低摩擦軸向唇形油封的開發(fā)

M.INOUE Y.KASAI F.XU K.HAMAMOTO

減小曲軸油封的摩擦力矩可以提高輕型車輛發(fā)動機的燃油效率。輕型車輛發(fā)動機的曲軸一般采用彈簧徑向氟橡膠唇

形油封，但是公交車和卡車發(fā)動機的曲軸廣泛采用軸向硅橡膠唇形油封。軸向機油油封的主唇負(fù)荷小、力矩小、可靠性高。在曲軸轉(zhuǎn)動時，軸向唇形油封可持久地保證油封唇和拋油環(huán)之間不受污染，因此使用壽命長。將軸向唇形油封應(yīng)用于輕型車輛發(fā)動機，可以實現(xiàn)發(fā)動機的低摩擦和高可靠性。在曲軸高速轉(zhuǎn)動時，傳統(tǒng)軸向油封的拋油環(huán)會有輕微的機油泄漏。為解決該問題，開發(fā)了能防止機油泄漏的新型拋油環(huán)。實際觀察了機油泄漏情況并評估了油封唇對拋油環(huán)的跟隨性。評估證實，在曲軸高速轉(zhuǎn)動時，油封唇和拋油環(huán)之間的間隙相對較小。新開發(fā)的軸向唇形油封的摩擦力矩比傳統(tǒng)的徑向唇形油封小60%。該開發(fā)適用于輕型車輛發(fā)動機的軸向唇形油封，并具有低摩擦和高可靠性的特點。

摩擦力矩;效率;軸向唇形油封;泄漏;可靠性

0?前言

降低發(fā)動機部件的摩擦損失以提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，是發(fā)動機未來發(fā)展的主要趨勢之一。發(fā)動機后端的曲軸油封可以最大程度降低輕型車輛摩擦損失。如果發(fā)動機后端的曲軸油封泄漏機油，會導(dǎo)致發(fā)動機部件潤滑不足或離合器打滑，造成致命的事故。NOK公司開發(fā)了1種能降低摩擦力矩的油封，同時該油封的可靠性更高，使用壽命更長[1]。

1?軸向唇形油封的開發(fā)設(shè)計

圖1為傳統(tǒng)型油封和新開發(fā)油封的結(jié)構(gòu)對比示意圖[2]。新開發(fā)油封的唇形材料改為氟橡膠，以提高油封的耐熱性和耐久性。油封的防塵部分包括防塵唇和非接觸型中間唇。采用非接觸型中間唇取代了原先的纖維織物，從而降低了摩擦。中間唇的突出部分可以提高其在灰塵條件下的耐久性。這種結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)型的徑向橡膠唇型油封[3]。油封主唇的空氣側(cè)設(shè)計有加強筋，可提高油封的穩(wěn)定性，在曲軸轉(zhuǎn)動時可增強其防止機油泄漏的能力。

如圖2所示，傳統(tǒng)的拋油環(huán)有4個螺旋槽[2]，以提高密封唇滑動區(qū)域的泵吸效應(yīng)。新開發(fā)的拋油環(huán)有一系列凹槽，與傳統(tǒng)拋油環(huán)相比，表面上幾乎沒有平面區(qū)域。凹槽非常淺且足夠窄，可以防止密封唇和凹槽之間發(fā)生靜態(tài)泄漏。凹槽數(shù)量的增加，提高了泵吸效應(yīng)，從而提高了密封性能。

2?密封性能

在試驗過程中，對開發(fā)的油封和標(biāo)準(zhǔn)的徑向油封的摩擦力矩分別進(jìn)行了測量，兩者曲軸直徑相同，測量條件如表1所示[2]，測量結(jié)果如圖3所示[2]。在各種轉(zhuǎn)速條件下，新開發(fā)的油封的摩擦力矩低于傳統(tǒng)的徑向油封，相對傳統(tǒng)徑向油封摩擦力矩下降約60%。即使在8 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，新型油封的密封性能也不存在問題。

試驗驗證了傳統(tǒng)拋油環(huán)和新型拋油環(huán)在由曲軸高速旋轉(zhuǎn)時的密封性能，試驗條件及結(jié)果分別如表2與表3所示。同時，對傳統(tǒng)拋油環(huán)進(jìn)行了試驗。在過盈量為1.7 mm和2.5 mm條件下，可以觀察到主唇的空氣側(cè)有輕微的機油液滴泄漏。而在新型拋油環(huán)的試驗過程中，在任何過盈量條件下都沒有發(fā)生機油液滴泄漏。

3?對飛濺泄漏原因的研究

試驗采用由水晶玻璃制成的拋油環(huán)，直接觀察油封的主唇，以確定在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)生輕微泄漏的原因。觀察儀器和結(jié)果如圖4所示[2]。機油液滴從滑動區(qū)域飛濺到主唇的空氣側(cè)，從而發(fā)生泄漏。在密封性能試驗驗證后，觀察到了泄漏。機油液滴從滑動區(qū)域飛濺到主唇的空氣側(cè)，順著軸旋轉(zhuǎn)的方向，沿著密封唇表面向空氣側(cè)流動。研究表明，位于主唇空氣側(cè)的筋聚集流動的液滴后，將其返回滑動區(qū)域。在機油到達(dá)滑動表面后，在泵吸效應(yīng)作用下返回到油側(cè)。在設(shè)計主唇空氣側(cè)的筋時，要防止其與拋油環(huán)接觸，以免增加摩擦。

研究進(jìn)一步測量了主唇對拋油環(huán)表面的跟隨性。測量儀器如圖5所示[2]。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)的時候，利用部分切割的油封來測量主唇的位移。測量條件如表4所示[2]。測量在室溫下進(jìn)行，所用的機油在室溫條件下其動黏度等于牌號0W-20機油在120 ℃時的動黏度。圖6以案例的形式給出了開發(fā)的拋油環(huán)的唇位移測量結(jié)果。當(dāng)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，位移波與轉(zhuǎn)速為10 r/min時的位移波走向相同。以轉(zhuǎn)速為10 r/min時的位移為基準(zhǔn)，將間隙定義為每一曲軸轉(zhuǎn)速下位移的增量。圖7對比了新開發(fā)的拋油環(huán)與傳統(tǒng)拋油環(huán)的試驗結(jié)果，兩者間隙都隨著曲軸轉(zhuǎn)速的提高而增大，隨著唇過盈量的增大而減小。在不同的曲軸轉(zhuǎn)速條件下，傳統(tǒng)拋油環(huán)的間隙都大于開發(fā)的拋油環(huán)的間隙。研究結(jié)果表明，間隙增大會導(dǎo)致滑動表面發(fā)生噴濺泄漏。

為了確定引起間隙差異的原因，進(jìn)行了數(shù)值分析。分析條件如表5所示，模型和分析結(jié)果如圖8所示。通過傳統(tǒng)的凹槽拋油環(huán)模型確定高壓區(qū)域。壓力增大，在凹槽后的平面區(qū)域上保持高壓狀態(tài)。采用固定間隙模型進(jìn)行分析，高壓使主唇位置上升，間隙增大。新開發(fā)的拋油環(huán)沒有高壓區(qū)域，與傳統(tǒng)拋油環(huán)相比，持續(xù)保持低壓狀態(tài)。通過數(shù)值分析可知，由于新開發(fā)的拋油環(huán)沒有平面區(qū)域，所以沒有生成高壓區(qū)域。與傳統(tǒng)拋油環(huán)相比，新開發(fā)的拋油環(huán)間隙較小。

4?結(jié)論

試驗開發(fā)了1種輕型車輛汽油機所用的軸向唇形油封。新開發(fā)的軸向唇形油封的摩擦力矩比傳統(tǒng)的徑向唇形油封小約60%。當(dāng)曲軸在高速旋轉(zhuǎn)時，油封的密封性能可以滿足汽油機的要求。通過直接觀察曲軸在高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)生的噴濺泄漏，驗證了主唇表面空氣側(cè)的筋會使密封唇的穩(wěn)定性更強。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，測量了表征主唇跟隨性的間隙的大小。對比結(jié)果顯示，該間隙是引起噴濺泄漏的原因之一。數(shù)值分析結(jié)果顯示，采用系列凹槽提高了油封密封性能。

[1]OKAMURA H， TAKAHASHI M， YUKIMASA T. Development of axial lip type oil seal for engine crankshaft[J]. Society of Automotive Engineers of Japan，1990，44（9）：84-90.

[2]KASAI Y， YONAI H， XU F， et al. Development of low friction axial face seals[C]. JAST Tribology Conference，2018.

[3]MIZUTA H. Recent trends in friction reduction technologies on rotary shaft seals for automobile[J]. Japanese Society of Tribologists，2017，62（4）：273-278.