汽車減振器油封摩擦力變化規律研究*

李修隆 于偉杰 孫維威 楊化林 鄧 芳

(青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061)

汽車減振器油封是一種唇形往復密封件，它能阻止潤滑油通過汽車減振器導向器與活塞桿之間的間隙泄漏到外界環境中。摩擦力作為減振器的一個重要參數，對減振器的使用壽命和性能有著決定性的影響。摩擦力太大意味著油封唇口與活塞桿的相對運動難度較大，一方面會因為摩擦過大會加劇唇口磨損，產生較多的熱量，進一步加劇油封唇口的老化，進而使得汽車減振器產生泄漏，降低汽車減振器的使用壽命；另一方面摩擦力過大會使得汽車減振器在工作時難以被壓縮和復原，使用性能被大打折扣。摩擦力太小又會使得油封唇口難以對密封體做到有效的密封，泄漏量會增加，同樣會降低汽車減振器的使用壽命。因此針對汽車減振器的摩擦力研究是十分具有意義的。

LAWRIE、FIELD等[1-3]最早使用位移傳感器測量了天然橡膠活塞密封件的摩擦力，并發現往復密封內外行程的摩擦力存在差異。KANETA等[4]發現密封界面內流體中混有的氣泡對摩擦力和泄漏有影響，首次揭示了往復密封界面內流體存在空化現象。MüLLER[5]揭示了泄漏和摩擦力隨行程速度、密封預緊力和流體黏度的變化規律。FIELD和NAU[6]描繪了摩擦力隨往復位移的變化規律。YUKIMASA、江曉紅等[7-9]發現采用聚四氟乙烯處理的唇形油封可獲得較低的摩擦力。KANZAKI等[10]發現雙唇往復油封具有較小的摩擦因數，同時還觀察到兩唇間壓力隨流體壓力的增大而升高。

然而上述研究均未考慮溫度對橡膠材料的影響，為此CNOPS[11]研究了彈性密封件的應力松弛和蠕變對往復摩擦力的影響，并證實了橡膠材料存在黏彈效應；ASTON、NAKAO等[12-13]探討了溫度與往復密封變形之間的關系，并研究了往復密封件在套桿前后的彈性恢復率變化。為更深入地研究往復密封摩擦力，CRUDU等[14-15]將U形密封摩擦力的仿真和實驗結果進行對比，發現當膜厚很小時，密封面內存在混合潤滑和黏著現象；同時還擴展前人提出的U形密封數值模型，通過模型分析了密封面粗糙度波長及分布位置對摩擦力的影響，并進行了實驗驗證。迪力夏提·艾海提等[16]通過試驗臺測量了在不同壓力、速度、運動方向下Y 形密封圈的摩擦力。黃興等人[17]通過實驗與模擬研究了斯特封的摩擦力與泄漏量。

但是對于往復油封的摩擦力研究不多，研究摩擦力隨著外界條件的變化規律更是少之又少，也缺少仿真模擬與實驗驗證相結合的綜合研究。為了探究油封摩擦力的變化規律，本文作者以汽車減振器油封為研究對象，在往復油封摩擦力實驗臺上開展摩擦力實驗研究，并分析潤滑油溫度、潤滑油壓力和活塞桿速度對摩擦力的影響規律，推斷出在不同的工況下汽車減振器的合理過盈量或抱緊力。同時將實驗數據與仿真結果進行對比，進而驗證所提出混合潤滑數值仿真模型的準確性，為進一步研究汽車減振器油封的性能和使用壽命提供參考。

1 摩擦力實驗

1.1 往復油封結構

汽車減振器油封屬于往復密封的一種，它主要由金屬骨架、靜密封、彈簧、主唇、二道唇、封氣唇和防塵唇構成，其結構如圖1所示。金屬骨架起支撐橡膠體的作用。彈簧對密封期間唇口的徑向力變化起補償作用。主唇對油液進行密封，并保持一定的潤滑效果。二道唇在高壓環境下調節主唇的應力分布并支撐主唇。封氣唇配合導向器將汽車減振器儲油筒內的氣體與工作缸內的油液分離。防塵唇防止外界雜質(粉塵、泥水)進入密封界面，以免劃傷油封唇口和活塞桿。

圖1 往復油封示意Fig 1 Schematic of reciprocating oil seal

1.2 實驗設備

摩擦力實驗在往復油封摩擦力實驗臺上進行，實驗臺結構如圖2所示。實驗臺主要由液壓系統、控制系統、加熱系統、偏心調整系統、數據測試系統和油腔等組成。液壓系統提供實驗過程中所需的油液壓力并能保壓，以便實驗臺可以測試高壓條件下的汽車減振器油封摩擦力。控制系統依照設定的速度和行程驅動直線電機控制活塞桿完成壓縮與復原行程的交替運動。加熱系統利用加熱管給油腔內的油液加熱，以便實驗臺可以測試高溫條件下的汽車減振器油封摩擦力。數據測試系統利用拉壓力傳感器測量油封密封唇面與活塞桿表面間產生的摩擦力，并能監控油液壓力以及油液溫度隨時間的變化曲線。

圖2 摩擦力試驗臺Fig 2 Experimental rig for friction force

1.3 實驗原理

汽車減振器油封分別安裝在油腔的頂部和底部。頂部和底部的油封都需要正裝，2個對稱安裝，中間為密封腔體，如圖3(a)所示。在復原行程中活塞桿向上運動，摩擦力方向向下，油封唇口的開口方向與摩擦力方向相反，唇口發生擠壓變形。在壓縮行程中活塞桿向下運動，摩擦力方向向上，油封唇口的開口方向與摩擦力方向相同，唇口發生拉伸變形。在壓縮與復原行程中摩擦力方向均與活塞桿的運動方向相反，由于活塞桿運動方向是周期性改變的，因此摩擦力方向也發生周期性的變化。油封與活塞桿之間為過盈裝配，油封唇口會產生施加在活塞桿上的徑向力FN。由庫侖摩擦原理知[18]，摩擦力正比于油封唇口的徑向抱緊力，計算公式如下：

Ff=fFN

(1)

活塞桿在運動過程中，復原行程中油封的摩擦力為F1，拉壓力傳感器數值為F拉；壓縮行程中油封的摩擦力為F2，拉壓力傳感器的數值為F壓。活塞桿的重力為FG，其受力分析如圖3(b)所示。則有

圖3 油封裝配圖及受力分析Fig 3 Oil seal assembly diagram(a) and force analysis(b)

F拉=F1+FG

(2)

F壓+FG=F2

(3)

理論上油封在壓縮與復原行程中產生的摩擦力為

(4)

1.4 測試方法

實驗過程中每一組油封測試30個循環，而在單個循環內每一個行程中記錄多個點的摩擦力值。為避免活塞桿在啟停或行程轉變期間對摩擦力造成影響，壓縮與復原行程的摩擦力均取行程中點的摩擦力數據。因此，單個循環摩擦力等于壓縮與復原行程的摩擦力絕對值之和除以2。

(5)

油封摩擦力等于從起始循環到總循環的每個循環摩擦力的平均值。

(6)

為保證實驗數據的準確性，減少實驗環境、實驗設備以及實驗操作帶來的測量誤差，相同工況條件下測試3組往復油封，最終取3組往復油封摩擦力的平均值作為該實驗工況下的最終實驗結果。

2 數值模型與分析

基于往復運動密封界面內在各種工況條件下會發生混合潤滑，文中將建立往復式骨架油封密封界面內的混合潤滑數值模型。活塞桿經過多次的往復運動其表面會被油封密封唇面磨得非常光滑，因此假定油封密封唇面粗糙度服從高斯規律的隨機分布，活塞桿光滑。圖4示出了混合潤滑條件下往復式骨架油封密封唇面與活塞桿表面間形成的密封界面。

圖4 密封區示意Fig 4 Schematic of sealing zone

圖4中，h為密封界面內的油膜厚度；pf為流體壓力；psc為不考慮流體壓力時密封界面內的靜接觸壓力；pc為粗糙峰接觸壓力。可以得出：在密封界面內靜接觸壓力等于流體壓力與粗糙峰接觸壓力之和。

psc=pf+pc

(7)

2.1 有限元分析

圖5顯示了油封密封的有限元模型。由于油封的結構與受力存在軸對稱性，因此為提高計算速度采用二維軸對稱模型。固體單元采用plane183，選用targe169和contact172單元創建接觸對。由于金屬骨架、彈簧和活塞桿的剛度很大，所以將其設置為剛體，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。唇口材料為丁腈橡膠，本構模型選用兩參數的Mooney-Rivlin模型，根據材料硬度計算得到本構模型的材料參數C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa[19]，彈性模量為43 MPa，泊松比為0.499。模型采用不同尺寸的單元進行網格劃分，為提高有限元分析的準確性，將唇口附近的網格進行局部細化，如圖5所示。

圖5 有限元模型Fig 5 The FE model

給活塞桿施加向右的位移模擬安裝過盈量，在彈簧中心處施加等效集中力模擬彈簧對往復式骨架油封唇口產生的預緊力。在油側施加壓力模擬汽車在減振過程汽車減振器內部油液對往復式骨架油封唇口所產生的流體壓力pf。設置往復式骨架油封外徑的所有自由度為零模擬汽車減振器工作缸壁對油封外徑的約束。

2.2 接觸力學分析

油封密封面內油膜的流體力學分析由雷諾方程控制。采用微控制體積有限差分法離散化雷諾方程，采用三對角矩陣算法求解φ和F，從而獲得密封界面內的壓力分布和空化區域。

根據摩擦學理論得知：當油膜厚度h≤3σ時，密封界面內為混合潤滑狀態且活塞桿表面與油封密封唇面粗糙峰發生接觸，于是在計算油封唇面的徑向變形和密封界面內的油膜厚度時，需在總壓中加上粗糙峰接觸壓力。文中使用經典的Greenwood-Williamson表面接觸模型[20-21]計算活塞桿表面與油封密封唇面之間產生的粗糙峰接觸壓力。接觸壓力pc與總接觸面積Ae根據模型可知：

(8)

(9)

式中：Ftol表示總接觸載荷；η表示名義接觸面積An上的粗糙峰密度；E′表示組合彈性模量，

(10)

由于軸被視為剛性，E′只是彈性唇的“平面應力模量”，

(11)

E、ν分別為唇的彈性模量和泊松比；z為粗糙面高度；d為接觸面分離度，

d=h-ys

(12)

ys表示粗糙度平均值與表面高度之間的距離。作為第一近似，對于高斯分布

(13)

σs代表粗糙度高度的標準偏差，即不同于表面高度的標準偏差,σ和σs之間的關系是

(14)

在得到流體壓力pf和粗糙峰接觸壓力pc后，由公式(7)可以求出靜接觸壓力psc，所以可得到摩擦力

Ff=fpscAe

(15)

3 結果與討論

3.1 活塞桿速度的影響

不同類型的汽車會在不同的路況條件下行駛，像越野車在比賽過程中一般在高低嚴重不平的路面行駛，它所使用的減振器的活塞桿運動速度會比較快；在一般的公路上行駛的轎車，由于路面較為平穩，減振器活塞桿的運動速度會比較慢。不同類型汽車上的減振器的油封摩擦力值是不一樣的，因此研究活塞桿運動速度與油封摩擦力的關系是十分有意義的。

圖6顯示了實驗得到的活塞桿速度與汽車減振器油封摩擦力之間的關系，為提高實驗的準確性，采用了3種不同類型的油封，為了減少橡膠材料對實驗結果的影響，3種油封的制造材料相同，只是其孔徑有所不同。由圖6可知，隨活塞桿速度的增加，摩擦力呈先增加后減小最后趨于穩定的變化規律。剛開始時，隨著活塞桿速度的增大，在密封接觸面內逐漸形成一層很薄的潤滑油膜，這層油膜不穩定且容易破裂，進而導致密封接觸面內呈邊界潤滑狀態，所以摩擦力增加。隨活塞桿速度的進一步增大，活塞桿速度的提高改善了密封接觸面內的潤滑效果，潤滑狀態由邊界潤滑過渡到混合潤滑，所以摩擦力減小。隨活塞桿速度的再增加，密封接觸面內的潤滑轉變為流體潤滑，在流體潤滑條件下密封接觸面內形成了穩定的潤滑油膜，這層油膜將油封密封唇面從活塞桿表面托起，使兩者完全不接觸，油封唇口也不會發生磨損，潤滑效果非常好，所以摩擦力大小趨于穩定。

圖6 不同孔徑油封摩擦力隨活塞桿速度變化的實驗結果Fig 6 Experimental results of friction force of oil seals with differentdiameters varying with rod speed

圖7示出了數值模擬得到的油封摩擦力隨活塞桿速度的變化關系。可以看出，摩擦力隨活塞桿速度的增加先增大，最后趨于定值。這是因為，增加活塞桿的運動速度，密封界面內的流體動壓效應增強，進而增加了油封唇口對于活塞桿的抱緊力，所以摩擦力增加；隨著速度的繼續增加，密封界面內的流體動壓效應達到最大值，油封對活塞桿的抱緊力也不再增加，最終摩擦力隨之趨于定值。

圖7 油封摩擦力隨活塞桿速度變化的數值模擬結果Fig 7 Numerical results of friction force of oilseal varying with rod speed

對比實驗與數值模擬的結果，兩組數據變化趨勢一致，因此結果正確。但是實驗結果中，摩擦力會有一個極大值，這是因為在實際使用過程中，油封唇口與減振器活塞桿會逐漸磨合，磨合后會比一開始時摩擦力變小。可以推斷出若汽車減振器用在低運動速度場合時，應使油封有較大的過盈量或抱緊力，從而使得摩擦力保持較大數值，以防止因活塞桿運動速度過低，導致摩擦力數值過小，導致泄漏量增加，降低汽車減振器的使用壽命；用于高運動速度場合時，在保證油封密封性良好的前提下，盡量減小過盈量或抱緊力，以減小摩擦力，延長汽車減振器油封的使用壽命。

3.2 潤滑油溫度的影響

在汽車減振器密封系統中潤滑油溫度是影響油封密封性能的重要因素之一。由于汽車減振器內部是密閉的，活塞桿往復運動產生的熱量很難被帶走，如果汽車長時間行駛，就會使得減振器內的溫度不斷升高。油封長期工作在高溫條件下，不僅會加快密封唇的老化速度，而且還會改變密封接觸面內的潤滑條件，進而引起摩擦力的變化。因此探討油封摩擦力與潤滑油溫度之間的關系具有重要意義。

圖8顯示了實驗得到的不同潤滑油壓力條件下摩擦力隨潤滑油溫度的變化。隨潤滑油溫度的升高，摩擦力迅速減小。一方面，隨著潤滑油溫度的升高，潤滑油黏度降低，這改善了潤滑油的流動性，導致摩擦因數減小，所以摩擦力減小。另一方面，增加潤滑油溫度，高溫會導致油封橡膠材料彈性模量降低，油封變軟，油封唇口更容易發生變形，導致油封唇口施加在活塞桿上的徑向力減小，所以摩擦力會逐漸減小。

圖8 不同潤滑油壓力下摩擦力隨潤滑油溫度的變化Fig 8 Variation of friction force with oil temperatureunder different oil pressure

在進行實驗時，研究了不同潤滑油壓力條件下的摩擦力數值，并取了多次實驗的平均值，因此可以保證實驗數據的正確性與合理性。根據圖8的變化規律，可以推斷出若汽車減振器用于溫度較高的場合或者汽車一直長時間行駛時，應使得油封有較大的過盈量或抱緊力，加大摩擦力，以防止在高溫條件下，由于溫度的不斷上升，導致油封唇口逐漸軟化，油封的摩擦力不斷下降，泄漏量增加，減少汽車減振器的使用壽命。

3.3 潤滑油壓力的影響

在汽車減振器密封系統中潤滑油壓力是影響往復式骨架油封密封性能的又一個重要因素。汽車減振器工作缸內的潤滑油壓力不是穩定的，而是隨活塞桿的運動時刻發生變化的，增大潤滑油壓力會增大往復式骨架油封唇口的接觸寬度，進而影響油封的抱緊力。因此研究油封摩擦力與潤滑油壓力之間的關系具有重要的應用價值。

圖9顯示了實驗得到的不同孔徑油封的摩擦力與潤滑油壓力之間的變化關系。隨著潤滑油壓力的升高，摩擦力逐漸增大，潤滑油壓力越高，摩擦力越大。原因如下：一方面，增大潤滑油壓力，油封唇口與活塞桿之間的接觸寬度增加，這提高了油封唇口的刮油能力，使得油封唇口在壓縮與復原行程中可以從密封接觸面內刮除更厚的油膜，從而導致密封接觸面內潤滑油膜的斷裂，形成了干摩擦，摩擦因數增加，故摩擦力增大；另一方面，隨著潤滑油壓力的升高，油封唇口與活塞桿之間的接觸寬度增加，進而油封唇口施加在活塞桿上的徑向力增加，這增大了密封面內粗糙峰接觸的機會，使得流體動壓效應減弱，所以摩擦力會逐漸增大。

圖9 不同孔徑油封摩擦力隨潤滑油壓力變化的實驗結果Fig 9 Experimental results of friction force of oil seals withdifferent diameters varying with lubricating oil pressure

圖10顯示了數值模擬得到的油封摩擦力隨著油壓的變化關系。可看出，摩擦力隨著油壓的升高而增大，油壓越高，摩擦力越小。這是因為，增大油壓，增加了油側與空氣側的壓差，所以摩擦力會逐漸增加。

圖10 油封摩擦力隨潤滑油壓力變化的數值模擬結果Fig 10 Numerical results of friction force of oilseal varying with lubricating oil pressure

對比實驗與數值模擬的結果，兩組數據變化趨勢一致，因此結果正確。通過數據變化規律可以推斷出若汽車減振器初始油壓較高時，應在保證油封密封性能良好的前提下，盡量減少油封的過盈量或抱緊力，以防止在油壓不斷升高的的條件下，摩擦力會不斷上升，加劇油封唇口的磨損，減少汽車減振器的使用壽命。同時也可得出，汽車不能超載，否則會導致油封的過度磨損，降低油封的密封性能，減少減振器的使用壽命。

4 結論

(1)增大汽車減振器活塞桿速度，密封接觸面內的潤滑狀態得到改善，油封摩擦力呈先增加再減小后穩定的變化規律。因此，汽車減振器用于速度較低的場合時，應使得油封有較大的過盈量或抱緊力，以防止由于活塞桿運動速度過低使得油封摩擦力過小，密封性能下降，減少汽車減振器的使用壽命。

(2)潤滑油溫度升高會導致油封橡膠材料彈性模量降低，油封變軟，摩擦力減小。因此，汽車減振器用于溫度較高的場合或者汽車長時間行駛時，應使得油封有較大的過盈量或抱緊力，以防止在高溫下使用時，由于溫度的不斷上升，油封的摩擦力不斷下降，密封性能下降，減少汽車減振器的使用壽命。

(3)潤滑油壓力增加，油封密封接觸面內粗糙峰接觸將增多，總接觸面積增大，摩擦力增大。因此，汽車減振器用于油壓較高的場合時，應在保證油封的密封性能良好的前提下，盡量減少油封的過盈量或抱緊力，以防止在油壓不斷升高的的條件下，摩擦力會不斷上升，加劇油封唇口的磨損，降低油封的密封性能，減少汽車減振器的使用壽命。

(4)在不同工況下使用的汽車減振器油封應該設定不同的過盈量或者抱緊力，避免在使用過程中導致摩擦力過大或者過小，影響減振器的性能和使用壽命。