發動機密封圈失效分析及解決

黃顯淞，雷 莉，韋玉昆

在汽車使用過程中，常常會遇到因密封失效而造成的漏液問題，嚴重時會導致制動失效、轉向卡死、燃油泄漏等重大安全問題。因此，密封性能是評價汽車質量的一個重要指標。而汽車發動機作為汽車的核心部件，保證其可靠地運行是每一個發動機設計工程師一直努力奮斗的目標。本文以O型密封圈為例并結合發動機開發設計過程中針對其失效原因進行詳細具體分析。

1 O型密封圈的密封原理

O型橡膠密封圈簡稱O型密封圈，是一種截面形狀為圓形的自動雙向作用密封元件，具有良好的密封性能。O型密封圈是一種擠壓型密封，基本工作原理是依靠密封件發生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質的內壓，則不會發生泄漏，反之則發生泄漏[1]。安裝時，O形密封圈在徑向或軸向的初始壓縮量，決定了O形密封圈的初始密封能力，如圖1所示。

圖1 密封圈不受力的密封狀態

系統壓力作用于O形密封圈所產生的力，就是其總的密封力，該密封力隨著系統壓力的升高而增大。在壓力作用下，O形圈的形狀和具有高表面張力的液體相仿。壓力朝各個方向等值傳遞，如圖2所示。

圖2 密封圈受力的密封狀態

2 失效原因分析

密封圈常見的失效形式為老化、磨損、劃傷、變形和開裂。引起失效的原因大致可歸納為以下幾個方面：

2.1 材料的選擇

材料的選擇對O型密封圈密封性能和使用壽命有著重要意義。要求材料既要能抵抗介質的侵蝕（包括腐蝕、溶脹等）、有很好的耐老化性、耐溫性，也要有良好的機械性能（包括擴張強度、伸長率和抗撕裂強度等），尤其是良好的耐磨性能，同時也要有良好的彈性、適當的硬度和永久壓縮變形[2]。

某型號發動機的正時鏈條蓋集成了機油泵和水泵渦室，與缸體接觸密封需要同時密封機油和冷卻液兩種不同的介質。在密封圈型號開發過程中供應商理解產品要求有誤，本來應該選擇氫化丁腈橡膠（HNBR）的材料，誤用成了丁腈橡膠（NBR）。在做產品的過程中需要測試機油泵的性能，丁腈橡膠（NBR）接觸到機油后發生體積膨脹，無法再裝配到O型圈槽中，不滿足使用要求。

丁腈橡膠（NBR）耐油性差，容易滲透體積膨脹，所以在實際使用中需要綜合考慮周邊的使用環境，避免發生類似的案例。

2.2 密封參數的設計計算

2.2.1 壓縮率的設定

使用范圍：8%~30%

式中，E（%）為壓縮率；σ（mm）為壓縮余量 =W-H；W（mm）為 O形圈截徑；H（mm）為圈槽深度。

圖3 密封圈壓縮率計算參數示意圖

2.2.2 充填率的設定

使用范圍：max 90%、中間值75%（設計目標值）

式中，n（%）為充填率，G（mm）為溝槽寬，W（mm）為O形圈截徑，H（mm）為溝槽深度。

圖4 密封圈填充率計算參數示意圖

某增壓發動機在完成637h臺架耐久試驗后，經拆解機油冷卻器轉接頭，發現該處O型圈接觸面出現表面破損，膠體融化的失效情況。經測量分析該O型圈截徑為8.5 mm，如圖5所示。圈槽深度為6 mm，如圖6所示。圈槽截面積為24.03 mm2，經計算該O型圈填充率達到96.34%，壓縮率達到29.4%，該O型圈尺寸設計的填充率和壓縮率偏大，致使裝配后產生較大接觸應力，產品最終因過度擠壓而在使用過程中出現了溶膠現象。

圖5 優化前的密封圈截面尺寸

圖6 密封圈安裝槽截面尺寸

基于以上分析重新設計O型圈結構和尺寸，如圖7所示。變更后壓縮率為23%，填充率為81.3%，重新搭載發動機臺架驗證再無泄露和膠體融化問題。上述經驗說明，產品尺寸設計是否合理，必須經過充分的計算與驗證。

圖7 優化后的密封圈截面尺寸

2.3 正確的安裝條件

密封件表面有飛邊、毛刺、裂紋、切邊或幾何尺寸及精度不符合標準要求等情況都會影響密封效果。某發動機在項目造機過程中出現機油尺導管插入力大情況，檢查O型圈出現分層現象，如圖8所示。

圖8 安裝出現切削現象的密封圈

經過魚骨圖分析，如圖9所示。該機油尺導管為安裝在缸體上，缸體孔為機加孔其邊沿存在棱角邊，機油尺導管在插入孔內過程中O型圈與棱角邊接觸，導致O型圈被切削。優化該安裝孔設計，將此處棱角改成圓弧過渡即可消除該問題，如圖10所示。

圖9 魚骨圖分析

圖10 優化后的安裝孔

2.4 使用不當

環境溫度是影響O型圈使用的重要因素。使用過程中可能會出現超溫現象，超溫將導致密封件老化和使用壽命降低。

某型號增壓發動機小批量試產后，在發動機耐久試驗臺上進行試驗，完成試驗拆機發現某部位O型圈發生熱老化變形，失去橡膠的彈性，導致密封失效。經調查該密封圈為從其他型號發動機上直接借用而來，材料為聚丙烯酸酯橡膠，經試驗確認該密封部位在工作中的溫度已接近材料本身可以承受的最高溫度。在與密封件生產商協商后將其材料由聚丙烯酸酯橡膠（ACM，具有極佳的耐臭氧性，耐風化性和耐熱空氣性能；聚丙烯酸酯橡膠工作溫度范圍是-20℃~+150℃）改成氟橡膠（FKM，具有阻燃性，極低的透氣性以及極佳的耐臭氧性，耐油性和耐老化性。氟橡膠的工作溫度范圍為-20℃~+200℃）之后，其耐高溫性能得到改善，后期臺架試驗中均能保持良好的密封性能。該案例說明在借用產品之前，除了確認結構尺寸外，還必須考慮材料性能是否符合其工作環境要求，以免使用不當造成密封失效后果。

3 結束語

綜上所述，橡膠密封件應用廣泛，其失效形式和原因是多樣性的。要改善其使用性能，須從多方面著手。

[1]喬東平.橡膠密封膜的失效分析[J].材料開發與應用，2001，10，16（5）：20-22.

[2]張洪雁，曹壽德，王景鷂.高性能橡膠密封材料[M].北京：化學工業出版社，2007，7.