雙支點柔性截面結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)曲軸油封研究及應(yīng)用

尚星宇 鄭國世 李玉松 徐海洋 韓晶 蔡惠珍

摘要：本文介紹了雙支點柔性截面結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)曲軸油封研究及應(yīng)用成果。發(fā)動機(jī)曲軸油封制造商輝門公司研發(fā)出一款雙支點柔性截面結(jié)構(gòu)的MICROTORQ發(fā)動機(jī)曲軸油封，可以有效地解決當(dāng)前發(fā)動機(jī)曲軸油封面臨的碳化、灰塵進(jìn)入、安裝損壞等失效問題，鑒于該油封尚未全面應(yīng)用到國內(nèi)發(fā)動機(jī)中，本文針對MICROTORQ油封，從特征、試驗等方面進(jìn)行詳細(xì)研究和分析，為國內(nèi)發(fā)動機(jī)的新開發(fā)以及當(dāng)前現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的導(dǎo)入應(yīng)用提供借鑒和參考。

Abstract： This thesis introduces the research and application result of the engine crankshaft oil seal with double fulcrum flexible section structure. The supplier FM developed a microtorq oil seal with double fulcrum flexible section structure， which could solve the problem of carbonization， dust inlet， installation damage， ect. As this part haven’t been used in all engine in our native country， this thesis summary the research and analysis about the character， test， and other sections， aiming to providing the reference for the engine manufacture.

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)曲軸油封;油封失效;應(yīng)用研究

Key words： engine crankshaft oil seal;oil seal failure;application research

中圖分類號：U464.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0007-02

0? 引言

油封失效導(dǎo)致的機(jī)油滲漏，已成為引發(fā)客戶抱怨的原因之一。經(jīng)過調(diào)查分析，目前發(fā)動機(jī)曲軸油封的主要失效模式為碳化、灰塵進(jìn)入、安裝損壞等，國內(nèi)外油封制造商以及發(fā)動機(jī)制造商一直在不斷探索研發(fā)低摩擦、高效防塵、安裝便利的曲軸油封，從而提高油封的可靠性和耐久性。

1? 背景介紹

針對發(fā)動機(jī)曲軸油封密封性能要求的不斷提高，以及長期困擾發(fā)動機(jī)制造商的曲軸油封失效問題，油封制造商輝門公司創(chuàng)新性的開發(fā)出一款雙支點柔性截面結(jié)構(gòu)的MICROTORQ油封，該油封采用新的設(shè)計思路和新的材料，在摩擦、防塵、安裝等方面，與傳統(tǒng)油封相比表現(xiàn)更出色。

2? 研究分析

2.1 MICROTORQ油封研究

MICROTORQ油封采用雙支點柔性截面結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，從油封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新的設(shè)計，油封材料也重新選擇，以下內(nèi)容將從油封結(jié)構(gòu)、材料兩方面進(jìn)行研究分析。

2.1.1 MICROTORQ油封結(jié)構(gòu)分析

為提高發(fā)動機(jī)曲軸油封密封性能的可靠性和耐久性，MICROTORQ油封從整體到局部均進(jìn)行全新設(shè)計，MICROTORQ油封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MICROTORQ油封金屬骨架采用低碳鋼沖壓成型，主要負(fù)責(zé)支撐整個油封結(jié)構(gòu)，外側(cè)為橡膠外圈提供模壓面，內(nèi)側(cè)為油封密封唇提供模壓面，整個金屬骨架起到支撐連接作用。

MICROTORQ油封采用雙支點柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計，油封在自然狀態(tài)下，油封密封唇向外自然伸展擴(kuò)張，當(dāng)油封安裝到發(fā)動機(jī)曲軸上后，油封唇與油封骨架之間的連接橋發(fā)生變形，變形過程中兩個端點均發(fā)生變形，這就是雙支點柔性結(jié)構(gòu)的原理，該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以確保油封密封唇與曲軸緊密貼合，并且接觸摩擦受力均勻分布。

MICROTORQ油封雙支點柔性結(jié)構(gòu)最重要的是金屬骨架與密封唇之間的連接橋，油封密封唇隨著曲軸的徑向跳動而發(fā)生彈性跳動，連接橋兩端雙支點也隨之發(fā)生動態(tài)彈性變性，MICROTORQ油封在連接橋上設(shè)計有加強(qiáng)筋，間隔布置在連接橋外側(cè)，目的是為了提高連接橋的耐久性和可靠性。

MICROTORQ油封密封唇的回油線采用切割技術(shù)，3條回油線旋轉(zhuǎn)方向與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反，可高效地將回油槽內(nèi)的機(jī)油，泵回到發(fā)動機(jī)內(nèi)部。通過實驗研究，MICROTORQ油封采用3條密封線，推力可達(dá)到3MP，泵油完全可以滿足柴油機(jī)和汽油機(jī)的曲軸密封要求。

針對油封失效，發(fā)動機(jī)制造商經(jīng)過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)60%的失效是由于灰塵進(jìn)入導(dǎo)致的密封唇的回油槽被填滿。針對油封防塵功能，MICROTORQ油封設(shè)計有主防塵唇和副防塵唇結(jié)構(gòu)，主防塵唇的設(shè)計與傳統(tǒng)油封的防塵唇相似，可以阻止80～90%的灰塵進(jìn)入油封內(nèi)部，副防塵唇設(shè)計在油封密封唇末端，副防塵唇跟隨油封密封唇動態(tài)跳動緊貼合在曲軸表面，阻止灰塵進(jìn)入密封唇回油槽內(nèi)。

對于油封安裝過程中的油封翻唇、密封唇損傷等損壞失效，MICROTORQ油封在連接橋頂端設(shè)計一個導(dǎo)向環(huán)，油封在安裝過程中可以借助此結(jié)構(gòu)快速被推壓到曲軸外徑，同時便于售后拆裝，同時此結(jié)構(gòu)可以避免安裝過程中翻唇帶來的失效。

2.1.2 MICROTORQ油封材料分析

MICROTORQ油封采用了材料FKM（氟橡膠），氟橡膠與傳統(tǒng)油封材料PTFE（聚四氟乙烯）相比，各有優(yōu)劣勢，MICROTORQ油封對材料重新選型，對比分析了材料，選擇氟橡膠主要有兩方面的考慮。如表1所示。

2.2 MICROTORQ油封優(yōu)勢

MICROTORQ油封的最重要的創(chuàng)新點是雙支點柔性截面設(shè)計，油封結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料重新選型對油封的整體耐久性、可靠性方面有很大的提高，以下從摩擦力、密封性、防塵性、環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行詳細(xì)分析并介紹MICROTORQ油封的優(yōu)勢。

2.2.1 低摩擦力

MICROTORQ油封采用雙支點柔性截面設(shè)計，在發(fā)動機(jī)所有的運轉(zhuǎn)工況內(nèi)，密封唇與曲軸圓周面始終保持均勻的密封接觸，并且降低接觸力，以降低系統(tǒng)的整體摩擦損失，MICROTORQ油封與曲軸之間的接觸力為18.6N左右，與傳統(tǒng)油封相比降低80%，摩擦損耗也隨之降低80%，臺架試驗研究結(jié)果是，每臺發(fā)動機(jī)的CO2減排達(dá)到1.5g/km。

2.2.2 穩(wěn)定密封性

發(fā)動機(jī)在工作狀態(tài)下，曲軸在實際運轉(zhuǎn)過程中并不是以一個非常穩(wěn)定的同心圓進(jìn)行運動，在曲軸的運轉(zhuǎn)過程中會存在頻繁的擺跳，MICROTORQ油封雙支點結(jié)構(gòu)確保油封密封唇與軸套緊密接觸，且MICROTORQ油封采用氟橡膠，彈性比傳統(tǒng)油封聚四氟乙烯材料更佳。

2.2.3 高效防塵性

MICROTORQ油封在密封唇的末端增加了一個副防塵唇，副防塵唇隨密封唇緊貼合在曲軸上，這對于油封的防塵效果有很大的提升，可以有力的阻止從主防塵唇逃逸過去的灰塵。

2.2.4 復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性

發(fā)動機(jī)在工作運轉(zhuǎn)中，曲軸箱會產(chǎn)生一些正負(fù)壓，MICROTORQ油封的結(jié)構(gòu)可以有效地抵抗曲軸箱的正負(fù)壓變化。通過試驗研究，并得出結(jié)論，MICROTORQ油封可承受14kPa的正負(fù)壓變化。

3? 試驗驗證

3.1 零件試驗

壽命試驗、灰塵試驗是比較重要且苛刻的試驗，這兩項試驗主要是驗證油封的耐久性和可靠性，每項試驗要求隨即抽取3個油封進(jìn)行試驗，MICROTORQ油封與傳統(tǒng)PTFE油封背靠背實驗對比結(jié)果顯示，MICROTORQ油封性能表現(xiàn)更佳，試驗結(jié)果如表2所示。

3.2 臺架試驗

發(fā)動機(jī)臺架試驗是對MICROTORQ油封性能在投入市場前最好的驗證方式，因此臺架試驗要模擬發(fā)動機(jī)在終端客戶的實際工況，為了模擬發(fā)動機(jī)在終端客戶最惡劣的工況，發(fā)動機(jī)試驗大綱規(guī)定試驗采用SLT5試驗標(biāo)準(zhǔn)（評估發(fā)動機(jī)零部件在極端熱負(fù)荷和最大機(jī)械負(fù)荷下強(qiáng)度的試驗）。

針對考核油封的臺架試驗，試驗要求隨機(jī)抽取3個零件，每個零件試驗時間不少于500h，油封泄露水平不高于一級水平（即油封與曲軸接觸面僅存在細(xì)微油環(huán)），發(fā)動機(jī)臺架試驗可以同時驗證油封設(shè)計、動態(tài)密封、摩擦受力等性能表現(xiàn)，在多項影響因素疊加的情況下充分驗證MICROTORQ油封性能的綜合表現(xiàn)。臺架試驗結(jié)果顯示隨機(jī)抽取的3個MICROTORQ油封均順利通過500小時試驗。

3.3 道路試驗

國內(nèi)某款發(fā)動機(jī)裝配了MICROTORQ曲軸油封，已經(jīng)完成了道路試驗138萬公里的試驗驗證，未出現(xiàn)油封失效。并且已開始小批量投放市場安裝有MICROTORQ油封的發(fā)動機(jī)，沒有售后失效反饋。后續(xù)該款發(fā)動機(jī)將增加批量投放市場安裝有MICROTORQ油封的發(fā)動機(jī)，并且持續(xù)跟蹤該油封售后質(zhì)量表現(xiàn)情況。

4? 結(jié)論

本文針對雙支點柔性截面結(jié)構(gòu)的MICROTORQ油封，從結(jié)構(gòu)特征、材料選型方面進(jìn)行了深入研究分析，并對MICROTORQ油封所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢進(jìn)行研究分析，研究結(jié)果表明MICROTORQ油封與傳統(tǒng)的PTFE油封相比，具有更好的通過零件實驗高低摩擦、高效防塵、安裝便利等優(yōu)勢，通過零件實驗、臺架試驗和道路試驗，實驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗證了分析的正確性。

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