變速器輸入軸油封漏油機理及改進研究

潘江鋒

關(guān)鍵詞：汽車；變速器；油封；漏油；分析及改進

中圖分類號：U463.21 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，隨著汽車行業(yè)高速發(fā)展，消費者對汽車品質(zhì)的要求也隨之逐步提高，變速器作為車輛傳動系統(tǒng)中的重要零部件之一，關(guān)系到車輛整體品質(zhì)的表現(xiàn)。而變速器油封漏油問題是變速器常見的失效模式之一，油封漏油會使變速器殼體內(nèi)潤滑油減少，導致齒輪及軸承潤滑不良，易造成異響或異常磨損，甚至變速器損壞等問題。其已成為影響整車品質(zhì)的一個重點問題，因此，在變速器前期開發(fā)中如何避免油封漏油問題至關(guān)重要。

1 某汽車變速器輸入軸油封漏油現(xiàn)狀

1.1 某變速器結(jié)構(gòu)及油封工作原理

某汽車變速器為前置前驅(qū)結(jié)構(gòu)（圖1），主要由殼體部分、離合分離系統(tǒng)、換擋操縱機構(gòu)、齒軸、集成主減速器、同步器系統(tǒng)以及油封等部件組成[1]。車輛起動后，由發(fā)動機輸入動力，經(jīng)過變速器的輸入軸，各擋位齒輪及主減速器將動力傳遞給驅(qū)動軸，由驅(qū)動軸帶動車輛，以此來驅(qū)動車輛進行前進、后退等操作。其中，擋位齒輪及軸承的轉(zhuǎn)動工作中需要潤滑油進行潤滑，而輸入軸油封及差速器油封則是起到對潤滑油的封油作用，保證殼體內(nèi)的潤滑油不泄漏。

油封是封油的機械元件，變速器油封一般是指骨架油封，包含了金屬骨架、油封彈簧等部件（圖2a）。其主唇與旋轉(zhuǎn)軸之間存在一條線狀接觸帶，此接觸帶會形成一層非常薄的油膜，油膜既能將主唇與旋轉(zhuǎn)軸之間因相對運動產(chǎn)生的摩擦熱帶走，又能阻止?jié)櫥偷牧鞒鲂纬擅芊猓湍さ拇嬖谑怯头饷芊獾某浞直匾獥l件[2]。在液體表面張力的作用下，油膜的剛度恰好使油膜與空氣接觸端形成一個新月面，防止了工作介質(zhì)的泄漏，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的密封（圖2b）。油封的密封能力，取決于密封面油膜的厚度，厚度過大，油封泄漏；油膜過小，可能發(fā)生干摩擦，引起油封和軸的磨損；密封唇與軸之間沒有油膜，則易引起油封發(fā)熱、磨損，導致漏油[3]。

1.2 某汽車變速器輸入軸油封漏油問題描述

一款變速器的開發(fā)需要經(jīng)歷產(chǎn)品策劃與定義、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品驗證和投產(chǎn)準備等階段。其中，產(chǎn)品驗證是驗證前期產(chǎn)品設計開發(fā)各項性能指標是否滿足要求的重要節(jié)點，也是主要發(fā)現(xiàn)問題的主要階段。

本文闡述的某變速器輸入軸油封漏油是在產(chǎn)品驗證階段的整車可靠性試驗中發(fā)現(xiàn)。車輛試驗后有類似離合器摩擦片燒焦味道的情況，且車輛停車后，在地上有明顯油跡。檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機與變速器連接處有漏油痕跡（圖3a），拆下變速器觀察到變速器前殼體內(nèi)有燒焦情況，且腔體內(nèi)有大量油跡（圖3b）。油跡從變速器輸入軸端流出，為變速器輸入軸油封漏油導致，其中失效里程為497 km。

2 某汽車變速器輸入軸油封漏油機理及分析

2.1 輸入軸油封漏油分析

2.1.1 宏觀分析

（1）變速器輸入軸油封失效為497 km，為短里程失效。對變速器清洗后，變速器前殼體無開裂等異常現(xiàn)象，排除是殼體開裂等原因引起的漏油問題。

（2）檢測發(fā)現(xiàn)漏油產(chǎn)生于變速器輸入軸油封和軸配合處（圖4a），漏油處的油封唇口存在由內(nèi)向外翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，翻轉(zhuǎn)處的油封唇口和防塵唇口均存在嚴重變形情況（圖4b）。

2.1.2 顯微鏡分析

經(jīng)過對故障油封唇口清洗后，使用顯微鏡對其唇口進行分析，以確認其失效的機理。分析結(jié)果如下。

（1） 主唇局部翻轉(zhuǎn)， 翻轉(zhuǎn)處主唇、防塵唇均嚴重變形（圖5a），且翻轉(zhuǎn)處骨架彈簧有磨損痕跡（圖5b）。

（2）翻轉(zhuǎn)的油封唇口和防塵唇口唇尖均未見磨損痕跡（圖5c），未翻轉(zhuǎn)的油封唇口和防塵唇口唇尖均有磨損痕跡（圖5d）。

2.1.3 輸入軸油封漏油失效原因小結(jié)

根據(jù)上述分析可知，輸入軸油封漏油是由于輸入軸油封唇口局部翻轉(zhuǎn)，使唇口和軸的接觸異常，油從翻唇位置漏出導致。

2.2 輸入軸油封漏油機理

故障件油封唇口的位置A 處（圖6a）有明顯的變形翻轉(zhuǎn)。在變速器運轉(zhuǎn)工作過程中，齒輪油在油封唇口的A 處與高速旋轉(zhuǎn)的輸入軸間無法形成油膜，使齒輪油在變速器內(nèi)部的氣壓作用下，從A 處出現(xiàn)向外泄漏的情況（圖6b），導致了變速器漏油的故障。

2.3 輸入軸油封唇口翻轉(zhuǎn)的形成分析

結(jié)合油封翻轉(zhuǎn)失效機理以及對變速器裝配現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，油封翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生在變速器前、后殼體總成合箱工序，其失效的過程如下。

（1）變速器裝配過程中，先將齒軸、差速器及撥叉等內(nèi)部零件裝配到后殼體上，而輸入軸油封等零件則裝配到前殼體上。然后會將前殼體總成（圖7a）和后殼體總成（圖7b）進行合箱裝配，其合箱工序常用手工合箱或設備自動合箱，隨著自動化水平的提升，目前廠家較多采用設備自動合箱方式。設備自動合箱分為上工裝和下工裝。其中，上工裝夾緊前殼體總成，下工裝夾緊后殼體總成，然后前殼體總成通過驅(qū)動電機由上至下向后殼體總成移動并完成合箱工作。

（2）在合箱的過程中，前殼體總成中的油封需要穿過后殼體總成中的輸入軸花鍵位置、過渡倒角位置，并最終達到軸頸油封安裝位（圖8）。在此過程中，由于合箱設備的定位銷磨損，定位銷孔尺寸偏差，零件尺寸偏差、合軸機上/ 下工裝不同軸等因素的影響，無法有效保證油封和輸入軸的同軸度。當兩者出現(xiàn)不同軸而偏心的情況下（圖9），油封穿過輸入軸過渡倒角處時（圖10a），油封唇口極易被輸入軸過渡倒角處撞翻（圖10b），形成油封唇口翻轉(zhuǎn)故障[4]。

綜上，油封唇口翻轉(zhuǎn)是在變速器裝配前、后殼體總成合箱工序，油封與輸入軸出現(xiàn)了不同軸的情況。油封穿過輸入軸過渡倒角處時，油封唇口極易被輸入軸過渡倒角處撞翻，形成了油封唇口翻轉(zhuǎn)故障。

3 輸入軸油封漏油改進方案及措施驗證

3.1 防止油封唇口翻轉(zhuǎn)的改進方案

（1）針對油封唇口翻唇故障，以往常用的解決方法是優(yōu)化合箱工藝，降低合箱速度，涂油脂增加輸入軸與油封接觸時的摩擦力等措施，但是目前合箱的裝配工藝、工裝以及零件制造精度等環(huán)節(jié)很難完全保證油封和輸入軸在合箱過程中的同軸度，無法完全避免油封唇口穿過輸入軸過渡倒角處撞翻形成翻唇故障的情況，通過工藝優(yōu)化的方案很難完全根除。

因此，本文提出在油封唇口通過輸入軸過渡倒角前，充分利用變速器本體上輸入軸上的軸承座與前殼體上的軸承的定位導正作用（圖11），軸承先裝配結(jié)合保證油封與輸入軸的同軸度后，油封唇口再穿過輸入軸過渡倒角處（圖12），這樣利用變速器自身結(jié)構(gòu)的定位導正作用，保證輸入軸與油封的同軸度，這樣可以有效避免輸入軸過渡倒角處撞翻油封唇口的情況出現(xiàn)。

（2）針對上述的設計解決方案，具體的改進方案為縮短輸入軸油封擋長度，由19.3 mm 更改為13.7 mm，確保裝配合箱時，軸承結(jié)合3.0 mm 后，油封唇口再穿過輸入軸過渡倒角處，這時軸承已起到導向作用（圖13）。油封與輸入軸同軸度得到保證后，油封唇口才通過輸入軸的倒角位置，這樣就可以有效避免油封唇口翻邊問題。

3.2 措施驗證

通過目視檢查以及變速器沉水試驗，跟蹤改進后的100臺變速器前、后殼體的正常合箱工藝過程，未發(fā)現(xiàn)輸入軸油封有翻唇故障，在變速器沉水試驗中也沒有發(fā)現(xiàn)輸入軸油封處有泄漏情況。另外，同時選取了3 臺改進后的變速器總成進行總成耐久臺架試驗[5]，評估油封耐久性能，其試驗完成后未發(fā)現(xiàn)有輸入軸油封漏油以及油封唇口異常磨損情況。綜上，說明該利用變速器本身結(jié)構(gòu)的導正方案措施有效。

4 結(jié)束語

（1）變速器輸入軸油封唇口局部翻轉(zhuǎn)，唇口和軸的接觸異常導致了變速器的漏油故障。

（2）油封唇口翻轉(zhuǎn)是在變速器裝配前、后殼體總成合箱工序，油封與輸入軸出現(xiàn)不同軸的情況下，油封穿過輸入軸過渡倒角處時，油封唇口極易被輸入軸過渡倒角處撞翻，形成了油封唇口翻轉(zhuǎn)故障。

（3）利用變速器本體輸入軸上的軸承座與前殼體上的軸承的定位導正作用，軸承先裝配結(jié)合保證油封與輸入軸的同軸度后，油封唇口再穿過輸入軸過渡倒角處，這樣可以有效避免輸入軸過渡倒角處撞翻油封唇口的情況出現(xiàn)。

（4）隨著新能源汽車的發(fā)展，無論是傳統(tǒng)手動變速器，還是新能源的減速器或者電驅(qū)動橋，均需要油封對輸入軸進行密封，故減速器在開發(fā)過程中同樣可以采用本文案例中的軸承導正定位作用。保證輸入軸與油封同軸度后，油封唇口才穿過輸入軸倒角處，這樣可以避免在裝配過程中出現(xiàn)輸入軸倒角撞翻油封唇口導致漏油的故障，提高工藝容錯率，以達到提高汽車性能和使用壽命的目的。