聚四氟乙烯曲軸后油封的氣密性研究

冉帆，郎偉欽

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部，上海201208）

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱中，各種相互運(yùn)動(dòng)的部件之間都會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損，同時(shí)引起能量消耗即產(chǎn)生摩擦功。摩擦功的存在降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，且增加了燃油耗。為了節(jié)能減排，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率及降低摩擦損失，目前越來(lái)越多的汽車開始采用減摩擦技術(shù)。例如采用導(dǎo)熱性能良好的活塞環(huán)涂層材料[1]、采用低黏度機(jī)油[2-3]等，其中曲軸和曲軸油封間的減摩擦技術(shù)也是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

從發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸油封的發(fā)展來(lái)看，目前應(yīng)用較為廣泛的為氟橡膠油封；但氟橡膠油封的耐磨性較差、使用壽命較短，且抱軸力較大導(dǎo)致摩擦功較高，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用環(huán)境[4]。

聚四氟乙烯 （PTFE）材料具有較好的耐高低溫性、耐油性、耐介質(zhì)性和自潤(rùn)滑性。將聚四氟乙烯應(yīng)用在曲軸油封上，可以改善目前高速汽油機(jī)和柴油機(jī)用橡膠油封壽命短、可靠性差的缺陷，且能降低一部分摩擦功，因而PTFE唇片油封在短時(shí)間內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[5]；但PTFE唇片油封因其結(jié)構(gòu)和材料性能的原因，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)過程中的氣體泄漏測(cè)試環(huán)節(jié)經(jīng)常亮紅燈，測(cè)試不合格。本項(xiàng)目研究如何提高PTFE唇片油封產(chǎn)品的氣密性能。

1 PTFE唇片油封氣密性差原因

未改性的或純聚四氟乙烯是由結(jié)晶薄片和無(wú)序非晶相帶狀組成的聚合物，兩相間分子力極弱，耐磨性和導(dǎo)熱性相對(duì)較弱，且易冷流、硬度高、韌性差。一般會(huì)在純PTFE材料中加入一些填料 （如玻璃纖維、石墨等）來(lái)顯著改善其物理機(jī)械性能[6]，但由于PTFE唇片油封的唇片相對(duì)較薄，部分填料會(huì)凸起裸露在唇片表面[7]，影響唇片表面的粗糙度，且因其硬度比氟橡膠材料高，與軸的貼合較差，容易形成一些泄漏通道。另一方面，PTFE唇片油封主要是通過動(dòng)力螺旋槽的吸引力 （泵吸原理）來(lái)提高其密封性能[8]。PTFE唇片油封結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。與傳統(tǒng)的氟橡膠油封相比，PTFE唇片油封的螺旋槽基本上是連續(xù)的，這導(dǎo)致其氣密性性能不如傳統(tǒng)的氟橡膠油封，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣體泄漏測(cè)試中經(jīng)常出現(xiàn)泄漏，影響發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)氣體泄漏測(cè)試是當(dāng)今汽車主機(jī)廠生產(chǎn)測(cè)試中應(yīng)用最廣泛的一種方法，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)線上都需要經(jīng)過氣密性檢測(cè)。因此，如何保證PTFE唇片油封通過主機(jī)廠的氣密性測(cè)試是主機(jī)廠正常生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

圖1 PTFE唇片油封結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣密性測(cè)試

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性測(cè)試

氣密性測(cè)試，是指在一個(gè)密閉腔體中充入惰性氣體，并保壓一段時(shí)間，然后采用各種方法來(lái)評(píng)估該腔體密封性能的一種手段。對(duì)于每一種密閉腔體，需要確定合適的泄漏測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)。目前廣泛采用的方法主要有壓力降測(cè)量、泄漏率測(cè)量、真空度測(cè)量、浸泡法、殘余氣體分析、示蹤氣體檢測(cè)等。其中泄漏率測(cè)量法由于其設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、精度高及可測(cè)量的范圍廣而得到普遍應(yīng)用[9]。

發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)有著金屬和非金屬應(yīng)用的密閉腔體，主要有鋁合金、鐵材、鋼材、塑料件及各種橡膠件，內(nèi)部還有冷卻液和機(jī)油流動(dòng)液體，其工作的密封性能決定了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，以及客戶的感知質(zhì)量。因此，密封性能是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要考核指標(biāo)，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中需要對(duì)密封系統(tǒng)進(jìn)行完整的試驗(yàn)驗(yàn)證，在發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中也需要對(duì)整機(jī)進(jìn)行初步的氣密性測(cè)試，以保證出廠的發(fā)動(dòng)機(jī)處于合格狀態(tài)。

目前某主機(jī)廠的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)氣密性測(cè)試主要應(yīng)用測(cè)量氣體泄漏率的方法。如在油道中充入21 kPa壓力的惰性氣體并保持?jǐn)?shù)秒，要求其泄漏率不得大于36 ml/min。惰性氣體會(huì)充滿發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，并作用于各個(gè)零部件的連接處。一旦某個(gè)連接處出現(xiàn)較大的泄漏，則很容易導(dǎo)致整機(jī)氣密性測(cè)試失敗，帶來(lái)大量的排查及返修工作，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)拍。

2.2 PTFE唇片油封氣密性測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)油底殼內(nèi)的機(jī)油飛濺，曲軸油封的作用是密封發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸入端及輸出端的飛濺機(jī)油。PTFE唇片油封的唇片在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中因摩擦而迅速升溫軟化，故在高溫油膜的作用下能與曲軸保持良好的接觸而起到密封機(jī)油作用；但PTFE唇片油封在與曲軸第1次裝配時(shí)，由于PTFE唇片的特性，與曲軸不能很好貼合，故在整機(jī)氣密性測(cè)試中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象，無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)氣密性測(cè)試的一次性通過率。為此，主機(jī)廠在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中專門設(shè)置了一個(gè)曲軸后油封泄漏測(cè)試環(huán)節(jié)，要求在14 kPa氣壓密封試驗(yàn)時(shí)，泄漏率≤5 ml/min，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配前期提早發(fā)現(xiàn)問題。目前針對(duì)PTFE唇片后油封的氣密性測(cè)試，各主機(jī)廠主要采用在唇片上涂機(jī)油的方法來(lái)提高后油封的氣密性，但仍然無(wú)法100%滿足氣密性要求。

為了保證主機(jī)廠發(fā)動(dòng)機(jī)的正常生產(chǎn)，PTFE唇片后油封制造供應(yīng)商應(yīng)提前進(jìn)行相應(yīng)的氣密性檢測(cè)，并通過合理的工藝改進(jìn)以確保產(chǎn)品可以滿足主機(jī)廠氣密性要求。圖2所示為一曲軸后油封供應(yīng)商的油封氣密性檢測(cè)設(shè)備。其主要工作機(jī)理是通過PTFE唇片與軸的密封形成密閉腔，在密閉腔中加氣壓，測(cè)量氣體的泄漏率，通過泄漏率判斷PTFE唇片油封的氣密性[10]。在PTFE唇片未進(jìn)行任何處理前，泄漏率相對(duì)較大，主要集中在50～120 ml/min，主機(jī)廠生產(chǎn)線上氣密性檢測(cè)不合格率偏高。為了解決這個(gè)問題，在供應(yīng)商后油封氣密性測(cè)試過程中，定義氣體壓力為21 kPa，與主機(jī)廠整機(jī)氣密性測(cè)試要求保持一致，最大泄漏率則收緊至5 ml/min。相關(guān)的氣密性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

圖2 氣密檢測(cè)設(shè)備

表1 氣密性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

3 PTFE唇片研磨和涂脂工藝研究

3.1 PTFE唇片曲軸后油封

在一種PTFE唇片后油封上進(jìn)行氣密性研究。該油封由沖壓低碳鋼外法蘭、AEM橡膠副唇及PTFE唇片等組成。其上集成了螺栓孔、油封孔、定位銷、背部?jī)?chǔ)膠槽等，法蘭外圈采用了翻邊工藝來(lái)增加油封總成的整體剛度。相應(yīng)配合的曲軸軸徑為84 mm，曲軸最高轉(zhuǎn)速為7 000 r/min。PTFE唇片后油封總成如圖3所示。

PTFE的粉末狀聚合物首先在室溫下壓縮成型，然后在370℃高溫下燒結(jié)融合成一個(gè)堅(jiān)固的形狀，冷卻后經(jīng)切削加工成需要的唇片尺寸。采用等離子或鈉-萘溶液對(duì)唇片進(jìn)行處理，使其表面產(chǎn)生活性[11]，在一次硫化時(shí)能與AEM橡膠更好地進(jìn)行粘接，并在表面壓出螺旋線狀的回油紋。在PTFE唇片油封孔處插入1個(gè)圓柱狀的定型裝置，二次硫化時(shí)使唇片產(chǎn)生一定程度的反轉(zhuǎn)，保證生產(chǎn)線裝配時(shí)不翻唇。PTFE曲軸后油封成型工藝的主要流程如圖4所示。

3.2 PTFE唇片研磨工藝

PTFE唇片油封氣密性較差，主要由PTFE唇片中的填料和唇片上的螺旋槽造成。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵之一是平整PTFE唇片，提高唇片與軸之間的貼合度。因此，提出在曲軸后油封成型之后，再利用旋轉(zhuǎn)軸在PTFE唇片處進(jìn)行研磨的方案，使唇片與軸產(chǎn)生更好的貼合。

圖3 PTFE唇片曲軸后油封總成

圖4 PTFE曲軸后油封成型工藝

PTFE唇片研磨主要由研磨設(shè)備完成。研磨設(shè)備主要由固定裝置和研磨軸組成，如圖5所示。固定裝置將油封固定在設(shè)備上，研磨軸通過在PTFE唇片上的高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)唇片上的玻璃纖維凸起進(jìn)行平整處理，使唇片與軸產(chǎn)生初始的良好貼合。

研磨處理有2個(gè)變量，分別是研磨軸的轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間。研磨軸轉(zhuǎn)速選擇1 800 r/min、2 800 r/min、3 800 r/min和4 800 r/min四個(gè)轉(zhuǎn)速，研磨時(shí)間選擇1 s、3 s、5 s和7 s四個(gè)時(shí)間。每種研磨軸轉(zhuǎn)速和時(shí)間的組合選取30個(gè)油封樣品 （編號(hào)從1至30）進(jìn)行試驗(yàn)，取泄漏率的平均值作為評(píng)估值，與研磨試驗(yàn)前的油封氣密性測(cè)試值做對(duì)比，通過480組正交試驗(yàn)來(lái)找到降低泄漏率效果最佳的研磨軸轉(zhuǎn)速和時(shí)間組合。如表2所示，當(dāng)研磨軸轉(zhuǎn)速為3 800 r/min，研磨時(shí)間為3 s時(shí)的研磨效果最佳，泄漏率平均降低了66.75%，而且研磨用時(shí)短，效率高。

圖5 油封研磨設(shè)備

表2 泄漏率降低比 %

使用3 800 r/min和3s組合研磨后，30組研磨試驗(yàn)的氣體泄漏率前后對(duì)比如圖6所示。研磨后氣體泄漏率基本在60 ml/min以下，但仍然無(wú)法滿足5 ml/min的目標(biāo)要求。

3.3 PTFE唇片涂脂工藝

除了對(duì)PTFE唇片進(jìn)行研磨處理外，在唇片表面涂脂也是一種提高PTFE唇片油封氣密性的有效方式。涂在唇片上的油脂會(huì)將回油紋暫時(shí)堵住，使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓縮氣體無(wú)法通過回油紋的螺旋線泄漏。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油脂會(huì)升溫軟化，隨著機(jī)油的飛濺以及油封的泵吸作用而進(jìn)入油底殼內(nèi)的機(jī)油中。當(dāng)油脂進(jìn)入油底殼中的機(jī)油后，可能會(huì)通過油泵的泵吸作用進(jìn)入主油道，進(jìn)而影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑性能。因此，需要通過相應(yīng)的潤(rùn)滑子系統(tǒng)試驗(yàn)來(lái)評(píng)估此油脂對(duì)整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的影響，同時(shí)也需要通過發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可行性。

油脂一般使用特種潤(rùn)滑脂，如STABYL LT 50。它是一種人工合成的含鋰皂基潤(rùn)滑脂，具有良好的附著力、熱和機(jī)械穩(wěn)定性、工作穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

唇片涂脂一般通過涂脂設(shè)備完成。涂脂設(shè)備主要由轉(zhuǎn)盤和膠嘴組成，如圖7所示。將PTFE唇片油封放置在轉(zhuǎn)盤上，并隨著轉(zhuǎn)盤一起勻速旋轉(zhuǎn)，膠嘴會(huì)均勻地將油脂涂在PTFE唇片表面。

圖7 涂脂設(shè)備

圖6研磨前后氣體泄漏率對(duì)比

圖8 為涂脂前后PTFE唇片后油封氣體泄漏率的對(duì)比情況，樣本數(shù)共30件。涂脂后氣體泄漏率相比于涂脂前明顯下降，基本都在30 ml/min以下。這表明涂脂對(duì)于PTFE唇片后油封的氣密性有明顯的改善作用，且比研磨的效果更加明顯；但由于PTFE唇片與軸貼合不好的問題依然存在，單靠涂脂無(wú)法完全彌補(bǔ)PTFE唇片與軸之間的間隙，也即無(wú)法滿足5 ml/min的目標(biāo)要求。

3.4 PTFE唇片 “研磨+涂脂”工藝

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)PTFE唇片研磨和涂脂可以有效地降低氣體泄漏率，但是單獨(dú)進(jìn)行這2項(xiàng)工藝均不能達(dá)到5 ml/min的目標(biāo)泄漏率。因此，提出將這2項(xiàng)工藝進(jìn)行耦合，對(duì)PTFE唇片先進(jìn)行最佳組合的研磨處理 （3 800 r/min和3 s），然后再進(jìn)行涂脂處理，并進(jìn)行泄漏率試驗(yàn)。泄漏率試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)， “研磨+涂脂”后的PTFE唇片后油封泄漏率基本為0，完全滿足5 ml/min的要求。這表明此時(shí)的PTFE唇片后油封的氣密性效果達(dá)到最佳。

3.5 新工藝方案制定

基于圖4的工藝，在PTFE唇片后油封制造過程中增加了唇片研磨和唇片涂脂的新工藝，如圖10所示。油封唇片研磨完成后即進(jìn)行氣密性測(cè)試，此時(shí)的測(cè)試僅為確認(rèn)產(chǎn)品處于可出廠狀態(tài)，并非最終的泄漏值。確認(rèn)合格后，再在唇片上涂好油脂，此時(shí)的油封則為出廠狀態(tài)，可以包裝入庫(kù)，送到主機(jī)廠處進(jìn)行裝配。注意油封在物流途中需保持固定，防止唇片上的油脂與其他物體產(chǎn)生接觸，以確保油脂在唇片上的完整性，避免主機(jī)廠氣密性測(cè)試不合格。

圖10 改進(jìn)的PTFE曲軸后油封成型工藝

圖8 涂脂前后氣體泄漏率對(duì)比

圖9 “研磨+涂脂”后氣體泄漏率對(duì)比

4 結(jié)論

（1）改性PTFE唇片油封因?yàn)樘盍虾徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，氣密性較差，泄漏率大小集中在50～120 ml/min，無(wú)法通過發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的氣密性檢測(cè)。

（2）對(duì)PTFE唇片表面研磨，可以有效地提高PTFE唇片油封的氣密性，且按照3 800 r/min和3 s的組合進(jìn)行研磨，效果最佳，泄漏率相比于研磨前明顯下降，且大部分都低于60 ml/min。

（3）對(duì)PTFE唇片表面涂脂，可以有效地提高PTFE唇片油封的氣密性，泄漏率相比于涂脂前明顯下降，且大部分都低于30 ml/min。

（4）通過3 800 r/min和3 s“研磨+涂脂”工藝，在21 kPa壓力下，PTFE唇片油封氣體泄漏率基本為0，可以滿足5 ml/min的氣密性要求。