低摩擦軸向唇形油封的開發

M.INOUE Y.KASAI F.XU K.HAMAMOTO

減小曲軸油封的摩擦力矩可以提高輕型車輛發動機的燃油效率。輕型車輛發動機的曲軸一般采用彈簧徑向氟橡膠唇

形油封，但是公交車和卡車發動機的曲軸廣泛采用軸向硅橡膠唇形油封。軸向機油油封的主唇負荷小、力矩小、可靠性高。在曲軸轉動時，軸向唇形油封可持久地保證油封唇和拋油環之間不受污染，因此使用壽命長。將軸向唇形油封應用于輕型車輛發動機，可以實現發動機的低摩擦和高可靠性。在曲軸高速轉動時，傳統軸向油封的拋油環會有輕微的機油泄漏。為解決該問題，開發了能防止機油泄漏的新型拋油環。實際觀察了機油泄漏情況并評估了油封唇對拋油環的跟隨性。評估證實，在曲軸高速轉動時，油封唇和拋油環之間的間隙相對較小。新開發的軸向唇形油封的摩擦力矩比傳統的徑向唇形油封小60%。該開發適用于輕型車輛發動機的軸向唇形油封，并具有低摩擦和高可靠性的特點。

摩擦力矩;效率;軸向唇形油封;泄漏;可靠性

0?前言

降低發動機部件的摩擦損失以提高車輛的燃油經濟性，是發動機未來發展的主要趨勢之一。發動機后端的曲軸油封可以最大程度降低輕型車輛摩擦損失。如果發動機后端的曲軸油封泄漏機油，會導致發動機部件潤滑不足或離合器打滑，造成致命的事故。NOK公司開發了1種能降低摩擦力矩的油封，同時該油封的可靠性更高，使用壽命更長[1]。

1?軸向唇形油封的開發設計

圖1為傳統型油封和新開發油封的結構對比示意圖[2]。新開發油封的唇形材料改為氟橡膠，以提高油封的耐熱性和耐久性。油封的防塵部分包括防塵唇和非接觸型中間唇。采用非接觸型中間唇取代了原先的纖維織物，從而降低了摩擦。中間唇的突出部分可以提高其在灰塵條件下的耐久性。這種結構已廣泛應用于傳統型的徑向橡膠唇型油封[3]。油封主唇的空氣側設計有加強筋，可提高油封的穩定性，在曲軸轉動時可增強其防止機油泄漏的能力。

如圖2所示，傳統的拋油環有4個螺旋槽[2]，以提高密封唇滑動區域的泵吸效應。新開發的拋油環有一系列凹槽，與傳統拋油環相比，表面上幾乎沒有平面區域。凹槽非常淺且足夠窄，可以防止密封唇和凹槽之間發生靜態泄漏。凹槽數量的增加，提高了泵吸效應，從而提高了密封性能。

2?密封性能

在試驗過程中，對開發的油封和標準的徑向油封的摩擦力矩分別進行了測量，兩者曲軸直徑相同，測量條件如表1所示[2]，測量結果如圖3所示[2]。在各種轉速條件下，新開發的油封的摩擦力矩低于傳統的徑向油封，相對傳統徑向油封摩擦力矩下降約60%。即使在8 000 r/min的轉速下，新型油封的密封性能也不存在問題。

試驗驗證了傳統拋油環和新型拋油環在由曲軸高速旋轉時的密封性能，試驗條件及結果分別如表2與表3所示。同時，對傳統拋油環進行了試驗。在過盈量為1.7 mm和2.5 mm條件下，可以觀察到主唇的空氣側有輕微的機油液滴泄漏。而在新型拋油環的試驗過程中，在任何過盈量條件下都沒有發生機油液滴泄漏。

3?對飛濺泄漏原因的研究

試驗采用由水晶玻璃制成的拋油環，直接觀察油封的主唇，以確定在8 000 r/min轉速下發生輕微泄漏的原因。觀察儀器和結果如圖4所示[2]。機油液滴從滑動區域飛濺到主唇的空氣側，從而發生泄漏。在密封性能試驗驗證后，觀察到了泄漏。機油液滴從滑動區域飛濺到主唇的空氣側，順著軸旋轉的方向，沿著密封唇表面向空氣側流動。研究表明，位于主唇空氣側的筋聚集流動的液滴后，將其返回滑動區域。在機油到達滑動表面后，在泵吸效應作用下返回到油側。在設計主唇空氣側的筋時，要防止其與拋油環接觸，以免增加摩擦。

研究進一步測量了主唇對拋油環表面的跟隨性。測量儀器如圖5所示[2]。當軸旋轉的時候，利用部分切割的油封來測量主唇的位移。測量條件如表4所示[2]。測量在室溫下進行，所用的機油在室溫條件下其動黏度等于牌號0W-20機油在120 ℃時的動黏度。圖6以案例的形式給出了開發的拋油環的唇位移測量結果。當轉速為6 000 r/min時，位移波與轉速為10 r/min時的位移波走向相同。以轉速為10 r/min時的位移為基準，將間隙定義為每一曲軸轉速下位移的增量。圖7對比了新開發的拋油環與傳統拋油環的試驗結果，兩者間隙都隨著曲軸轉速的提高而增大，隨著唇過盈量的增大而減小。在不同的曲軸轉速條件下，傳統拋油環的間隙都大于開發的拋油環的間隙。研究結果表明，間隙增大會導致滑動表面發生噴濺泄漏。

為了確定引起間隙差異的原因，進行了數值分析。分析條件如表5所示，模型和分析結果如圖8所示。通過傳統的凹槽拋油環模型確定高壓區域。壓力增大，在凹槽后的平面區域上保持高壓狀態。采用固定間隙模型進行分析，高壓使主唇位置上升，間隙增大。新開發的拋油環沒有高壓區域，與傳統拋油環相比，持續保持低壓狀態。通過數值分析可知，由于新開發的拋油環沒有平面區域，所以沒有生成高壓區域。與傳統拋油環相比，新開發的拋油環間隙較小。

4?結論

試驗開發了1種輕型車輛汽油機所用的軸向唇形油封。新開發的軸向唇形油封的摩擦力矩比傳統的徑向唇形油封小約60%。當曲軸在高速旋轉時，油封的密封性能可以滿足汽油機的要求。通過直接觀察曲軸在高速旋轉時發生的噴濺泄漏，驗證了主唇表面空氣側的筋會使密封唇的穩定性更強。當曲軸旋轉時，測量了表征主唇跟隨性的間隙的大小。對比結果顯示，該間隙是引起噴濺泄漏的原因之一。數值分析結果顯示，采用系列凹槽提高了油封密封性能。

[1]OKAMURA H， TAKAHASHI M， YUKIMASA T. Development of axial lip type oil seal for engine crankshaft[J]. Society of Automotive Engineers of Japan，1990，44（9）：84-90.

[2]KASAI Y， YONAI H， XU F， et al. Development of low friction axial face seals[C]. JAST Tribology Conference，2018.

[3]MIZUTA H. Recent trends in friction reduction technologies on rotary shaft seals for automobile[J]. Japanese Society of Tribologists，2017，62（4）：273-278.