雙支點柔性截面結構的發動機曲軸油封研究及應用

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構的發動機曲軸油封研究及應用成果。發動機曲軸油封制造商輝門公司研發出一款雙支點柔性截面結構的MICROTORQ發動機曲軸油封，可以有效地解決當前發動機曲軸油封面臨的碳化、灰塵進入、安裝損壞等失效問題，鑒于該油封尚未全面應用到國內發動機中，本文針對MICROTORQ油封，從特征、試驗等方面進行詳細研究和分析，為國內發動機的新開發以及當前現有發動機的導入應用提供借鑒和參考。

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.

關鍵詞：發動機曲軸油封;油封失效;應用研究

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

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

0? 引言

油封失效導致的機油滲漏，已成為引發客戶抱怨的原因之一。經過調查分析，目前發動機曲軸油封的主要失效模式為碳化、灰塵進入、安裝損壞等，國內外油封制造商以及發動機制造商一直在不斷探索研發低摩擦、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

針對發動機曲軸油封密封性能要求的不斷提高，以及長期困擾發動機制造商的曲軸油封失效問題，油封制造商輝門公司創新性的開發出一款雙支點柔性截面結構的MICROTORQ油封，該油封采用新的設計思路和新的材料，在摩擦、防塵、安裝等方面，與傳統油封相比表現更出色。

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構的設計思路，從油封結構進行了全新的設計，油封材料也重新選擇，以下內容將從油封結構、材料兩方面進行研究分析。

2.1.1 MICROTORQ油封結構分析

為提高發動機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行全新設計，MICROTORQ油封結構如圖1所示。

MICROTORQ油封金屬骨架采用低碳鋼沖壓成型，主要負責支撐整個油封結構，外側為橡膠外圈提供模壓面，內側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構設計，油封在自然狀態下，油封密封唇向外自然伸展擴張，當油封安裝到發動機曲軸上后，油封唇與油封骨架之間的連接橋發生變形，變形過程中兩個端點均發生變形，這就是雙支點柔性結構的原理，該結構設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油封雙支點柔性結構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生彈性跳動，連接橋兩端雙支點也隨之發生動態彈性變性，MICROTORQ油封在連接橋上設計有加強筋，間隔布置在連接橋外側，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，3條回油線旋轉方向與曲軸旋轉方向相反，可高效地將回油槽內的機油，泵回到發動機內部。通過實驗研究，MICROTORQ油封采用3條密封線，推力可達到3MP，泵油完全可以滿足柴油機和汽油機的曲軸密封要求。

針對油封失效，發動機制造商經過調查研究，發現60%的失效是由于灰塵進入導致的密封唇的回油槽被填滿。針對油封防塵功能，MICROTORQ油封設計有主防塵唇和副防塵唇結構，主防塵唇的設計與傳統油封的防塵唇相似，可以阻止80～90%的灰塵進入油封內部，副防塵唇設計在油封密封唇末端，副防塵唇跟隨油封密封唇動態跳動緊貼合在曲軸表面，阻止灰塵進入密封唇回油槽內。

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計一個導向環，油封在安裝過程中可以借助此結構快速被推壓到曲軸外徑，同時便于售后拆裝，同時此結構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），氟橡膠與傳統油封材料PTFE（聚四氟乙烯）相比，各有優劣勢，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油封優勢

MICROTORQ油封的最重要的創新點是雙支點柔性截面設計，油封結構設計、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、環境適應性等方面進行詳細分析并介紹MICROTORQ油封的優勢。

2.2.1 低摩擦力

MICROTORQ油封采用雙支點柔性截面設計，在發動機所有的運轉工況內，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，與傳統油封相比降低80%，摩擦損耗也隨之降低80%，臺架試驗研究結果是，每臺發動機的CO2減排達到1.5g/km。

2.2.2 穩定密封性

發動機在工作狀態下，曲軸在實際運轉過程中并不是以一個非常穩定的同心圓進行運動，在曲軸的運轉過程中會存在頻繁的擺跳，MICROTORQ油封雙支點結構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 復雜環境適應性

發動機在工作運轉中，曲軸箱會產生一些正負壓，MICROTORQ油封的結構可以有效地抵抗曲軸箱的正負壓變化。通過試驗研究，并得出結論，MICROTORQ油封可承受14kPa的正負壓變化。

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個油封進行試驗，MICROTORQ油封與傳統PTFE油封背靠背實驗對比結果顯示，MICROTORQ油封性能表現更佳，試驗結果如表2所示。

3.2 臺架試驗

發動機臺架試驗是對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動機在終端客戶的實際工況，為了模擬發動機在終端客戶最惡劣的工況，發動機試驗大綱規定試驗采用SLT5試驗標準（評估發動機零部件在極端熱負荷和最大機械負荷下強度的試驗）。

針對考核油封的臺架試驗，試驗要求隨機抽取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微油環），發動機臺架試驗可以同時驗證油封設計、動態密封、摩擦受力等性能表現，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。臺架試驗結果顯示隨機抽取的3個MICROTORQ油封均順利通過500小時試驗。

3.3 道路試驗

國內某款發動機裝配了MICROTORQ曲軸油封，已經完成了道路試驗138萬公里的試驗驗證，未出現油封失效。并且已開始小批量投放市場安裝有MICROTORQ油封的發動機，沒有售后失效反饋。后續該款發動機將增加批量投放市場安裝有MICROTORQ油封的發動機，并且持續跟蹤該油封售后質量表現情況。

4? 結論

本文針對雙支點柔性截面結構的MICROTORQ油封，從結構特征、材料選型方面進行了深入研究分析，并對MICROTORQ油封所表現出來的優勢進行研究分析，研究結果表明MICROTORQ油封與傳統的PTFE油封相比，具有更好的通過零件實驗高低摩擦、高效防塵、安裝便利等優勢，通過零件實驗、臺架試驗和道路試驗，實驗數據進一步驗證了分析的正確性。

參考文獻：

[1]宋有國，黃華榮，等.康明斯發動機曲軸后油封密封性研究[J].重慶：內燃機，2003（04）：39-41.

[2]陳安宇，等.曲軸油封的密封機理及其使用壽命的影響因素[J].廣州：潤滑與密封，2005（01）：122-123.

[3]黃愛順.發動機曲軸油封接觸面磨損處理[J].南昌：銅業工程，2011（04）：72-73.