為X=0.2-0.55mm，加上后可計(jì)算出風(fēng)扇輪轂軸頭倒角離風(fēng)扇托架殼體孔底平面距離H6；

H6max=H2max+X=4.8+0.55=5.35mm

H6min=H2min+X=3.27+0.2=3.47mm

·由此可以得出風(fēng)扇輪轂端面在與殼體底面接觸時(shí)，既軸向間隙為零時(shí)倒角離底平面最近，在軸向間隙為最大時(shí)離底平面最遠(yuǎn)；

Hmin=H2min=3.27mm；

Hmax=H6max=5.35mm

·油封唇口與輪轂倒角在風(fēng)扇殼體中的位置如圖所示：從圖上可以看出油封唇口位置理論計(jì)算值有一部分與倒角重合，既最大重合5.35-3.62=1.73mm。

經(jīng)過(guò)以上分析和尺寸鏈計(jì)算可以看出，風(fēng)扇輪轂倒角過(guò)大，在裝配后油封唇口有部分包在倒角上，配合不當(dāng)。

圖5

2）輪轂軸表面加工質(zhì)量測(cè)量和分析。

對(duì)10個(gè)出現(xiàn)漏油的故障件進(jìn)行粗糙度測(cè)量并作圖如下，粗糙度均超差。根據(jù)油封密封件對(duì)軸的技術(shù)要求理論分析可以確定，粗糙度差是導(dǎo)致故障件油封異常磨損和漏油的重要原因。

圖6

用顯微鏡觀察1個(gè)進(jìn)口輪轂和1個(gè)國(guó)產(chǎn)輪轂螺旋線并對(duì)比，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)輪轂加工有橫向斷層，加工質(zhì)量差。根據(jù)油封密封件對(duì)軸的技術(shù)要求理論分析可以確定，螺旋線加工質(zhì)量差也是導(dǎo)致漏油的原因之一。由于國(guó)內(nèi)油封密封設(shè)計(jì)原理中幾乎沒(méi)有要求軸帶螺旋線的，對(duì)于這種國(guó)外帶回油螺旋線設(shè)計(jì)的技術(shù)尚不是很了解，因此加工技術(shù)和質(zhì)量得不到保證，反而會(huì)是造成故障的關(guān)鍵所在。

圖7

3）試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)論。

為驗(yàn)證輪轂軸粗糙度對(duì)油封密封件的磨損，我們用國(guó)產(chǎn)輪轂1個(gè)和進(jìn)口輪轂1個(gè)分別對(duì)油封進(jìn)行了100小時(shí)密封試驗(yàn)（2個(gè)油封唇片為同一磨具生產(chǎn)，粗糙度和螺旋線質(zhì)量進(jìn)口件明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)件），試驗(yàn)完成后計(jì)算油封厚度磨損量，結(jié)果顯示進(jìn)口輪轂試驗(yàn)的油封磨損量最小為0.003mm，國(guó)產(chǎn)輪轂為0.039mm；由此可見(jiàn)輪轂質(zhì)量是影響油封磨損漏油的重要因素。

3.2 相似件對(duì)比和分析

同樣有螺旋線要求且使用唇口式油封密封的還有曲軸前后齒輪軸油封。

曲軸前后齒輪實(shí)測(cè)結(jié)果

表1 相似件粗糙度數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)測(cè)情況和技術(shù)要求可以看出，曲軸前后齒輪軸粗糙度質(zhì)量要明顯優(yōu)于輪轂軸，這也足以證明為何輪轂軸油封磨損漏油而曲軸前后齒輪油封無(wú)磨損漏油故障。

分析結(jié)論如下：

（1）輪轂倒角過(guò)大與油封配合不當(dāng)，導(dǎo)致油封唇口部分落在倒角位置。

（2）輪轂軸加工質(zhì)量差，粗糙度、螺旋線節(jié)距超差造成油封唇口異常磨損漏油。

4 建議及改進(jìn)

為避免出現(xiàn)類似的問(wèn)題，可從以下幾方面來(lái)采取預(yù)防對(duì)策：

4.1 輪轂改進(jìn)

（1）對(duì)輪轂倒角過(guò)大問(wèn)題，建議重新對(duì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行修改，控制倒角大小，保證油封與輪轂軸的配合。

（2）加強(qiáng)對(duì)輪轂軸粗糙度、螺旋線等的質(zhì)量控制，嚴(yán)格按照粗糙度要求Rmax12控制的同時(shí)，建議增加Ra的要求。對(duì)比曲軸前后齒輪軸粗糙度Rmax6.3，可以提高輪轂軸粗糙度的技術(shù)要求。

（3）鑒于國(guó)內(nèi)目前技術(shù)現(xiàn)狀，帶螺旋線要求的軸加工和質(zhì)量保證尚不成熟，建議取消圖紙對(duì)螺旋線的要求，按照國(guó)內(nèi)目前主流產(chǎn)品技術(shù)要求來(lái)控制軸的質(zhì)量狀態(tài)，保證粗糙度和材料等的質(zhì)量要求。

4.2 油封改進(jìn)

保證油封唇片材料PTFE滿足JB/T 8873-1999的前提下，對(duì)油封螺旋線和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理而產(chǎn)生應(yīng)力集中、加速油封的磨損。

4.3 裝配過(guò)程改進(jìn)

由于目前所用的PTFE材料唇片油封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，又能補(bǔ)償磨損，并且對(duì)徑向跳動(dòng)適應(yīng)范圍大，能達(dá)到0.4mm而不泄漏。

即使有以上優(yōu)點(diǎn)，建議在裝配時(shí)也要加強(qiáng)對(duì)壓裝質(zhì)量的控制，最好選用具有一定導(dǎo)向和保護(hù)功能的工裝進(jìn)行操作。