純電動(dòng)汽車一體化動(dòng)力總成非接觸式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

劉祥環(huán) 劉 平 曹保平 陳勇智

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410083;2.株洲齒輪有限責(zé)任公司 湖南株洲 412000)

隨著低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，純電動(dòng)汽車進(jìn)入高速發(fā)展階段。汽車進(jìn)入電氣時(shí)代后帶來(lái)了高速傳動(dòng)[1-2]，純電動(dòng)汽車( BEV) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速超過(guò)了15 000 r /min。純電動(dòng)汽車在結(jié)構(gòu)緊湊性、整車輕量化、成本最優(yōu)化的要求與日俱增，而一體化動(dòng)力總成剛好具備這些優(yōu)點(diǎn)，因此成為了純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的主要方向。一體化動(dòng)力總成將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、控制器集成在一起，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)也面臨一系列的難題需要攻克。減速器采用油潤(rùn)滑，依靠與電機(jī)軸連接處安裝的油封進(jìn)行密封，防止減速器的潤(rùn)滑油進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。純電動(dòng)汽車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)，普通骨架油封在長(zhǎng)時(shí)間高速磨損后存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)。油封一旦發(fā)生失效，減速器腔體內(nèi)的潤(rùn)滑油便會(huì)泄漏進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，造成整個(gè)動(dòng)力總成嚴(yán)重故障。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種適用于一體化動(dòng)力總成的可靠密封結(jié)構(gòu)，單獨(dú)或配合骨架油封使用，確保動(dòng)力總成在全生命周期內(nèi)密封可靠，對(duì)推動(dòng)純電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義。

密封結(jié)構(gòu)以接觸式與非接觸式2種方式為基礎(chǔ)，通過(guò)組合發(fā)展出不同的密封形式[3]。在國(guó)外，浮動(dòng)密封核心技術(shù)已經(jīng)成熟[4-6]，但受國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)浮動(dòng)密封以進(jìn)口為主。國(guó)內(nèi)雖然也仿制出浮動(dòng)密封產(chǎn)品，但生產(chǎn)的浮動(dòng)密封存在漏油、磨損等問(wèn)題[7]，還不能滿足密封性能要求。本文作者借鑒國(guó)內(nèi)外密封結(jié)構(gòu)[8-9]及設(shè)計(jì)方法[10-12]，設(shè)計(jì)一款適用于純電動(dòng)汽車一體化動(dòng)力總成的非接觸式新型密封結(jié)構(gòu)[13]，通過(guò)模擬仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該非接觸式新型密封結(jié)構(gòu)的性能。

1 新型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型機(jī)械密封采用動(dòng)靜分離結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)Ⅰ、靜環(huán)Ⅱ組成，動(dòng)環(huán)直接安裝在電機(jī)輸出軸上，靜環(huán)Ⅰ和靜環(huán)Ⅱ安裝在腔體上。靜環(huán)Ⅰ和靜環(huán)Ⅱ采用過(guò)盈配合，中間形成回油腔，靜環(huán)下面設(shè)有卸油孔。

圖1 新型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

該密封結(jié)構(gòu)采用非接觸式設(shè)計(jì)，工作時(shí)，動(dòng)環(huán)與電機(jī)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)與腔體保持靜止，避免了軸面與密封材料的磨損。靜環(huán)Ⅰ和靜環(huán)Ⅱ之間是回油腔，潤(rùn)滑油進(jìn)入回油腔后可以通過(guò)下端卸油孔回流到減速器腔體，保證減速器潤(rùn)滑油不會(huì)泄漏到電機(jī)內(nèi)部。

2 密封效果分析

2.1 模擬仿真分析

利用基于粒子算法仿真軟件ParticleWorks，模擬減速器飛濺潤(rùn)滑工況[14]，設(shè)置潤(rùn)滑油粒子大小為0.2 mm，小于密封結(jié)構(gòu)動(dòng)靜環(huán)間距；對(duì)動(dòng)靜環(huán)進(jìn)行屬性定義，動(dòng)環(huán)隨電機(jī)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)隨著機(jī)殼保持靜止，電機(jī)軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min;減速器均勻?yàn)R油，觀察潤(rùn)滑油流向。模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 機(jī)械密封性能仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示：在飛濺潤(rùn)滑工況下，少量潤(rùn)滑油進(jìn)入機(jī)械密封回油腔，再經(jīng)下端卸油孔回流到減速器腔體內(nèi)。

2.2 密封實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取一體化動(dòng)力總成二合一產(chǎn)品Y1T15進(jìn)行密封實(shí)驗(yàn)，該動(dòng)力總成參數(shù)如表1所示。

表1 Y1T15動(dòng)力總成參數(shù)

為模擬骨架油封失效狀態(tài)，將原有骨架油封人為破壞致失效狀態(tài)。將機(jī)械密封靜環(huán)安裝在腔體上，動(dòng)環(huán)安裝在電機(jī)輸出軸上，將一體化動(dòng)力總成固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，調(diào)整減速器工作角度為0°(減速器工作角度為減速器輸入軸與輸出軸軸線所在平面和水平面夾角，0°為潤(rùn)滑油最易進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部的工作角度)，連接電機(jī)控制器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，正反轉(zhuǎn)各30 min。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)完成后拆解實(shí)驗(yàn)樣箱，結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)前實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，回油腔內(nèi)有少量油存于底部，油量不多可以認(rèn)為油已經(jīng)回到減速器中。拆下電機(jī)，發(fā)現(xiàn)有少量潤(rùn)滑油泄漏到電機(jī)中。原因分析：(1)機(jī)械密封與軸、腔體接觸處配合設(shè)計(jì)不合理；(2)機(jī)械密封動(dòng)環(huán)與靜環(huán)設(shè)計(jì)不合理，不能有效密封。

3 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)原機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)集成在一起，中間形成迷宮結(jié)構(gòu)，動(dòng)、靜環(huán)之間增加浮動(dòng)環(huán)如圖5所示。工作時(shí)，潤(rùn)滑油液面比較低，浮動(dòng)環(huán)在離心力的作用下與靜環(huán)脫開，減少摩擦；不工作時(shí)，即使液面比較高，浮動(dòng)環(huán)回彈與靜環(huán)接觸達(dá)到密封的效果。

圖5 浮動(dòng)環(huán)機(jī)械結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后機(jī)械密封結(jié)構(gòu)同采用動(dòng)靜環(huán)一體結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)，直接把整個(gè)機(jī)械密封裝在腔體上，再把電機(jī)軸插入動(dòng)環(huán)2內(nèi)，動(dòng)環(huán)2通過(guò)O形圈1與軸過(guò)盈配合，靜環(huán)4通過(guò)O形圈3與腔體過(guò)盈配合，靜環(huán)與動(dòng)環(huán)之間依靠浮動(dòng)環(huán)5實(shí)現(xiàn)密封，優(yōu)化后的新型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的新型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后密封效果仿真分析

利用基于粒子算法仿真軟件ParticleWorks，模擬減速器飛濺潤(rùn)滑工況，設(shè)置潤(rùn)滑油粒子大小為0.2 mm，小于密封結(jié)構(gòu)動(dòng)靜環(huán)間距；對(duì)動(dòng)靜環(huán)進(jìn)行屬性定義，動(dòng)環(huán)隨電機(jī)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)隨著機(jī)殼保持靜止，電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 000、7 500、15 000 r/min;減速器均勻?yàn)R油，觀察潤(rùn)滑油流向。仿真效果如圖7所示。

圖7 機(jī)械密封性能仿真結(jié)果

優(yōu)化后的機(jī)械密封，在飛濺潤(rùn)滑工況下，少量潤(rùn)滑油進(jìn)入機(jī)械密封回油腔，再經(jīng)下端卸油孔回流到減速器腔體內(nèi)。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后密封實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取二合一動(dòng)力總成Y1T15進(jìn)行密封實(shí)驗(yàn)。模擬骨架油封失效狀態(tài)，將原有骨架油封人為破壞致失效狀態(tài)，優(yōu)化后的機(jī)械密封為集成式，將其安裝在減速器腔體上，如圖8所示。安裝完成后，將一體化動(dòng)力總成固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，調(diào)整減速器工作角度為0°，連接電機(jī)控制器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，正反轉(zhuǎn)各30 min，查看漏油情況。如無(wú)漏油再依次控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為7 500 r/min、15 000 r/min各測(cè)一次。

圖8 一體化動(dòng)力總成機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000、7 500、15 000 r/min時(shí)實(shí)驗(yàn)后，拆開實(shí)驗(yàn)樣箱，優(yōu)化設(shè)計(jì)后密封的密封效果均良好無(wú)泄漏，如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化設(shè)計(jì)后密封的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后密封壽命分析

由于新型機(jī)械密封沒有磨損消耗，相對(duì)于骨架油封在高線速度和壽命上有比較大的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)耐久實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)械密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品使用壽命可達(dá)10年以上要求。如表2所示。

表2 機(jī)械密封和骨架油封性能對(duì)比

4 結(jié)論

(1)針對(duì)一體化動(dòng)力總成使用的油封存在的密封問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種采用動(dòng)靜分離結(jié)構(gòu)的新型機(jī)械密封，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型機(jī)械密封在電機(jī)輸出3 000 r/min工況下，有一定的密封效果，但有少量油泄漏到電機(jī)內(nèi)部。

(2)對(duì)設(shè)計(jì)的新型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將動(dòng)環(huán)和靜環(huán)集成在一起，中間形成迷宮結(jié)構(gòu)，在動(dòng)、靜環(huán)之間增加了浮動(dòng)環(huán)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，新型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)在3 000、7 500、15 000 r/min轉(zhuǎn)速下都有良好的密封效果。通過(guò)模擬仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該非接觸式新型密封結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期功能，可靠性較常規(guī)油封密封有明顯提升，使一體化動(dòng)力總成在生命周期內(nèi)的可靠性得到有效提升，提高了一體化動(dòng)力總成的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。