某發(fā)動機曲軸油封漏油問題分析及設(shè)計優(yōu)化

王曉東，姚建明，劉金橋

某發(fā)動機曲軸油封漏油問題分析及設(shè)計優(yōu)化

王曉東，姚建明，劉金橋

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

針對某發(fā)動機在開發(fā)試驗過程中出現(xiàn)的曲軸油封機油泄漏問題。通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗運行條件及零件質(zhì)量等開發(fā)應(yīng)用關(guān)鍵影響因素進行分析，確定了其產(chǎn)生密封失效的根本原因。提出了優(yōu)化曲軸油封安裝孔的結(jié)構(gòu)及倒角尺寸，改進曲軸油封的防塵唇結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。優(yōu)化后的曲軸油封總成最終通過了發(fā)動機臺架耐久試驗。相關(guān)的分析方法及解決方案可以為相關(guān)人員提供參考。

曲軸油封；機油泄漏；密封失效；防塵唇優(yōu)化

發(fā)動機“三漏”問題是發(fā)動機密封系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中的重要研究課題。曲軸油封是發(fā)動機密封件中比較重要的一環(huán)，在運行過程中，起著密封曲軸箱機油的重要作用。其密封功能的優(yōu)劣，直接影響著發(fā)動機用戶的使用感受，機油滲漏問題一直以來也是售后抱怨的重點對象。如果機油泄漏嚴重，甚至會導(dǎo)致發(fā)動機的損壞。

隨著材料以及新技術(shù)的出現(xiàn)，曲軸油封的類型越來越多，相關(guān)文獻也對油封的結(jié)構(gòu)進行了一系列的研究[1-2]。其相關(guān)的研究多集中于新密封形式的改進。但是油封的應(yīng)用場景相對復(fù)雜，對于實際應(yīng)用的故障研究相對較少。作為設(shè)計工程師在開發(fā)應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實際項目的應(yīng)用場景進行產(chǎn)品的選型開發(fā)。在曲軸油封開發(fā)過程中，如何識別關(guān)鍵影響因素，對于產(chǎn)品的開發(fā)成敗具有重要的意義。本文對某發(fā)動機臺架試驗密封失效案例進行調(diào)查，通過分析影響曲軸油封的關(guān)鍵因素并進行相關(guān)調(diào)查，相關(guān)的分析結(jié)果為后續(xù)曲軸油封的設(shè)計提供參考。

1 曲軸油封的密封原理

曲軸油封主要由密封唇、防塵唇和骨架組成，如圖1所示。

圖1 曲軸油封結(jié)構(gòu)（以PTFE型為例）

密封唇的材料采用彈性體材料，在曲軸運轉(zhuǎn)過程中貼住曲軸表面，阻止曲軸箱內(nèi)的機油泄漏。防塵唇的作用是阻擋外界的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)進入內(nèi)部損傷密封唇。骨架的作用是支撐油封，將其固定在油封安裝孔內(nèi)，確保曲軸油封在工作過程不會脫離。

2 問題描述

某發(fā)動機開發(fā)過程中臺架耐久試驗完成后，拆機檢查發(fā)現(xiàn)曲軸后油封總成處出現(xiàn)滲油情況。如圖2所示。機油泄漏后由于曲軸運轉(zhuǎn)，周向的邊緣均有機油痕跡出現(xiàn)。拆解時發(fā)現(xiàn)其唇口還含有一定量的機油殘留，同時拆解還發(fā)現(xiàn)在油封和油封安裝孔處也有機油滲出的痕跡。

3 故障分析

通過上述失效圖片可以看出，曲軸油封密封失效的區(qū)域主要有兩處，即曲軸油封唇口與曲軸結(jié)合面的區(qū)域和曲軸油封與油封安裝孔的接觸區(qū)域。

3.1 油封總成外觀檢查

檢查拆解下的曲軸油封總成，發(fā)現(xiàn)曲軸油封安裝孔與曲軸油封處有大量的機油堆積。由于油封安裝孔的結(jié)構(gòu)采用的是階梯孔，如圖3所示。發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中的機油無法從該處排泄，機油長時間堆積可能會對油封安裝孔與油封結(jié)合面的密封造成一定的影響。

圖3 油封安裝孔結(jié)構(gòu)

3.2 曲軸油封及油封安裝孔檢查

對拆解下來的曲軸油封檢查發(fā)現(xiàn)，油封的外邊緣處的橡膠層周向已經(jīng)有部分區(qū)域被損壞，發(fā)生了切邊現(xiàn)象。橡膠層是該區(qū)域密封重要的部分，可以判斷橡膠層損壞是導(dǎo)致曲軸油封與安裝孔的結(jié)合面機油滲漏的直接原因。

對油封安裝孔的尺寸進行檢測，詳細數(shù)據(jù)如表1所示。其中安裝孔的入口倒角角度超過了國標的要求。這會導(dǎo)致曲軸油封在壓裝的過程中容易出現(xiàn)油封外側(cè)橡膠切邊問題。

表1 失效件油封安裝孔檢測結(jié)果

測試項目測試值國標限值 表面粗糙度Ra/μm1.71.6～3.2 內(nèi)徑/mm106.378106.35±0.1 倒角角度/(°)3415～25

3.3 曲軸表面密封區(qū)域

對失效發(fā)動機的曲軸表面進行檢查，其表面與曲軸油封唇口的接觸區(qū)域，密封接觸區(qū)域的磨損連續(xù)清晰，未見表面缺陷等情況。如圖4所示。

同時針對失效發(fā)動機的曲軸的表面質(zhì)量參數(shù)及尺寸參數(shù)進行檢測，如表2所示。其中各項尺寸均在設(shè)計要求的限值內(nèi)，未見超差問題。基本可以排除曲軸對于密封失效的影響。

圖4 密封失效發(fā)動機的曲軸表面

表2 失效件曲軸尺寸檢測結(jié)果

測試項目測試值限值 表面粗糙度Ra/μm0.203 3≤1.6 連接盤直徑/mm91.983 591.946～91 外徑圓跳動/mm0.022 4≤0.03 圓度/mm0.003 3≤0.005

3.4 油封密封唇口檢查

該曲軸油封采用的是聚四氟乙烯（Poly Tetra FluoroEthylene, PTFE）材料作為密封唇，密封唇設(shè)計有螺旋回油線結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)曲軸油封在曲軸運行時具有向內(nèi)泵油的功能。

通過對失效件的密封唇口的接觸寬度檢查發(fā)現(xiàn)，唇口的抱軸接觸寬度在3～4道回油線，如圖5所示。設(shè)計要求至少≥3道，滿足設(shè)計需求。

圖5 失效件密封唇口檢查

同時對失效件的回油線內(nèi)的情況進行檢查，回油線溝槽仍存在，且溝槽內(nèi)無外界雜質(zhì)或者機油碳化物堵塞，抱軸區(qū)域磨損周向均勻，其泵吸作用無異常，如圖6所示。基本上可以排除密封唇的問題。

圖6 失效件的回油線檢測

3.5 曲軸油封防塵唇檢查

對失效件的防塵唇進行檢測發(fā)現(xiàn)，防塵唇與曲軸磨損較為嚴重，如圖7所示。可以判定其在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中持續(xù)抱軸導(dǎo)致。

圖7 失效件的防塵唇

作為防塵唇的使用要求，其作用是阻擋外界雜質(zhì)侵入密封唇口區(qū)域[3-4]。同時由于密封唇的泵吸作用的存在，發(fā)動機曲軸運轉(zhuǎn)時會持續(xù)對外界有抽吸的過程，防塵唇不能完全與曲軸抱住，防塵唇與密封唇封閉區(qū)域的真空度下降，機油可能會從機油側(cè)被吸出。這是導(dǎo)致該密封唇口區(qū)域失效的主要原因。

3.6 曲軸箱壓力檢查

曲軸箱壓力對于曲軸油封的密封是一個重要因素。通過調(diào)取發(fā)動機臺架對發(fā)動機曲軸箱壓力的監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，密封失效的發(fā)動機曲軸壓力范圍在-0.5～1 kPa，詳細數(shù)據(jù)如圖8所示。設(shè)計要求為-1.5～1.5 kPa。可以排除其對密封失效的影響。

圖8 曲軸箱壓力監(jiān)控結(jié)果

4 設(shè)計優(yōu)化

通過上述故障分析，確定故障原因：一是由于油封安裝孔倒角尺寸設(shè)計不合理，導(dǎo)致油封外表面的橡膠受損產(chǎn)生滲漏；二是防塵唇結(jié)構(gòu)在運轉(zhuǎn)過程中與曲軸完全接觸，導(dǎo)致機油回流產(chǎn)生的滲油；三是油封階梯孔的設(shè)計不合理產(chǎn)生機油堆積，從而產(chǎn)生潛在失效風險。為解決以上問題，主要通過以下設(shè)計優(yōu)化改進措施。

4.1 油封安裝孔倒角優(yōu)化

按照《密封元件為彈性體材料的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈第一部分：基本尺寸和公差》（GB/T 13871.1）中油封安裝孔倒角的設(shè)計要求[5-6]，將倒角的角度由原來的30°±5°，調(diào)整至20°±5°。從而降低曲軸油封壓裝時出現(xiàn)的外表面橡膠切邊風險。

4.2 防塵唇結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為防止防塵唇結(jié)構(gòu)在曲軸運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)與曲軸完全貼合的情況。在原有防塵唇的內(nèi)表面增加突起結(jié)構(gòu)，突起之間保持間隔。詳細結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)的功能原理示意如圖9所示。該結(jié)構(gòu)可以確保防塵與曲軸貼緊后，仍然能夠保持與外界的氣壓通暢。

圖9 防塵唇的突起設(shè)計

4.3 油封安裝孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為避免曲軸油封與油封安裝孔臺階面形成封閉區(qū)域，降低機油堆積滲漏的風險。在臺階液位最低處做一個開孔，目的就是將工作過程中堆積的機油，能夠及時地排泄出去。如圖10所示。

圖10 油封安裝孔臺階開孔示意

5 試驗驗證

通過上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，將優(yōu)化后的曲軸油封總成搭載發(fā)動機臺架800 h動態(tài)耐久試驗進行測試，持續(xù)跟蹤5臺試驗結(jié)果，如表3所示。試驗完成后拆機檢查發(fā)現(xiàn)曲軸油封與油封安裝孔，以及曲軸油封的密封唇處，再未發(fā)生機油滲漏問題。優(yōu)化后的方案通過了試驗考核。

表3 試驗后油封總成檢查

對比項優(yōu)化后測試結(jié)果 圖片結(jié)果 整體檢查無滲漏 油封積油狀態(tài)無積油 唇口機油狀態(tài)無滲出

6 結(jié)論

曲軸油封作為發(fā)動機的動密封，其在設(shè)計開發(fā)過程中有諸多關(guān)鍵影響因素。本文對某發(fā)動機開發(fā)過程中耐久試驗出現(xiàn)的曲軸油封機油泄漏問題，通過油封安裝孔的結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸進行優(yōu)化，同時對曲軸油封的防塵唇進行改進，優(yōu)化方案最終通過了試驗驗證。其中的問題分析及解決方法對后續(xù)曲軸油封的設(shè)計開發(fā)提供參考依據(jù)。

[1] 王靜,馬洋洋,周中華.基于正交試驗的曲軸油封結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].橡膠工業(yè),2021,68(2):91-97.

[2] 尚星宇,鄭國世,李玉松,等.雙支點柔性截面結(jié)構(gòu)的發(fā)動機曲軸油封研究及應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件,2021 (1):7-8.

[3] 李杰,葉飛,卞光祥.柴油機曲軸后油封故障分析與改進[J].內(nèi)燃機與配件.2022,42(2):48-50.

[4] 劉岳文.某柴油機曲軸后油封優(yōu)化設(shè)計[J].柴油機設(shè)計與制造,2020,26(4):5-8,39.

[5] 楊培兵.2014年沃爾沃XC60變速器前油封位置漏油[J].汽車維修技師,2021(8):99-100..

[6] 蔣龍,李霞.某型發(fā)動機油封裝置的設(shè)計[J].液壓氣動與密封,2020,40(4):26-29.

Oil Leakage Analysis and Design Optimization of Crankshaft Oil Seal of an Engine

WANG Xiaodong, YAO Jianming, LIU Jinqiao

( SAIC MOTOR Commercial Vehicle Technology Center, Shanghai 200438, China )

The problem of oil leakage of crankshaft oil seal occurred in the development test of an engine. By analyzing the key influencing factors of development and application, such as structural design, test operation conditions and part quality, the root cause of seal failure is determined. This paper puts forward an optimization scheme to optimize the structure and chamfer size of the crankshaft oil seal mounting hole and improve the dust lip structure of the crankshaft oil seal. The optimized crankshaft oil seal assembly finally passed the engine bench durability test. Relevant analysis methods and solutions can provide reference for relevant engineer.

Crankshaft oil seal; Oil leak; Sealing failure; Dust lip optimization

U464

B

1671-7988(2023)10-115-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.024

王曉東（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為發(fā)動機密封及附件系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，E-mail:wkingwxd666 @163.com。