一種輪轂電機(jī)產(chǎn)品油封設(shè)計(jì)問(wèn)題分析及改善

郭淮偉

（舍弗勒貿(mào)易（上海）有限公司，上海 201800）

0 引言

輪轂電機(jī)概念，最早由保時(shí)捷先生在1900年左右提出。其將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、傳動(dòng)裝置集成在車(chē)輪內(nèi) ，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高以及響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，顛覆式創(chuàng)新改變了傳統(tǒng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)，在新能源汽車(chē)行業(yè)頗具前瞻性，被廣泛關(guān)注。輕量化、集成化、高性能的一體化的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是未來(lái)清潔、節(jié)能、安全型電動(dòng)汽車(chē)的1種非常理想的驅(qū)動(dòng)形式[1]。

輪轂電機(jī)將2個(gè)或多個(gè)電機(jī)集成于輪轂內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)形式分為減速驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)[2]，該公司選擇輪內(nèi)加減速器的減速驅(qū)動(dòng)方案，減速器采用行星齒輪傳動(dòng)，采用油潤(rùn)滑并使用傳統(tǒng)油封進(jìn)行密封，因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)應(yīng)用于車(chē)輪內(nèi)部屬于非簧載質(zhì)量，且減速器殼體和電機(jī)共用同1個(gè)殼體，其將面臨沖擊振動(dòng)、涉水、電機(jī)散熱及粉塵污染等各種使用環(huán)境，所以對(duì)強(qiáng)度、耐用性和可靠性提出了較高的要求。

1 輪轂電機(jī)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該公司某款輪轂電機(jī)產(chǎn)品的密封系統(tǒng)使用4個(gè)動(dòng)態(tài)密封圈，編號(hào)S1-S4，S1負(fù)責(zé)減速器腔與外界環(huán)境的密封，擔(dān)負(fù)防止油液滲漏和防止外界異物侵入的目的，S2同時(shí)密封齒輪腔和輪轂軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂。S3和S4負(fù)責(zé)電機(jī)腔的密封，防止油水侵入；同時(shí)使用靜態(tài)密封圈負(fù)責(zé)非旋轉(zhuǎn)部位的密封。

其中S2、S3和S4的使用部位旋轉(zhuǎn)軸都具有較強(qiáng)的支撐作用，且使用環(huán)境相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，油封的設(shè)計(jì)過(guò)程較為傳統(tǒng)，在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)泄露問(wèn)題。由于S1油封的使用位置具有特殊性，存在幾個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并且在試驗(yàn)過(guò)程中失效，經(jīng)過(guò)幾輪改善，鎖定為最終面向量產(chǎn)的方案。

2 舍弗勒輪轂電機(jī)系統(tǒng)S1主油封設(shè)計(jì)問(wèn)題

該油封在設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在以下4個(gè)問(wèn)題：1） 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)偏心量大。2） 外部環(huán)境條件苛刻。3） 腔內(nèi)壓力上升較快。4） 旋轉(zhuǎn)軸軸向竄動(dòng)大。

2.1 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)偏心量大

該油封使用部位為輪轂系統(tǒng)的最左端，系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示，在4.5 t的整車(chē)重量加載后，其位置靜態(tài)變形量﹥0.4 mm，普通油封偏心量一般為0.25 mm[3]，為此增加油封的唇口長(zhǎng)度、適度增加唇口過(guò)盈量，同時(shí)選擇較軟的橡膠材質(zhì)，并調(diào)整彈簧抱緊力，最終通過(guò)仿真確認(rèn)達(dá)到允許偏心量0.5 mm的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖2所示，在唇口過(guò)盈量最小同時(shí)疊加系統(tǒng)變形量0.5 mm 時(shí)唇口接觸應(yīng)力為0.75 MPa，為增加油封密封的可靠性，通過(guò)增加支撐軸直徑，減小輪轂軸承鋼球直徑的方式將油封位置的變形量縮小至0.32 mm（如圖3中虛線部分），以此增加該密封部位的安全裕度。

圖1 輪轂軸承系統(tǒng)模型

輪轂電機(jī)安裝于車(chē)輪內(nèi)部，其外端面僅有輪輞做保護(hù)，通常車(chē)輛輪輞為鏤空輕量化設(shè)計(jì)，使該油封外端面不得不面對(duì)碎石沖擊、泥水飛濺、粉塵濃度大以及其他污染物侵入等惡略外部條件。為了應(yīng)對(duì)所述外部環(huán)境，S1油封（如圖4所示）設(shè)置“U”形金屬防塵蓋承受各種沖擊，同步設(shè)置3道防塵唇，如圖2所示，以防止多種污染物侵入。防塵蓋安裝至旋轉(zhuǎn)軸上，與殼體留有間隙，以便于液體排出。

同時(shí)車(chē)輛的使用環(huán)境溫度最低溫度為-40 ℃，在-40 ℃的環(huán)境下，如果防塵蓋和外防塵唇部位夾帶少量污水等液體后，在停車(chē)工況下極易結(jié)冰，因防塵蓋需要與旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，而油封安裝在殼體上，防塵蓋和防塵唇之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)速，再次啟動(dòng)時(shí)，結(jié)冰現(xiàn)象會(huì)造成防塵唇拉扯甚至拉傷，防塵唇失效進(jìn)而造成油封失效。因此，將防塵蓋外延至殼體外側(cè)如圖4所示，同時(shí)油封外側(cè)和殼體防塵蓋之間預(yù)留旋轉(zhuǎn)間隙附近部位布置一道和防塵蓋不接觸的擋水唇，阻止外部侵入少量液體后流向有接觸的防塵唇，從而杜絕冰凍啟動(dòng)拉傷油封風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 S1油封唇口接觸應(yīng)力分析

圖3 輪轂軸承系統(tǒng)累積形變量-改善后

防塵蓋外延后，需要和軸有更寬的配合寬度以確保運(yùn)行狀態(tài)防塵蓋不脫出，為了不降低整機(jī)的可匹配性，去除了距離主唇最近的第3副唇，整機(jī)總成長(zhǎng)度不增加，去除后效果（如圖4所示），去除后防塵蓋和軸的配合寬度為4.675 mm，防塵蓋和主唇間隙為1.5 mm。

圖4 S1油封改進(jìn)后的方案

2.3 腔內(nèi)壓力上升較快

與傳統(tǒng)減速器相比，除了齒輪嚙合以及攪油損失產(chǎn)熱之外，電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中自身產(chǎn)熱，導(dǎo)致腔內(nèi)溫度變化較傳統(tǒng)齒輪減速器更劇烈，可快速突破120 ℃，從而使壓力上升較快，對(duì)油封密封不利，且熱量傳導(dǎo)至油封唇口極易加速其老化，因此在電機(jī)定子外側(cè)增加水冷結(jié)構(gòu)，增加水冷之后電機(jī)定子的溫度通過(guò)水冷可保持在70 ℃，同時(shí)殼體溫度在90 ℃以下，試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。

另外，輪轂電機(jī)設(shè)置了通氣塞用來(lái)平衡減速器腔體的內(nèi)部壓力如圖5所示，通氣塞內(nèi)部出口布置在行星排外齒圈和殼體的間隙內(nèi)，并隱藏于擋圈背部，使油液不容易接近通氣塞出口；同時(shí)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)為細(xì)小孔，但是上部設(shè)置1個(gè)直徑為10 mm的空腔，為了防止油液直接上竄至通氣塞，其原理為有油液通過(guò)殼體壁匯聚至細(xì)孔，匯聚后會(huì)在細(xì)孔處形成油柱，形成的油柱會(huì)堵塞通氣孔，使減速器內(nèi)壓升高，內(nèi)壓升高會(huì)使油柱沿細(xì)孔向上爬升，當(dāng)油柱到達(dá)大直徑的腔體后，會(huì)因直徑變化引起的壓力瞬間變小而破裂。因此將壓力卸掉，防止油柱直接抵達(dá)通氣塞，進(jìn)而導(dǎo)致通氣塞失效。

2.4 旋轉(zhuǎn)軸軸向竄動(dòng)大

由于輪轂電機(jī)位于車(chē)輪內(nèi)部，屬于非簧載質(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)采集的路面沖擊仿真，該旋轉(zhuǎn)軸和殼體之間最大可能產(chǎn)生1 mm左右的軸向位移（如圖6所示），該軸向位移在油封唇口導(dǎo)致油封唇口位置隨殼體偏移，而軸系因相對(duì)剛度較大會(huì)向相反的方向產(chǎn)生微小位移，油封防塵蓋安裝在軸上，目前唇口和防塵蓋的設(shè)計(jì)間隙為1.5 mm，如果出現(xiàn)30 g沖擊，再累計(jì)尺寸鏈分析結(jié)果，唇口安裝位置軸向變動(dòng)量為±0.35 mm，極易出現(xiàn)防塵蓋尖端劃傷主唇的情況進(jìn)而導(dǎo)致泄露。

將軸端部開(kāi)1個(gè)環(huán)形槽，如圖7所示，使防塵蓋和軸的安裝不與主唇口位于同1個(gè)軸段，從而解決了防塵蓋在組裝公差和軸向沖擊變形的情況下觸碰主唇口，造成后期泄露的問(wèn)題，而且在輪輞安裝后，改防塵蓋夾在輪輞和輸出軸之間，不容易脫落，能起到更穩(wěn)定的防塵作用。

同時(shí)，增加了圖6最右側(cè)的背板的剛度，減小了沖擊載荷下的形變量，從而提升了安全裕度。

圖5 通氣道設(shè)計(jì)

圖6 50 G沖擊仿真結(jié)果

圖7 分軸徑安裝設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將油封方案鎖定后，制作樣件完成功能驗(yàn)證及耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目如下所述。

3.1 供應(yīng)商臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)項(xiàng)目包括泥水實(shí)驗(yàn)、高低溫耐久試驗(yàn)、低溫啟停試驗(yàn)、摩擦扭矩試驗(yàn)、壓入脫出力測(cè)試、油品兼容性試驗(yàn)、熱風(fēng)老化測(cè)試、低溫脆化試驗(yàn)、偏心追隨性試驗(yàn)以及干磨測(cè)試。

主要的技術(shù)指標(biāo)如下：油品BOT350 M3，其溫度為-40 ℃～200 ℃，高溫耐久溫度為120 ℃，耐久時(shí)間累計(jì)500 h無(wú)泄露，耐泥水336 h唇口內(nèi)部不出現(xiàn)泥水成分，低溫啟停29循環(huán)共50 h無(wú)泄漏，壓入力<2500 N，壓出力﹥200 N，油品兼容性參照ASTM D2000 M2HK810 EO78標(biāo)準(zhǔn)（硬度變化-15度～+5度，抗張強(qiáng)度變化≤-40%，伸長(zhǎng)率變化≤-20%，體積變化≤10%），熱風(fēng)老化參照 ASTM D2000 M2HK810 HK Basic Requirements 標(biāo)準(zhǔn)（硬度變化≤±15度，抗張強(qiáng)度變化≤±30%，伸長(zhǎng)率變化≤ -50%），低溫脆化參照 ASTM D2000 M2HK810 F15標(biāo)準(zhǔn)無(wú)斷裂，動(dòng)態(tài)偏心0.5 mm運(yùn)行20 h無(wú)泄漏，2500 轉(zhuǎn)干磨20 min后通過(guò)200 h高溫耐久無(wú)泄漏。

3.2 輪轂電機(jī)總成試驗(yàn)

試驗(yàn)項(xiàng)目包括總成密封性測(cè)試、總成耐久試驗(yàn)和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。主要技術(shù)指標(biāo)：氣壓0.6 Bar，充氣15 s，穩(wěn)壓20 s，測(cè)試20 s，泄露率<1 mL/min；等效里程3萬(wàn)km加速耐久無(wú)泄漏；總成運(yùn)行狀態(tài)承受X/Y/Z3個(gè)方向50倍重力加速度沖擊各20次，零件無(wú)損壞，油封無(wú)泄露。

4 結(jié)語(yǔ)

為了確保油封密封質(zhì)量，滿足實(shí)際產(chǎn)品使用要求，在設(shè)計(jì)初期結(jié)合輪轂電機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境，針對(duì)影響油封密封性能油封性能的各方面因素充分進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，應(yīng)用仿真手段虛擬驗(yàn)證，可以縮短油封的開(kāi)發(fā)周期，加上后期的試驗(yàn)驗(yàn)證，將產(chǎn)品失效的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。將該產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過(guò)程和同行分享，以期與同行共同探討，共同進(jìn)步。