防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的設(shè)計(jì)

姚強(qiáng)

摘要： 介紹防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的設(shè)計(jì)原理，用CATIA做出了防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的三維模型。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。防偽技術(shù)主要通過(guò)以下3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)，第一采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第二采用高性能的全合成纖維濾材，第三采用特殊的工藝焊接方法。

關(guān)鍵詞： 機(jī)油濾芯;防偽;全合成纖維濾材

【中圖分類號(hào)】V228.2+3【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-3733（2020）12-0212-02

1引言

近年來(lái)，國(guó)家不斷升級(jí)柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)節(jié)能減排、環(huán)保提出了更高更嚴(yán)苛的要求，推動(dòng)了機(jī)油濾的技術(shù)變革，越來(lái)越多的機(jī)油濾由傳統(tǒng)的旋裝機(jī)油濾發(fā)展為機(jī)油濾模塊。機(jī)油濾模塊不僅具有過(guò)濾功能，還可以集成其它功能件，例如：冷卻器、回油系統(tǒng)、機(jī)油轉(zhuǎn)子濾、油氣分離器、壓力管理、傳感器等。在減排方面，主要采用了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的低密度材料，大幅度降低整體重量，使得消耗發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)能減少，相對(duì)于原鐵制為主的機(jī)油濾，機(jī)油濾模塊采用鋁合金、塑料等材料。

機(jī)油濾模塊與普通的旋裝濾清器的區(qū)別主要體現(xiàn)在客戶保養(yǎng)時(shí)，普通的選裝濾清器在保養(yǎng)時(shí)必須整體更換，由于其含有大量金屬材料，例如金屬殼體、螺紋蓋板、支撐彈簧、金屬夾條、金屬閥座等，造成了資源上的浪費(fèi)。機(jī)油濾模塊在保養(yǎng)時(shí)僅需更換濾芯，更換成本低，更重要的是有利于環(huán)境保護(hù)。本文重點(diǎn)介紹環(huán)保濾芯的防偽設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證。

2防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的結(jié)構(gòu)

防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的由塑料上端蓋、塑料卡環(huán)、塑料下端蓋、塑料中心管及全合成過(guò)濾濾紙組成，并帶有3個(gè)與總成裝配用的O型密封圈。濾紙采用星形折疊的方式均勻分布，紙芯首尾折通過(guò)膠水粘結(jié)的方式進(jìn)行固定。其結(jié)構(gòu)示意圖如1所示。

3防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的設(shè)計(jì)

機(jī)油濾清器的工作溫度范圍一般在-40℃到150℃，工作壓力一般在8bar左右。為保證端蓋的強(qiáng)度性能，本濾芯塑料材料全部采用30%或35%玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺材料（PA6+GF30，PA6+GF35）。聚酰胺材料具有比重低、抗拉強(qiáng)度高、加工性能好、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，加入玻璃纖維后可進(jìn)一步提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，常被作為機(jī)油濾塑料材料的首選。防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面著手：

（1）設(shè)計(jì)防偽塑料端蓋：濾芯的上下端蓋是跟模塊總成直接產(chǎn)生裝配的零件，需跟模塊的安裝面同步設(shè)計(jì)。選用PA6+GF35材料，確保其機(jī)械強(qiáng)度性能及耐高低溫穩(wěn)定性。本濾芯上端面采用半月形卡扣結(jié)構(gòu)，均勻分布，卡扣形狀的設(shè)計(jì)在保證自身強(qiáng)度的前提下避免了用料過(guò)多而導(dǎo)致的端蓋平面度問題。該半月形的卡扣跟機(jī)油濾模塊的端蓋總成配合。在濾芯裝配時(shí)，通過(guò)濾芯端蓋的卡扣和端蓋總成結(jié)構(gòu)的配合，將濾芯平穩(wěn)固定至正確位置;在做濾芯更換拆卸時(shí)，通過(guò)這種半月形卡扣和端蓋總成的配合，端蓋總成旋轉(zhuǎn)拆卸的同時(shí)可以將濾芯順帶出來(lái)，減少拆裝步驟，提高效率。該設(shè)計(jì)已申請(qǐng)專利保護(hù)。

下端面帶有兩個(gè)O型密封圈槽，并通過(guò)加強(qiáng)筋對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，內(nèi)外密封面具有一定的高度差，更換濾芯時(shí)臟油可先從回油口排出。為保證紅外焊接工藝的可行性，在設(shè)計(jì)時(shí)，要求上下端蓋的焊接面平面度滿足0.2mm要求。

（2）設(shè)計(jì)防偽中心管：為達(dá)到防偽的目的，本濾芯將機(jī)油濾模塊的中心管集成在環(huán)保濾芯上。選用PA6+GF35材料，確保其抗坍塌強(qiáng)度性能。由于機(jī)油濾模塊沒有單獨(dú)的止回閥，機(jī)油濾模塊的儲(chǔ)油功能要通過(guò)濾芯來(lái)實(shí)現(xiàn)，為此專門設(shè)計(jì)出帶有內(nèi)管的中心管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管與外管一體成形，該一體成形結(jié)構(gòu)在保證中心管強(qiáng)度的前提下減少了零件數(shù)量，為確保中心管生產(chǎn)過(guò)程中脫模順利，內(nèi)外壁都設(shè)計(jì)增加了相應(yīng)的拔模斜度，中心內(nèi)管高度為中心支撐管的2/3，內(nèi)徑為中心支撐管的1/2，厚度僅為1.5mm，為中心支撐管的1/2。該內(nèi)管的功能與止回閥一致，確保發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)時(shí)，機(jī)油濾模塊中仍儲(chǔ)備部分機(jī)油。為確保濾芯的初始?jí)翰钤谝粋€(gè)較低的水平，該中心管的開孔率高達(dá)65%。該中心管設(shè)計(jì)已申請(qǐng)專利保護(hù)。

（3）設(shè)計(jì)密封圈定位卡環(huán)：該濾清器采用卡環(huán)的形式固定上端蓋密封圈，內(nèi)嵌式的密封圈卡槽需用專門配合的卡環(huán)來(lái)固定O型密封圈，該設(shè)計(jì)形式可以有效控制零部件尺寸，確保密封效果，從設(shè)計(jì)上進(jìn)一步加強(qiáng)防偽。

（4）采用先進(jìn)的全合成纖維濾紙材料：為了在有限設(shè)計(jì)空間內(nèi)達(dá)到客戶的高容塵要求，本濾芯選用了具有高容塵的全合成纖維機(jī)油濾濾紙。合成纖維是以小分子的有機(jī)化合物為原料，經(jīng)加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)合成的線性高分子化合物材料。使用全合成纖維濾材一方面可延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，另一方面也是從材料的角度提升了產(chǎn)品的性能防偽性。本濾芯選用100%聚酯纖維（PET）為原材料的過(guò)濾濾紙。聚酯纖維用于機(jī)油濾濾紙最大的優(yōu)點(diǎn)是形狀穩(wěn)定性好，吸濕性小，具有較高的強(qiáng)度和抗熱油老化性能，可長(zhǎng)時(shí)間在高溫機(jī)油中使用。

本設(shè)計(jì)選用深層過(guò)濾的全合成纖維濾材，包含2層結(jié)構(gòu)。第一層濾紙（臟側(cè)）為核心過(guò)濾材料，成分為PET;第二層為塑料網(wǎng)格，起支撐作用，幫助改善濾紙的加工工藝性，成分為PET。其顆粒捕捉機(jī)理包含以下三種：（1）擴(kuò)散（布朗運(yùn)動(dòng)），微小污染物由于做布朗運(yùn)動(dòng)碰撞到纖維上被截留，本機(jī)理主要針對(duì)小于0.5微米的顆粒;（2）攔截，顆粒污染物在隨流線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由于顆粒尺寸大于流線與纖維之間的距離而碰撞到纖維上被截留，本機(jī)理主要針對(duì)0.1到5微米的顆粒;（3）慣性，重質(zhì)顆粒污染物在慣性作用下偏離流線碰撞到纖維上而被截留，本機(jī)理主要針對(duì)大于1微米的顆粒。

（5）采用特殊的工藝焊接方法：一般機(jī)油濾濾芯采用黏膠工藝，將紙芯與塑料端蓋連接在一起。本濾芯采用紅外焊接工藝，且要求中心管與紙芯同步參與焊接。紅外焊接是采用非接觸式的加熱方法對(duì)塑料件進(jìn)行加熱。兩個(gè)待焊接的零件表面在紅外線的映照下可迅速凝聚，經(jīng)壓合冷卻后即粘接在一同，并可獲得極高的焊接強(qiáng)度。焊接深度要求：紙芯參與焊接深度0.75mm～0.1mm，中心管參與焊接深度0.5mm～0.75mm，保證臟側(cè)機(jī)油無(wú)法從焊接處旁通到干凈測(cè)，同時(shí)從工藝上進(jìn)一步加強(qiáng)防偽。下圖為本濾芯的3D數(shù)模圖形。

4防偽環(huán)保機(jī)油濾芯的性能

（1）全合成纖維濾材的老化性能ISO 2758：

耐Castrol 0W30熱油老化，油溫150℃，老化時(shí)間500小時(shí)。老化后濾紙耐破度要求大于1.2bar。

（2）濾芯效率：15μm≥50%，25μm≥90%;容塵量>60g。

（3）振動(dòng)試驗(yàn)（與總成一起評(píng)估）：

在共振頻率和加速度下，X，Y，Z方向各振動(dòng)3000萬(wàn)次

后無(wú)泄漏和損壞。

（4）泄漏試驗(yàn)（與總成一起評(píng)估）：

分別在125℃，140℃，150℃三種溫度下進(jìn)行2-10 bar壓力循環(huán)，總循環(huán)次數(shù)達(dá)到108萬(wàn)次無(wú)泄漏和損壞。

（5）溫度循環(huán)試驗(yàn)（與總成一起評(píng)估）：

在低溫-30°條件下，0-15bar循環(huán)50次;然后同一編號(hào)測(cè)試樣件在150°條件下，0-15 bar循環(huán)20萬(wàn)次;最后同一樣件在低溫-30°條件下，0-15 bar再次循環(huán)50次后無(wú)泄漏和損壞。

（6）壓差性能ISO 4548-1：

低粘度下壓差：測(cè)試油粘度20mm2/s，濾芯壓差≤20kpa;高粘度下壓差：測(cè)試油粘度500mm2/s，濾芯壓差≤30kpa;

（7）濾芯中心管焊接泄漏量測(cè)試

濾芯在測(cè)試殼體中放置，注入2/3高度油面，靜止24h，油泄露量≤10ml。

（8）中心管坍塌實(shí)驗(yàn)ISO 2941

濾芯在測(cè)試殼體中放置，給予壓力，新條件下其中心管坍塌壓力≥9bar。老化150℃，500小時(shí)后，其中心管坍塌壓力≥6bar。

（9）濾芯端蓋拉拔力實(shí)驗(yàn)

新條件下：拉拔力≥0.17N/mm;老化150℃，500小時(shí)后，拉拔力≥0.15N/mm;同時(shí)濾芯應(yīng)從濾紙?zhí)帞嗔选?/p>

（10）滿足客戶整車臺(tái)架實(shí)驗(yàn)及路試要求，滿足10萬(wàn)公里的更換里程要求。

結(jié)束語(yǔ)：對(duì)防偽環(huán)保濾清器的設(shè)計(jì)，需要注意每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，材料選擇以及裝配工藝。采用塑料材料為主體，并結(jié)合獨(dú)特的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)防偽功能。同時(shí)，采用全合成纖維濾紙，可進(jìn)一步提升產(chǎn)品的過(guò)濾性能，達(dá)到長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的目的。