發動機曲軸前油封脫出問題分析與設計優化

王曉東

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

發動機曲軸前油封總成是發動機動態密封的重要部件，其主要功能是防止外界雜質進入曲軸箱內，同時阻止曲軸箱內的油氣和機油滲漏至發動機外部。曲軸前油封的設計選型對發動機的安全運行具有重要的影響。為滿足動力總成輕量化的需求，對曲軸前油封總成的尺寸要求越來越嚴苛[1-2]。針對某發動機曲軸前油封總成密封脫出失效問題，從設計、零件質量、裝配及試驗各個環節進行調查分析，最終確定曲軸前油封脫出的原因，并據此提出了解決措施，解決了曲軸前油封脫出失效問題。

1 存在的問題

某發動機總成在進行臺架磨合試驗過程中出現曲軸前油封脫出失效問題。有部分前油封在發動機裝上整車后，短時間內也出現了曲軸前油封脫出的情況，造成機油泄漏。失效件如圖1所示。

圖1 發動機曲軸前油封脫出

由圖1可知，發生故障時曲軸前油封整體從油封安裝孔中沿軸向向外脫出。試驗運行時間為10 h，檢測曲軸前油封的橡膠波紋段未見損傷及劃痕。

2 原因分析

該發動機曲軸前油封總成采用分體式結構，曲軸前油封通過壓裝的方式固定在油封安裝孔中。曲軸前油封總成結構如圖2所示。油封的骨架由橡膠包裹與油封安裝孔過盈配合，兩者通過擠壓產生徑向力使油封與油封安裝孔表面產生摩擦力。該摩擦力可以使油封被穩定地固定在油封安裝孔內。

圖2 曲軸前油封總成結構

影響發動機曲軸前油封性能的因素有很多，分別涉及到設計選型、零件質量、總成裝配及試驗條件等。通過對各因素進行分類，使用魚刺圖工具進行梳理，分析曲軸前油封脫出的原因，結果如圖3所示。

圖3 影響因素分析

2.1 油封尺寸

影響曲軸前油封尺寸的主要因素包含油封骨架外徑和油封外徑。對故障件油封和同批次的油封進行相關尺寸測量，結果見表1。由表1可知，無論是失效件還是同批次件，油封骨架外徑和油封外徑均滿足設計要求，并未發現超差。因此，可以排除油封尺寸的影響。

表1 故障件及同批次件尺寸檢測結果

2.2 油封安裝孔徑及表面粗糙度

對3件故障件的油封座進行孔徑檢測，結果如表2所示。由表2可知，所有的孔徑均滿足設計要求，未發現異常。

表2 曲軸前油封座孔徑檢測結果

《密封元件為彈性體材料的旋轉軸唇形密封圈 第1部分：基本尺寸與公差》(GB/T 13871.1—2007)對油封安裝孔表面粗糙度進行了詳細的定義[3]。隨機抽檢5件同批次件的表面粗糙度，其測試結果見表3。由表3可知：設計要求的表面粗糙度不符合國標規定范圍(1.6～3.2 μm)。5件同批次件中，表面粗糙度最大為1.1 μm；雖然5件同批次件的表面粗糙度符合設計要求，但是均不符合國標GB/T 13871.1—2007規定的范圍。油封安裝孔的表面粗糙度越小，其表面摩擦因數越小，則壓裝后的油封靜摩擦力越小，油封脫出力越小。

表3 曲軸安裝孔表面粗糙度測試結果

2.3 油封脫出力

油封脫出力對于油封在油封孔內的持久穩固性具有重要的影響。隨機抽取同批次件在生產線進行壓裝，壓裝完成后進行脫出力測試，測試結果見表4。由表4可以看出：在隨機抽取的8件同批次件中最小的油封脫出力達到了970 N，測試結果均滿足設計要求(≥200 N)。因此，排除油封脫出力對油封脫出的影響。

表4 曲軸前油封脫出力測試結果

2.4 曲軸箱壓力

曲軸箱壓力也是影響曲軸前油封性能的重要因素。對臺架磨合試驗過程中的曲軸箱壓力進行持續監控，最大的曲軸箱壓力為1 500 Pa。由曲軸箱壓力產生的對油封的推動力F為：

F=P曲軸箱·S受壓面

(1)

S受壓面=π(D2-d2)/4

式中：P曲軸箱為曲軸箱壓力，單位Pa；S受壓面為受壓面面積，單位mm2；D為油封安裝孔外徑，單位mm；d為曲軸密封區域的直徑，單位mm。

經過計算得到試驗過程中F的最大值為1.3 N，遠小于曲軸前油封靜態下的最小脫出力要求。因此，可以排除曲軸箱壓力對曲軸前油封脫出的影響。

2.5 壓裝工藝

壓裝工藝參數對發動機曲軸前油封影響較大。在生產線上該發動機曲軸前油封采用自動壓裝機壓裝。對壓裝完成后的油封進行平面度抽檢，測點要求如圖4所示。分別測試4個點到油封座底面的高度，然后取最大高度差作為其平面度。最大的平面度設計要求不大于0.2 mm。生產線試生產階段采用抽檢方式對平面度參數進行控制。

圖4 曲軸前油封測試要求示意圖

連續抽檢5件樣件，發現2件樣件的平面度超差。平面度超差會影響油封在安裝孔內的受力狀態和穩定性。因此，調整了平面度的檢測頻率，采取100%檢測。檢測結果顯示，曲軸前油封的壓裝合格率僅為50%左右，壓裝工位產生了大量需要重新壓裝的工件，而且部分油封壓裝3次以上均不能達到設計要求，導致生產線無法正常運行。通過檢查發現，自動壓裝機的壓裝力均處于較高水平。油封在壓力釋放后，局部區域會有一定的回彈，造成平面度超差。

3 優化方案

通過上述分析，可以確定導致曲軸前油封脫出的原因有2個：① 油封安裝孔的表面粗糙度設置不合理，可能會降低油封的脫出力；② 曲軸前油封壓裝后，油封的平面度超差。同時，生產線實施平面度測試后，油封壓裝的平面度超差報廢數量較多。為了解決以上問題，對當前油封安裝孔的表面粗糙度及壓裝工藝進行優化。

3.1 調整表面粗糙度

為提高油封安裝孔的摩擦因數，降低曲軸前油封脫出的風險，按照國標要求，將曲軸前油封安裝孔的表面粗糙度要求更改為1.6～3.2 μm。

3.2 使用壓裝潤滑劑

發動機曲軸前油封在壓裝過程中，壓裝力對于平面度的影響最大。在過盈量確定的情況下，可使用潤滑劑來實現減小摩擦，從而降低壓裝力的作用。普通的潤滑劑在壓裝完成后容易殘留，其減小摩擦的作用依然存在，從而造成油封脫出力下降。為了在提升油封脫出力的同時，降低壓裝力，選用P80橡膠裝配劑。該潤滑劑在裝配時具有潤滑作用，同時裝配完成后短時間內能夠揮發，不影響油封脫出力，也不會污染機油。

采用P80橡膠裝配劑進行工藝裝配后，在生產線上持續跟蹤了22件曲軸前油封的壓裝結果，如圖5所示。由圖5可知：平面度的合格率達到了100%；其中，油封平面度最大值僅為0.14 mm，平均值為0.10 mm，遠低于平面度最大值不超過0.20 mm的設計要求。

圖5 使用P80橡膠裝配劑壓裝后的油封平面度

優化方案實施后，跟蹤后續發動機相關耐久試驗及整車耐久試驗，均未再發生曲軸前油封脫出問題，證明該優化方案有效。

4 結語

在設計開發過程中油封安裝孔的表面粗糙度和油封壓裝后的平面度是確保油封穩定工作的重要參數，應合理設置其相關范圍。表面越光滑，油封的脫出力越小。在壓裝工藝過程中，使用潤滑劑可有效降低壓裝力。應選擇具有揮發性的潤滑劑，確保裝配完成后不降低油封的脫出力。