一種輪轂電機產品油封設計問題分析及改善

郭淮偉

（舍弗勒貿易（上海）有限公司，上海 201800）

0 引言

輪轂電機概念，最早由保時捷先生在1900年左右提出。其將動力驅動、制動、傳動裝置集成在車輪內 ，具有結構緊湊、效率高以及響應快等優勢，顛覆式創新改變了傳統汽車傳動系統，在新能源汽車行業頗具前瞻性，被廣泛關注。輕量化、集成化、高性能的一體化的輪轂電機驅動系統是未來清潔、節能、安全型電動汽車的1種非常理想的驅動形式[1]。

輪轂電機將2個或多個電機集成于輪轂內部，驅動形式分為減速驅動和直接驅動[2]，該公司選擇輪內加減速器的減速驅動方案，減速器采用行星齒輪傳動，采用油潤滑并使用傳統油封進行密封，因為輪轂電機應用于車輪內部屬于非簧載質量，且減速器殼體和電機共用同1個殼體，其將面臨沖擊振動、涉水、電機散熱及粉塵污染等各種使用環境，所以對強度、耐用性和可靠性提出了較高的要求。

1 輪轂電機密封系統設計

該公司某款輪轂電機產品的密封系統使用4個動態密封圈，編號S1-S4，S1負責減速器腔與外界環境的密封，擔負防止油液滲漏和防止外界異物侵入的目的，S2同時密封齒輪腔和輪轂軸承內的潤滑脂。S3和S4負責電機腔的密封，防止油水侵入；同時使用靜態密封圈負責非旋轉部位的密封。

其中S2、S3和S4的使用部位旋轉軸都具有較強的支撐作用，且使用環境相對來說較為簡單，油封的設計過程較為傳統，在試驗過程中沒有出現泄露問題。由于S1油封的使用位置具有特殊性，存在幾個設計難點，并且在試驗過程中失效，經過幾輪改善，鎖定為最終面向量產的方案。

2 舍弗勒輪轂電機系統S1主油封設計問題

該油封在設計過程中，存在以下4個問題：1） 靜態與動態偏心量大。2） 外部環境條件苛刻。3） 腔內壓力上升較快。4） 旋轉軸軸向竄動大。

2.1 靜態與動態偏心量大

該油封使用部位為輪轂系統的最左端，系統的簡化模型如圖1所示，在4.5 t的整車重量加載后，其位置靜態變形量﹥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度、適度增加唇口過盈量，同時選擇較軟的橡膠材質，并調整彈簧抱緊力，最終通過仿真確認達到允許偏心量0.5 mm的設計目標，如圖2所示，在唇口過盈量最小同時疊加系統變形量0.5 mm 時唇口接觸應力為0.75 MPa，為增加油封密封的可靠性，通過增加支撐軸直徑，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 輪轂軸承系統模型

輪轂電機安裝于車輪內部，其外端面僅有輪輞做保護，通常車輛輪輞為鏤空輕量化設計，使該油封外端面不得不面對碎石沖擊、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。為了應對所述外部環境，S1油封（如圖4所示）設置“U”形金屬防塵蓋承受各種沖擊，同步設置3道防塵唇，如圖2所示，以防止多種污染物侵入。防塵蓋安裝至旋轉軸上，與殼體留有間隙，以便于液體排出。

同時車輛的使用環境溫度最低溫度為-40 ℃，在-40 ℃的環境下，如果防塵蓋和外防塵唇部位夾帶少量污水等液體后，在停車工況下極易結冰，因防塵蓋需要與旋轉軸一起旋轉，而油封安裝在殼體上，防塵蓋和防塵唇之間存在相對轉速，再次啟動時，結冰現象會造成防塵唇拉扯甚至拉傷，防塵唇失效進而造成油封失效。因此，將防塵蓋外延至殼體外側如圖4所示，同時油封外側和殼體防塵蓋之間預留旋轉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，從而杜絕冰凍啟動拉傷油封風險。

圖2 S1油封唇口接觸應力分析

圖3 輪轂軸承系統累積形變量-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行狀態防塵蓋不脫出，為了不降低整機的可匹配性，去除了距離主唇最近的第3副唇，整機總成長度不增加，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油封改進后的方案

2.3 腔內壓力上升較快

與傳統減速器相比，除了齒輪嚙合以及攪油損失產熱之外，電機在運行過程中自身產熱，導致腔內溫度變化較傳統齒輪減速器更劇烈，可快速突破120 ℃，從而使壓力上升較快，對油封密封不利，且熱量傳導至油封唇口極易加速其老化，因此在電機定子外側增加水冷結構，增加水冷之后電機定子的溫度通過水冷可保持在70 ℃，同時殼體溫度在90 ℃以下，試驗實測結果和仿真結果基本吻合。

另外，輪轂電機設置了通氣塞用來平衡減速器腔體的內部壓力如圖5所示，通氣塞內部出口布置在行星排外齒圈和殼體的間隙內，并隱藏于擋圈背部，使油液不容易接近通氣塞出口；同時進氣道設計為細小孔，但是上部設置1個直徑為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殼體壁匯聚至細孔，匯聚后會在細孔處形成油柱，形成的油柱會堵塞通氣孔，使減速器內壓升高，內壓升高會使油柱沿細孔向上爬升，當油柱到達大直徑的腔體后，會因直徑變化引起的壓力瞬間變小而破裂。因此將壓力卸掉，防止油柱直接抵達通氣塞，進而導致通氣塞失效。

2.4 旋轉軸軸向竄動大

由于輪轂電機位于車輪內部，屬于非簧載質量，根據試驗采集的路面沖擊仿真，該旋轉軸和殼體之間最大可能產生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致油封唇口位置隨殼體偏移，而軸系因相對剛度較大會向相反的方向產生微小位移，油封防塵蓋安裝在軸上，目前唇口和防塵蓋的設計間隙為1.5 mm，如果出現30 g沖擊，再累計尺寸鏈分析結果，唇口安裝位置軸向變動量為±0.35 mm，極易出現防塵蓋尖端劃傷主唇的情況進而導致泄露。

將軸端部開1個環形槽，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，能起到更穩定的防塵作用。

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

圖5 通氣道設計

圖6 50 G沖擊仿真結果

圖7 分軸徑安裝設計

3 試驗驗證

將油封方案鎖定后，制作樣件完成功能驗證及耐久試驗，試驗項目如下所述。

3.1 供應商臺架試驗

試驗項目包括泥水實驗、高低溫耐久試驗、低溫啟停試驗、摩擦扭矩試驗、壓入脫出力測試、油品兼容性試驗、熱風老化測試、低溫脆化試驗、偏心追隨性試驗以及干磨測試。

主要的技術指標如下：油品BOT350 M3，其溫度為-40 ℃～200 ℃，高溫耐久溫度為120 ℃，耐久時間累計500 h無泄露，耐泥水336 h唇口內部不出現泥水成分，低溫啟停29循環共50 h無泄漏，壓入力<2500 N，壓出力﹥200 N，油品兼容性參照ASTM D2000 M2HK810 EO78標準（硬度變化-15度～+5度，抗張強度變化≤-40%，伸長率變化≤-20%，體積變化≤10%），熱風老化參照 ASTM D2000 M2HK810 HK Basic Requirements 標準（硬度變化≤±15度，抗張強度變化≤±30%，伸長率變化≤ -50%），低溫脆化參照 ASTM D2000 M2HK810 F15標準無斷裂，動態偏心0.5 mm運行20 h無泄漏，2500 轉干磨20 min后通過200 h高溫耐久無泄漏。

3.2 輪轂電機總成試驗

試驗項目包括總成密封性測試、總成耐久試驗和振動沖擊試驗。主要技術指標：氣壓0.6 Bar，充氣15 s，穩壓20 s，測試20 s，泄露率<1 mL/min；等效里程3萬km加速耐久無泄漏；總成運行狀態承受X/Y/Z3個方向50倍重力加速度沖擊各20次，零件無損壞，油封無泄露。

4 結語

為了確保油封密封質量，滿足實際產品使用要求，在設計初期結合輪轂電機產品的應用環境，針對影響油封密封性能油封性能的各方面因素充分進行設計優化，應用仿真手段虛擬驗證，可以縮短油封的開發周期，加上后期的試驗驗證，將產品失效的風險降至最低。將該產品設計及驗證過程和同行分享，以期與同行共同探討，共同進步。