旋轉軸用油封泄漏分析及建議

譚 建

微車變速器輸出口與傳動軸配合處，多采用骨架油封進行密封。我公司某車型研發階段，在路試中多次出現變速器輸出口漏油故障。本文通過對故障車進行分析探討，解決了問題，并提出防止變速器輸出口油封泄露的建議。

1 油封的密封原理

在對輸出軸滲漏的原因分析前，先探討一下骨架油封的密封原理。骨架油封是由耐油橡膠、鋼骨架和螺旋彈簧組成。骨架油封唇口內徑在自由狀態下比密封部位軸外徑小，在骨架油封和軸裝配后，油封唇口對軸產生一定的徑向壓力。當軸旋轉時，軸與唇口之間形成一條寬約0.3 mm～0.5 mm環形密封帶，并保持一層約0.003 mm厚的油膜，使唇口和軸在接近液體摩擦的條件下工作，以減少唇口摩擦。當油封唇口微量磨損后，彈簧的收緊作用能有效地給予補償[1]。

油封面上有螺旋槽，當油膜碰到油封螺旋槽，就會受到螺旋斜面的作用而產生作用力P，如圖1所示，此力就會將欲外流的液體介質壓回儲油端（也即是油封螺旋槽具有的泵吸功能）。當該作用力大于油膜本身受到的來自儲油端的油壓時，就能實現密封[2]。

圖1 油膜受力分析圖

上述分壓力可用公式（1）進行計算。

式中：p為螺旋槽產生的一個作用力；c為旋轉軸與油封唇口之間的間隙；L為唇口與軸接觸密度；v為旋轉軸表面線速度；μ為液體介質的動力黏度；F（a，s）為螺紋結構要素。

2 變速器輸出口漏油原因分析

2.1 變速器輸出口結構

圖2是變速器輸出口的結構簡圖。與花鍵軸配合的傳動軸滑動叉采用內花鍵，與變速器花鍵軸配合。其外表面為光滑圓柱面，與變速器襯套及油封配合。變速器內部存在齒輪油。變速器輸出口安裝骨架油封，與滑動叉配合形成密封條件。花鍵軸的右端安裝到軸承上。

圖2 變速器輸出口的結構簡圖

2.2 故障現象分析及故障件檢測

經檢查故障件，發現變速器襯套圓周面上有磨損痕跡，油封主唇口有磨損。進一步將油封用顯微鏡放大分析，發現油封主唇口面上有劃痕，且磨損面較大。故障現象如圖3、圖4所示。

圖3 襯套圓周面上有磨痕

圖4 油封唇口有劃痕，磨損面寬

從圖3和圖4的磨損情況，初步分析導致漏油的原因可能是變速器輸出口相關配合零件的精度不夠，或者有異物入侵。為了找出主要原因，對相關零件進行以下檢測。

（1）滑動叉外圓面粗糙度要求Ra0.4，實測值為0.8 ～ 1.02 μm.超差 0.4 ～ 0.62 μm.倒角粗糙度要求Ra3.2，實測0.30～0.35 μm，部分超差。外圓面直徑37.95 mm～37.975 mm，實測值37.961 mm～37.972 mm.外圓面與花鍵同軸度公差0.04 mm，實測為0.03 mm～0.04 mm.達到要求。

（2）軸瓦內徑要求38.02 mm～38.04 mm，實測值38.025 mm～38.035 mm.達到圖紙要求。

為了檢查確認變速器輸出軸及滑動叉在圓周上相對于油封可能存在的不同軸度而導致滑動叉跳動，加大磨損油封唇部，進行了以下檢測。

（3）油封安裝孔相對于箱體上輸出軸的安裝軸承孔同軸度0.05 mm，實測值0.019 mm～0.032 mm.達到圖紙要求。

（4）襯套內圓相對于箱體上輸出軸的安裝軸承孔同軸度0.05 mm，實測值0.016 mm～0.026 mm.達到圖紙要求。

（5）以箱體上輸出軸的軸承安裝面為基準，從輸出軸頂端約5 mm處往后，按照每隔10 mm取一個圓，檢測其同軸度，經5個樣件檢測結果，可推斷出花鍵軸同軸度最大范圍0.009 mm～0.06 mm，大部分符合圖紙要求。

2.3 漏油原因分析

首先從油封唇口放大照片圖4可以看出，主唇口有劃痕，這是漏油的主要原因之一。此劃痕屬于硬傷，不會是正常磨損，而是裝配前劃傷。裝配工藝不合適可能會造成此劃傷，經變速器裝配現場檢查確認，裝配方式合理。油封往內側不夠清潔，有異物入侵，工作時使油封劃傷。油封處于不穩定狀態，油封接觸面的建立的油膜被破壞而導致漏油。

經檢測發現，滑動叉端部倒角粗糙度雖基本符合要求，但是對于骨架油封配合與安裝的要求，此值過大，也有可能會導致在滑動叉插入變速器輸出口時劃傷油封。

對于油封唇口磨損寬度較大，這也是導致漏油的直接原因之一。從檢測數據分析，主要是由于滑動叉外圓面粗糙度超差。一方面，滑動叉直接磨損油封唇口。另一方面，滑動叉磨損銅質襯套后，其磨掉的金屬屑被帶到油封唇口處進入接觸面，加劇唇口磨損。

輸出軸及滑動叉相對于油封在圓周上的跳動也會導致油封異常磨損，同時也會使油封唇口與軸外圓面的接觸面間隙在瞬間加大，根據公式（1）可以得知，當旋轉軸與油封唇口之間的間隙c增加，螺旋槽產生的一個作用力p將減小，直至小于變速箱內的油壓而泄露。

通過數據分析，滑動叉相對油封的跳動量正常。當花鍵軸及其安裝軸承的剛度不足時，可能導致輸出軸跳動過大，也可能導致上述間隙c增大而泄露。而從同批次的路試車中，有部分車已通過路試，可以得知花鍵軸及軸承剛度足夠。不存在因油封唇口與滑動叉配合間隙過大導致泄露的原因。

3 改進方案

針對滑動叉外圓面粗糙度過大的問題，嚴格要求生產車間按照圖紙要求執行，控制粗糙度。同時，為了避免滑動叉端部倒角可能造成的劃傷油封唇口的風險，減小粗糙度值要求，更改為Ra0.8.為了防止唇口被劃傷，加強對油封安裝過程控制，定期檢查油封壓裝工裝及工藝。并加強控制油封及變速器唇口和滑動叉的清潔度，避免異物侵入。經過改進后，新樣件裝車后路試，沒有出現漏油現象，通過路試。

4 結束語

對于使用骨架油封密封的變速器輸出口，為了避免漏油現象，通過分析及實踐經驗，建議以下幾點：

（1）與油封配合的滑動叉軸面粗糙度應在Ra 0.1～Ra 0.4，端面倒角應小于Ra 0.8，不應有毛刺；

（2）油封及變速箱內油液應保持清潔無異物，軸表面應有潤滑油，避免劃傷及干摩擦；

（3）軸外圓與油封座孔不同軸度應小于0.1 mm；

（4）變速器輸出軸及安裝軸承應有足夠剛度，在工作中軸相對油封不應有較大跳動；

（5）油封安裝時應用合適的壓裝工裝均勻壓入，嚴防骨架變形和油封歪斜，使唇口位置失準[3]。

[1]李芳慧.改進油封座能有效改善輸出軸滲漏現象[J].工程機械，2006（10）：66-68.

[2]成燕燕，高 偉.青藏發電車柴油機油封滲漏油分析[J].潤滑與密封，2009（8）：122-123.

[3]孫華忠.汽車驅動橋油封失效分析及其對策[J].江西化工，2008（4）：245-247.