機(jī)械變速器輸出端滲漏油故障淺析

沙曉麗，常娟

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機(jī)械變速器輸出端滲漏油故障淺析

沙曉麗，常娟

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710000）

文章對(duì)機(jī)械變速器輸出端的常見密封方式及原理進(jìn)行簡(jiǎn)介，從多種密封失效故障現(xiàn)象分析原因，并提出對(duì)應(yīng)的解決方法及改進(jìn)建議。

變速器輸出端；漸開線花鍵；滲漏油

前言

機(jī)械式手動(dòng)變速器作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中最主要的部件之一，用于協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車輛實(shí)際行駛速度，發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能，從而達(dá)到車輛對(duì)動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性等的要求。變速器輸出法蘭通常是采用花鍵結(jié)構(gòu)與變速器輸出軸連接，以傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，利用油封與O型密封圈來防止變速器滲漏油。但變速器輸出端滲漏油卻是常見的故障問題，客戶抱怨嚴(yán)重。本文主要從變速器輸出端常見的密封方式著手，著重對(duì)可能產(chǎn)生滲漏油的原因和改進(jìn)方法進(jìn)行剖析。

1 機(jī)械變速器常見輸出端結(jié)構(gòu)及密封失效故障表現(xiàn)

機(jī)械變速器輸出端是由輸出軸、軸套、里程表被動(dòng)齒輪（里程表轉(zhuǎn)子）、法蘭盤、O型密封圈、墊片、鎖緊大螺母及輸出后軸承蓋及油封組成，如圖1所示。O型密封圈作用于輸出軸花鍵末端通過與輸出軸軸肩、法蘭盤內(nèi)腔及鎖緊螺母墊片接觸進(jìn)行靜密封；油封則安裝在輸出后軸承蓋上，與法蘭盤外徑接觸進(jìn)行動(dòng)密封。通過O型密封圈與油封的配合使用，達(dá)到變速器輸出端密封作用。

圖1 變速器輸出端結(jié)構(gòu)

而變速器輸出端的密封失效主要表現(xiàn)為兩種情況，分別是從輸出后軸承蓋與法蘭盤結(jié)合油封處滲油和法蘭盤與鎖緊螺母墊片O型密封圈處滲油；無論哪種失效模式，其發(fā)生機(jī)理均為油封或O型密封圈與零件接觸內(nèi)（外）表面間隙所致。那么要解決變速器輸出端滲漏油故障，就是要消除這種間隙。

下面就從油封及O型密封圈的密封原理對(duì)出現(xiàn)間隙的原因進(jìn)行分析。

2 油封及O型密封圈的密封原理

機(jī)械變速器輸出后軸承蓋常常使用的骨架油封，其密封原理如圖2所示：油封唇口在徑向壓力的作用下，形成密封接觸環(huán)帶，在潤(rùn)滑油壓力的作用下，油液滲入油封刃口與轉(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)軸和油封刃刀口外沿形成一個(gè)“新月”面，防止油液外溢，起到密封作用。

圖2 油封密封原理

而對(duì)于O型密封圈的（靜）密封原理則是通過其自密封作用，如圖3所示：即由于預(yù)密封作用，O型圈與被密封光滑面和溝槽底面緊密接觸。這樣當(dāng)流體通過間隙進(jìn)入溝槽時(shí)只能對(duì)O型圈的一側(cè)面起作用。當(dāng)流體壓力較大時(shí)，把O型圈推向溝槽另一面而擠壓成D形，并把壓力傳遞給接觸面，通過O型密封圈的“形變”將零件之間的空隙進(jìn)行“填充”，從而達(dá)到密封效果。

圖3 O型圈（靜）密封原理

從油封及O型密封圈的工作原理可以看出，需要密封配合的兩零件圓柱表面之間應(yīng)保留一定的間隙，通過此間隙值才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)油封及O型密封圈。而變速器輸出端滲漏油均是由于配合零件表面之間的間隙超過了油封及O型密封圈的原有設(shè)計(jì)間隙所致。

那么是什么原因?qū)е伦兯倨鬏敵龆肆慵砻媾浜祥g隙變大就是解決滲漏油故障的核心，下面就從變速器輸出端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行原因分析。

3 機(jī)械變速器輸出端油封及O型密封圈密封失效原因分析

對(duì)于機(jī)械變速器來說，法蘭盤與輸出軸通過漸開線花鍵連接固定徑向運(yùn)動(dòng)，通過鎖緊大螺母固定軸向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到平穩(wěn)輸出扭轉(zhuǎn)力矩的作用。影響油封及O型密封圈密封失效的主要因素如下：

3.1 油封失效的主要因素

變速器法蘭盤與輸出軸之間通過漸開線花鍵配合傳遞扭轉(zhuǎn)力矩，而漸開線花鍵的嚙合原理與齒輪類似：嚙合花鍵要進(jìn)行正確的嚙合傳動(dòng)，必須基節(jié)相等（Pb=mCOSα）即PB1=PB2（圖4）。如果在某一瞬間Pb1理≠Pb1實(shí)、Pb2理≠Pb2實(shí)，即Pb2≠Pb1時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)什么情況？

圖4

圖5

圖6

假設(shè)O2為主動(dòng)輪，O1為被動(dòng)輪

1）Pb理＞Pb實(shí)（圖5）

主動(dòng)輪：在前一齒還未脫開嚙合時(shí)，提前進(jìn)入嚙合區(qū)，從而延長(zhǎng)了雙齒嚙合區(qū)的時(shí)間，重疊系數(shù)增大，增加了齒輪嚙合的穩(wěn)定性。如果主動(dòng)輪是處于高速、重載的工作條件下，那么就必須采用這種嚙合方式。

被動(dòng)輪：由于實(shí)際基節(jié)變長(zhǎng)，使被動(dòng)輪提前脫離嚙合區(qū)，重疊系數(shù)減小，產(chǎn)生沖擊。

2）Pb理＜Pb實(shí)（圖6）

主動(dòng)輪：在前一齒已脫離嚙合時(shí)，還未進(jìn)入嚙合區(qū)，造成了嚙合的瞬時(shí)真空區(qū)，將引起撞擊。

被動(dòng)輪：由于實(shí)際基節(jié)變長(zhǎng)，增加了雙齒嚙合區(qū)，重疊系數(shù)增大，增加了嚙合的平穩(wěn)性。在高速、重載的工作條件下，被動(dòng)輪必須采用這種嚙合方式。

圖7 油封唇口偏磨

由此可以看出：在法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，漸開線花鍵齒側(cè)會(huì)產(chǎn)生不可消除的間隙而發(fā)生徑向跳動(dòng)，從而影響法蘭盤與輸出軸之間的同軸度。同軸度偏差較大，油封唇口會(huì)出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象如圖7所示，造成油封的早期磨損，產(chǎn)生滲漏油故障。

3.2 O型密封圈失效的主要因素

同樣原理，對(duì)于O型密封圈而言，在法蘭盤傳遞扭轉(zhuǎn)力矩時(shí)被密封的零件同軸度偏差，引起O型圈密封間隙擴(kuò)大，出現(xiàn)偏心現(xiàn)象導(dǎo)致漏油（如圖8）。導(dǎo)致O型密封圈滲漏油失效的還有過度擠出后造成間隙咬傷現(xiàn)象（如圖9），產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于被密封元件之間產(chǎn)生了軸向竄動(dòng)，即法蘭盤有脫出現(xiàn)象，由法蘭盤的鎖緊大螺母產(chǎn)生松動(dòng)造成。

圖8 O型密封圈偏心

圖9 O型密封圈過度擠出

4 油封、O型密封圈密封失效改進(jìn)方法

通過以上分析，油封密封失效的主要原因是由于漸開線花鍵齒側(cè)間隙引起的徑向跳動(dòng)，而O型密封圈失效除了漸開線花鍵因素外，還有鎖緊大螺母松動(dòng)造成的軸向竄動(dòng)。漸開線花鍵齒側(cè)間隙是其固有特性，可以通過控制齒形偏差來調(diào)整，但無法完全消除，可將漸開線花鍵改為矩形花鍵，減少齒側(cè)間隙，縮小徑向跳動(dòng)保證同軸度；而鎖緊大螺母松動(dòng)可以通過改變大螺母結(jié)構(gòu)，比如將尼龍鎖緊螺母改為可鉚沖的鎖緊螺母，徹底解決松動(dòng)問題。

除了改善法蘭盤和輸出軸花鍵配合及優(yōu)化鎖緊螺母外，還可以調(diào)整O型密封圈及油封位置如圖10所示，使其位于輸出軸花鍵前端避免由花鍵配合導(dǎo)致的徑向及軸向竄動(dòng)。

圖10 改進(jìn)后油封及O型密封圈位置

5 總結(jié)

通過上文的分析，明確了變速器輸出端的密封方式及原理，對(duì)常見密封失效原因進(jìn)行分析，并針對(duì)多種失效模式提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)方法。但由于變速器輸出端與后接設(shè)備相關(guān)聯(lián)，所以在進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)需要綜合考慮包括空間結(jié)構(gòu)布置、連接強(qiáng)度等因素，才能從根本上解決變速器輸出端滲漏油故障問題。

[1] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2004.8.

[2] 劉唯信.汽車設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2015.

[3] 李玉婷,廖日東,李杰.柴油機(jī)曲軸前油封密封性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)J].潤(rùn)滑與密封,2013（9）.

Analysis On Oil Leakage Fault At Output of Mechanical Transmission

Sha Xiaoli, Chang Juan

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Resarech Institute, Shaanxi Xi’an 710000 )

This paper describes the common sealing methods and principles of the output of the mechanical transmission,analyzes the cause of various sealing failure phenomena,and proposes corresponding solutions and suggestions for improvement.

transmission output; involute spline; leakage oil

B

1671-7988(2018)20-239-03

U463.212+.31

B

1671-7988(2018)20-239-03

U463.212+.31

沙曉麗，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.087