某發動機油底殼放油螺栓處漏油原因及概率分析

吳江

(廣汽三菱汽車有限公司，湖南 長沙 410000)

發動機作為汽車的核心模塊，其相關品質是客戶抱怨的重要因素，而機油泄漏是發動機較常見的不良現象，不僅會造成環境污染和不必要的油料浪費，嚴重時還可能影響發動機的正常工作甚至導致駕駛安全風險。該現象在發動機開發試驗和下線檢測時屬于需重點關注和解決的問題。

目前對發動機漏油的研究主要集中于潛在漏油原因分析、為防止漏油而采取的措施及在使用和維護過程中需注意的事項等方面，在特定條件下已發生發動機漏油時，針對其漏油概率的預測和漏油導致的風險評估的研究較少。本文針對某發動機下線檢測時發生油底殼放油螺栓處漏油問題，在排除緊固扭矩設置方面的因素后，通過分析極限尺寸和裝配偏差條件下密封情況來分析是否存在漏油的可能性，并基于試做零件樣本各尺寸分布情況，在參考其他研究領域概率預測方法的基礎上，按照正態分布規律預估漏油發生概率，并評估最惡劣情況下放油螺栓處漏油對車輛的影響。

1 問題描述

油底殼總成是發動機潤滑系統的重要組成部分，它位于發動機曲軸箱下半部，又稱為下曲軸箱，其作用是封閉曲軸箱作為貯油槽的外殼，防止雜質進入，并收集和儲存由發動機各摩擦表面流回的潤滑油。它除需滿足潤滑系統工作時最大循環油量，保證機油正常散熱的要求外，還需滿足油底殼法蘭面與缸體曲軸箱之間的密封要求，不允許漏油。放油螺栓安裝在油底殼底部，用于堵塞油孔。更換機油時需擰下放油螺栓組件，將舊機油排出。放油螺栓組件由銅墊片和放油螺栓組成，在車輛正常使用保養期間需反復旋轉拆裝，保證其密封性。

某車輛在開發階段試做下線檢查時發現發動機油底殼放油螺栓有油漬，擦拭干凈后仍有油漬溢出，確定放油螺栓處存在持續的漏油現象。在隨后的點檢過程中確認到以下情況：1)點檢擰緊力矩正常，拆解后發現放油螺栓墊片未在中心孔處，墊片壓痕處于偏移狀態。2)查詢生產過程管理系統數據，無異常；查詢返修記錄臺賬，發現該發動機之前進行過拆卸油底殼返修，返修時更換過放油螺栓墊片。3)墊片內孔直徑比螺栓螺紋外徑大，墊片套在螺栓上，由于重力形成間隙(見圖1)。

圖1 油底殼放油螺栓處漏油現場確認情況

2 研究方法

該發動機油底殼放油螺栓裝配關系見圖2，涉及的部件包括油底殼、螺栓、墊片和螺母，涉及的密封面有密封面A(放油螺栓-墊片)和密封面B(墊片-油底殼)，機油存在從這兩處泄漏的可能。

圖2 油底殼放油螺栓裝配示意圖

先通過對比螺栓緊固扭矩產生的軸向面壓范圍、墊片材料許可的面壓值和密封所需最小面壓，排除螺栓扭矩設置不合理導致的問題。因為該發動機拆解時放油螺栓墊片出現明顯偏置現象，需考慮墊片偏置是否會導致不良情況發生。通過調查確認，該批次螺栓因為加工原因，放油螺栓螺紋根部不完全螺紋處存在與原始設計意圖不符的R1倒角(見圖3)，該處徑向直徑相對螺紋外徑尺寸較小，考慮零件尺寸公差和個體裝配的差異，裝配后墊片存在與油底殼油孔不完全同心甚至完全偏向某一側的現象，極端條件下可能無法完全密封，導致發動機機油泄漏。

圖3 油底殼放油螺栓示意圖

3 漏油可能性分析

分別從密封面A和密封面B極限條件下的密封情況進行分析，考慮放油螺栓、墊片、油底殼上油孔尺寸公差和螺栓頭部中心相對于油孔中心的偏心距等影響因素。

3.1 密封面A分析

圖4為裝配狀態下墊片和螺栓桿部俯視截面的相互關系示意圖。墊圈按圖4所示極限尺寸偏心狀態進行安裝，用體現螺栓外圈與墊圈內圈相對位置的參數l2來定義，若墊圈內圈不偏出螺栓外圈范圍，即l2>0[見圖4(b)]，螺栓外徑和墊片內徑之間沒有間隙區域，為有效密封，該條件下密封面A不會發生泄漏；若l2<0[見圖4(c)]，此時陰影區域為螺栓外徑和墊片內徑之間的間隙，密封面A在該處沒法實現有效密封，會發生機油泄漏。計算中將密封墊圈變形增加量抵消油孔、墊片邊緣倒角的影響，以簡化概率計算。

圖4 密封面A偏心極限位置示意圖

如圖4所示，密封面A處漏油極限條件可定義為：墊圈內徑取公差范圍內最大值，螺栓法蘭外徑取公差內最小值，螺栓中心位置靠最左位置進行安裝。下面基于表1所示密封面A關聯尺寸，參照圖4所示各尺寸位置關系計算l2：1)按式(1)計算極限條件下墊片中心相對于螺栓螺柱中心的偏心距l0。2)考慮螺栓法蘭中心和螺栓螺柱中心的最大偏心距l3，按式(2)計算極限條件下墊片中心相對于螺栓法蘭中心的偏心距l1。3)按式(3)計算l2min。

表1 密封面A的關聯尺寸 mm

(1)

l1max=l0max+l3max

(2)

(3)

根據上述計算結果，極限情況下l2min大于零，此時任何條件下密封面A都不會出現因尺寸和裝配的原因導致的泄漏現象[見圖4(b)]。

3.2 密封面B分析

參照圖5所示密封面B偏心極限位置，密封面B處漏油極限條件可定義為：墊圈外徑取公差范圍內最小值，油孔內徑取公差內最大值，墊片中心位置靠最左位置進行安裝。下面基于表2所示密封面B關聯尺寸，參考密封面A分析思路，計算墊片外圈距油孔內圈的距離l5：1)計算墊圈中心相對于油孔中心的偏心距l0，它等于墊圈中心相對于螺栓螺柱中心的偏心距l0A加螺栓相對于油孔的偏心距l4，計算公式見式(4)、式(5)。2)按式(6)計算體現墊圈外圈與油孔內孔相對位置的參數l5min的值。

圖5 密封面B偏心極限位置示意圖

表2 密封面B的關聯尺寸 mm

(4)

(5)

(6)

根據上述計算結果，螺栓尺寸和裝配位置處于極限情況時l5min小于零，密封面B陰影區域存在泄漏風險[見圖5(b)]。

4 漏油概率簡易預測

下面針對密封面各關聯尺寸的偏差分布來預測其發生漏油的概率。針對密封面B處極限條件下可能存在的漏油現象，整理其關聯參數的尺寸統計平均值和標準差信息，各參數實際尺寸分布遵循正態分布規律(見表3)。

表3 密封面B關聯尺寸分布統計

因為正態分布函數四則運算后仍服從正態分布，根據式(6)，l5min也服從正態分布。考慮到試做階段墊圈外徑和內徑、螺栓直徑數據樣本較少，為簡化計算，直接采用上述三項參數的極限值進行計算，其余2項變量則按照正態分布概率進行分析(該簡化計算結果會高于實際值，也就是說實際故障情況會比預測結果更低)，得出l5符合以下正態分布：

(8.166-l5)～N(7.959 3，0.074 32)

(7)

l5<0時，放油螺栓處存在漏油的可能，其分布規律可參考圖6所示正態分布曲線。根據正態分布規律計算得密封面泄漏(l5<0的區域)概率為0.002 699，即0.269 9%。考慮到上述簡化計算因素(螺栓直徑和墊圈內外徑均按最惡劣的極限條件代入計算公式)，實際故障發生概率會低于計算值。

圖6 正態分布曲線示意圖(單位：mm)

綜上，考慮尺寸和裝配偏差后，放油螺栓處的泄漏概率最大不超過0.269 9%。

5 漏油影響分析及對應

實際生產時在油底殼總成下線檢測時會進行全數氣密性檢測，確保量產生產線故障件被檢出而不會流入市場，只有在油底殼放油螺栓拆卸重裝后才存在流出的可能，該問題車輛有返修記錄也印證了這一推測。發動機機油泄漏僅在放油螺栓、墊片及油底殼油孔尺寸公差和安裝偏差累計后導致目標計算值(上文中的l2或l5)小于零時才可能發生，且發生概率低于0.269 9%。油底殼總成供應商所做下線氣密性檢測中問題率在1/10 000以下也能證明前述分析的有效性。

下面針對返修流出的極少數潛在問題車輛，評估最惡劣條件下放油螺栓處漏油對發動機、車輛的影響。根據上述分析，當螺栓尺寸、匹配的墊圈尺寸和關聯裝配體裝配公差都偏上下限值時存在漏油的可能，其理論泄漏概率低于0.269 9%。機油持續泄漏，當缸體主油道油壓低于設定壓力閾值時，發動機油壓開關會報警，機油壓力燈點亮。機油壓力燈點亮時，剩余油量會保證一定的安全余量，該安全余量能保證有足夠的時間處置車輛，也能保證極端條件下萬一發生不良情況時的安全，對試驗階段車輛的影響可控。漏油發生后，對試驗車輛每天停機點檢時對油底殼放油螺栓處進行有無機油泄漏確認，若發現持續的滲油現象，可在擦拭后拆下放油螺栓重新安裝，安裝時盡量讓墊片和螺栓中心位置保持對中，確保墊片不會完全偏置到任意一側，這樣能極大地避免漏油的再次發生。

目前對存在問題的放油螺栓已進行整改，通過變更放油螺栓螺紋根部倒角位置(見圖3)的結構和尺寸公差，從尺寸鏈確保l2和l5的極限尺寸均大于零，確保即使在極端尺寸和裝配偏差條件下仍能有效密封。試做下線檢測時未出現漏油現象，上市后也無這類問題發生。

6 結論

針對某發動機油底殼放油螺栓處漏油問題，基于極限尺寸和裝配條件下密封情況評估其風險，結果表明：

(1)原有放油螺栓試樣在極限尺寸和裝配條件下存在漏油風險，其發生概率不超過0.269 9%，且僅可能出現于量產線之外的拆裝操作之后，與油底殼總成供應商的氣密性檢測結果和問題車輛返修履歷相符。

(2)改善后試樣無漏油現象發生，順利進入量產。量產試樣無關聯市場問題發生，整改對策有效。