發動機風扇托架油封漏油的研究分析

孫寶源，田君茹

（中國重汽集團濟南動力有限公司，濟南 250220）

發動機風扇托架油封漏油的研究分析

孫寶源，田君茹

（中國重汽集團濟南動力有限公司，濟南 250220）

整車在試驗和售后過程出現發動機風扇托架油封密封件滲漏和磨損現象。經過研究和分析發現：與油封配合的輪轂軸粗糙度、螺旋線不合理，倒角過大等原因導致油封唇口異常磨損而失去密封作用，最終導致機油滲漏。本文通過對油封工作原理、油封對配合軸的表面要求、零部件技術參數、故障數據測量統計等深入的分析和研究，并提出合理建議和改進措施。

故障背景；工作原理；技術要求

1 故障背景和描述

售后和零公里整車裝配的某型號發動機，出現風扇托架油封磨損漏油故障，不僅影響整車質量和合格率，增加售后維修和服務成本，給用戶造成經濟損失后，還會嚴重損壞企業品牌形象。主要故障形式如圖1。

油封采用的是具有極佳的抗磨擦性、化學穩定性的聚四氟乙烯材料，與之配合的輪轂軸是數控車削加工的HT250鑄鐵材料。

圖1 油封磨損失效

圖2 油封工作示意圖

2 工作原理及技術要求介紹

2.1 唇口式油封工作原理

自由狀態下，油封唇口內徑比軸徑小，具有一定的過盈量；安裝后，油封唇口的過盈壓力和自緊彈力對旋轉軸產生一定的徑向壓力；工作時，油封唇口在徑向壓力的作用下，形成一定寬度的密封接觸環帶。在潤滑油壓力的作用下，油液滲入油封唇口與轉軸之間形成極薄的一層油膜。油膜受油液表面張力的作用，在轉軸和油封唇口外沿形成一個“新月”面防止油液外溢，起到密封作用，在旋轉過程中，通過油封唇口的反向螺旋線溝槽將潤滑油“拉”回油腔防止外溢。

2.2 油封本身特點

所采用的是PTFE材料唇片油封，其主要特點有：（1）油封具有極佳的化學穩定性和溫度適應性。（2）摩擦系數介于0.02-0.04之間，并具有較強的自潤滑功能，油膜狀態下其滑動摩擦系數更低。

（3）允許軸的運轉偏心量較大，最大可允許軸頸0.4mm的徑向跳動量。

（4）PTFE油封唇口在加工時被拉成喇叭狀，由于PTFE經拉制后具有記憶收縮能力，在工作中產生的摩擦熱使唇口會不斷收縮，所以不需要彈簧的幫助，它會緊緊抱在軸上，不讓它與軸表面有間隙存在，又能補償磨損。

2.3 油封密封件對工作軸的一些要求

油封密封件的配合軸加工表面要求有兩種類型，一種是不允許加工軸表面有切削刀痕旋線等，另一種則是要求加工軸表面要有一定節距和深度要求的螺旋狀切痕，在軸某一轉向下起到對潤滑油的往回導流密封作用。以上兩種軸的要求，在國內幾乎都是第一種類型的設計，而國外還有第二種類型的設計和應用。

對于第二種設計螺旋輸送作用的軸，以三角形截面切痕為例，當切痕法距，軸距B，螺旋角β，軸頸為D時，其泵油量可用下式計算：

粗糙度和加工方法有關粗糙度過大，易引起磨損、發熱、唇口膠料粘附手軸表面，唇口表面切向變形生成的彈性皺紋結構受到破壞并導致泄漏。試驗還發現，軸面粗糙度過小會使密封間隙油膜厚度降低，當小于臨界密封油膜厚度時，油封唇口磨損和發熱也會變大，并使密封能力下降。

軸的材料為鑄鐵時，切削加工會破壞石墨的“包室 ”，析出游離狀石墨后變成開口孔穴，這種孔穴的存在一方面造成唇口壓力的漏失和彈性皺紋連續性的破壞，一方面由于爬行和擺動對唇 口材料表層進行切割，經驗證明，當孔穴直徑大于0.1mm時就會發生潤滑油的泄漏。經過以上分析可以看出，唇口式油封在進行潤滑油密封時對配合軸的要求主要有三方面：

（1）有螺旋線要求的軸必須嚴格控制螺旋線的加工質量，并嚴格保證螺旋線的旋向，否則會適得其反產生泵油而泄漏，質量控制不好還會造成對唇口的異常磨損，縮短油封的壽命。

（2）油封配合軸的表面粗糙度要嚴格控制，過大過小都會對油封唇口造成異常磨損，縮短油封的壽命。

（3）鑄鐵材料的軸在進行機械加工時要嚴格謹慎，防止破壞其組織結構出現孔穴缺陷而產生漏油。

3 風扇托架漏油故障分析

3.1 技術要求及實際測量情況

通過油封密封件的工作原理和對零部件的技術要求，對漏油件進行了一些數據測量和分析，具體如下：

（1）風扇托架油封是按照國家標準制造的PTFE材料，與曲軸前后油封、油泵殼體油封等一樣，統一材料配方、成型技術、加工方式制造。

（2）輪轂軸技術要求和測量分析

1）輪轂軸與油封的尺寸鏈計算分析

針對輪轂倒角大小對油封的影響，計算輪轂與油封唇口配合的尺寸鏈：

·計算風扇殼體裝油封孔深度H1；

H1max=158.5-16.9-127.1=14.5mm

H1min=157.5-17.1-127.3=13.1mm

圖3

·計算風扇輪轂軸頭倒角高度H2；

H2max=[（55-51.7）/2]/tan19o=4.8mm

H2min=[（54.81-52.3）/2]/tan21o=3.27mm

圖4

·由于油封唇口高度圖紙無要求，通過目測及實際測量可以看出油封唇口在受力配合情況下高度大于等于油封外圓高度，用萬功顯光學投影測得油封裝在輪轂上后唇口高度H3=9.1983-9.4776；取小數點后兩位如下：

H3max=9.48mm；H3min=9.20mm

·計算油封壓入后，唇口離殼體底平面高度H5=H1-H3

H5max=14.5-9.20=5.3mm

H5min=13.1-9.48=3.62mm

·風扇托架軸向間隙為X=0.2-0.55mm，加上后可計算出風扇輪轂軸頭倒角離風扇托架殼體孔底平面距離H6；

H6max=H2max+X=4.8+0.55=5.35mm

H6min=H2min+X=3.27+0.2=3.47mm

·由此可以得出風扇輪轂端面在與殼體底面接觸時，既軸向間隙為零時倒角離底平面最近，在軸向間隙為最大時離底平面最遠；

Hmin=H2min=3.27mm；

Hmax=H6max=5.35mm

·油封唇口與輪轂倒角在風扇殼體中的位置如圖所示：從圖上可以看出油封唇口位置理論計算值有一部分與倒角重合，既最大重合5.35-3.62=1.73mm。

經過以上分析和尺寸鏈計算可以看出，風扇輪轂倒角過大，在裝配后油封唇口有部分包在倒角上，配合不當。

圖5

2）輪轂軸表面加工質量測量和分析。

對10個出現漏油的故障件進行粗糙度測量并作圖如下，粗糙度均超差。根據油封密封件對軸的技術要求理論分析可以確定，粗糙度差是導致故障件油封異常磨損和漏油的重要原因。

圖6

用顯微鏡觀察1個進口輪轂和1個國產輪轂螺旋線并對比，發現國產輪轂加工有橫向斷層，加工質量差。根據油封密封件對軸的技術要求理論分析可以確定，螺旋線加工質量差也是導致漏油的原因之一。由于國內油封密封設計原理中幾乎沒有要求軸帶螺旋線的，對于這種國外帶回油螺旋線設計的技術尚不是很了解，因此加工技術和質量得不到保證，反而會是造成故障的關鍵所在。

圖7

3）試驗驗證分析結論。

為驗證輪轂軸粗糙度對油封密封件的磨損，我們用國產輪轂1個和進口輪轂1個分別對油封進行了100小時密封試驗（2個油封唇片為同一磨具生產，粗糙度和螺旋線質量進口件明顯優于國產件），試驗完成后計算油封厚度磨損量，結果顯示進口輪轂試驗的油封磨損量最小為0.003mm，國產輪轂為0.039mm；由此可見輪轂質量是影響油封磨損漏油的重要因素。

3.2 相似件對比和分析

同樣有螺旋線要求且使用唇口式油封密封的還有曲軸前后齒輪軸油封。

曲軸前后齒輪實測結果

表1 相似件粗糙度數據

通過實測情況和技術要求可以看出，曲軸前后齒輪軸粗糙度質量要明顯優于輪轂軸，這也足以證明為何輪轂軸油封磨損漏油而曲軸前后齒輪油封無磨損漏油故障。

分析結論如下：

（1）輪轂倒角過大與油封配合不當，導致油封唇口部分落在倒角位置。

（2）輪轂軸加工質量差，粗糙度、螺旋線節距超差造成油封唇口異常磨損漏油。

4 建議及改進

為避免出現類似的問題，可從以下幾方面來采取預防對策：

4.1 輪轂改進

（1）對輪轂倒角過大問題，建議重新對圖紙設計進行修改，控制倒角大小，保證油封與輪轂軸的配合。

（2）加強對輪轂軸粗糙度、螺旋線等的質量控制，嚴格按照粗糙度要求Rmax12控制的同時，建議增加Ra的要求。對比曲軸前后齒輪軸粗糙度Rmax6.3，可以提高輪轂軸粗糙度的技術要求。

（3）鑒于國內目前技術現狀，帶螺旋線要求的軸加工和質量保證尚不成熟，建議取消圖紙對螺旋線的要求，按照國內目前主流產品技術要求來控制軸的質量狀態，保證粗糙度和材料等的質量要求。

4.2 油封改進

保證油封唇片材料PTFE滿足JB/T 8873-1999的前提下，對油封螺旋線和結構進行優化，防止出現結構不合理而產生應力集中、加速油封的磨損。

4.3 裝配過程改進

由于目前所用的PTFE材料唇片油封拉制后具有記憶收縮能力，在工作中產生的摩擦熱使唇口會不斷收縮，所以不需要彈簧的幫助，它會緊緊抱在軸上，不讓它與軸表面有間隙存在，又能補償磨損，并且對徑向跳動適應范圍大，能達到0.4mm而不泄漏。

即使有以上優點，建議在裝配時也要加強對壓裝質量的控制，最好選用具有一定導向和保護功能的工裝進行操作。