某柴油机曲轴前油封优化设计

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某柴油机曲轴前油封优化设计

汤泓渊刘岳文谢良根

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

介绍了某柴油机曲轴前油封的结构，针对前油封设计开发过程中出现的油封漏油问题进行了分析，并采取了调整油封工装和改进油封内部结构的措施，解决了油封漏油的故障，为盒式PTFE油封的设计开发提供了参考。

1 前言

随着近年来我国汽车工业的快速发展，汽车制造行业之间的竞争越来越激烈，也推动着发动机技术和性能的不断提高。曲轴油封作为防止发动机漏油的关键部件，其重要性越来越受到各个发动机制造商的重视。三漏问题一直是发动机研发与制造中重点关注的课题，油封密封性能的好坏，直接影响到主机厂和客户对发动机质量的直观感受，影响制造商的口碑。各发动机制造商除了对油封的使用可靠性和寿命的要求提高外，对油封的安装方便性、可维护性、更换便利性、价格等方面也提出了更高的要求。目前国内大部分柴油发动机制造商基本上采用传统结构的，材质为氟橡胶或PTFE的径向密封油封结构[1]。此种油封的装配方式一般分为2种：一种是将油封压装至油封座，然后再将油封座装配至发动机缸体上；另一种是先将与油封配合的油封座装配到发动机缸体上，然后再将油封装配到曲轴及座孔上。随着密封技术与制造水平的不断提高，油封的制作加工工艺也不断成熟；生产效率提高、价格降低，为新型油封的发展提供了广阔的空间。

2 聚四氟乙烯油封介绍

1929年Walther Simmer发明了橡胶骨架油封。近百年来人们一直沿用橡胶作为油封的主要材质，使用比较广泛的有丁腈橡胶与氟橡胶。前者成本低廉，但耐温与密封性能较差，泄漏情况比较严重；而后者的耐温性与密封性有明显改善，但成本较高，且仍具备普通橡胶材料的某些不良共性，如耐磨性能差、使用寿命短、对轴的偏心反应特别敏感等，泄漏现象仍比较普遍。

20世纪80年代初，美国Mather、National等公司相继成功研制了用填充聚四氟乙烯（PTFE）油封代替唇形橡胶油封。聚四氟乙烯又名特氟隆或塑料王，是四氟乙烯单体的共聚物。PTFE化学稳定性好，几乎所有的化学抗性，强酸、强碱或强氧化剂、有机溶剂等对它均不起作用；热稳定性好，裂解温度在400℃以上，能够在-200～300℃温度范围内正常工作；磨擦系数极低，并且具有非常好的自润滑性，特别适用于高速旋转场合，线速度可高达30 m/s[2]。

PTFE油封唇口在加工时被拉成喇叭状，由于PTFE经拉制后具有记忆收缩能力，在工作中产生的摩擦热使唇口会不断收缩，所以不需要弹簧的帮助，它会紧紧抱在轴上，不让它与轴表面有间隙存在，也能补偿磨损。同时PTFE油封内壁刻有与轴旋向相反的螺纹槽，当轴旋转时会产生一个向内推力，阻止流体外流。

PTFE油封主要应用在空气压缩机、发动机、齿轮箱、起动电机、泵、空调、搅拌机、自动化精密机械、机器人、化学处理设备、制药、食品加工设备等密封要求较高的场合，特别适用于传统橡胶油封无法满足的应用，是今后油封发展的方向。

3 某柴油机前油封结构介绍

本论文主要是针对某柴油机的曲轴前端密封进行油封开发设计。柴油机主要参数见表1。

表1 柴油机基本参数

油封能否良好发挥密封作用，与密封结构的设计、密封元件密封性能优劣有关。为了避免曲轴轴颈的磨损，并降低轴颈表面的粗糙度以及淬硬要求，该柴油机采用了新型的盒式油封结构，其结构见图1。新型的盒式油封主要由作为内圈的轴套和负责径向密封的外圈橡胶密封圈组成。其中轴套可保护曲轴轴颈，且热处理成本较曲轴淬硬的低，而且油封主唇密封处的轴颈部分不需要淬火处理。如油封密封唇被轴磨损后，可以只更换油封总成而不需要更换曲轴，从而降低了维修成本。

4 前齿轮室受热膨胀对油封橡胶密封的影响

在曲轴前油封设计初期，耐久试验期间油封发生外圈渗漏，见图2。

该柴油机的前油封座孔位于铝制的前齿轮室罩壳上。由于铝制材料受热时变形量大，故对前齿轮室罩壳座孔的直径进行了受热变形量测量，结果见表2。同时，此前齿轮室结构复杂，空间受到限制，使得加强筋布置受限，受热后会使整个齿轮室产生一定的形变。

针对由于铝制前油封座孔变形问题，采取调整装配工艺的方式加以解决，即使用具有固化作用的胶水来弥补由于座孔变形导致的外圈橡胶密封不严的缺陷。经过试验验证，该方法有效解决了油封外圈渗油的故障。

图1 盒式油封结构示意图

图2 前油封泄漏

表2 前齿轮室罩壳座孔受热变形量

5 油封内外圈间隙对密封性能的影响

5.1 漏油故障模式介绍

该柴油机在第一批配套电站出厂试验期间，前油封出现漏油故障。针出现障机的几台柴油机，拆下其前油封，查看油封本身是否有异常。结果发现此次油封泄漏的故障模式一致，基本为油封外圈防尘橡胶与油封内圈骨架上的防尘毛毡发生摩擦，毛毡和防尘橡胶被磨损下来的碎屑汇集在密封唇与内圈衬套的轴之间，导致密封失效，发生漏油，详见图3和图4。

图3 防尘毛毡对比

图4 密封唇密封失效

5.2 漏油故障原因分析

根据对盒式油封内部的具体结构分析，此种油封的一项重要参数为油封内外圈之间的间隙值c。油封安装后，如果此间隙值过大，则会相应地导致油封内圈防尘毛毡与外圈上防尘橡胶间的间隙b减小，从而使得防尘毛毡与防尘橡胶相互摩擦，见图1。防尘毛毡与防尘橡胶相互摩擦不仅会导致油封外圈倾斜，也会使得磨损下来的毛毡和橡胶碎屑影响主唇的密封，导致油封密封失效。

5.2.1 前齿轮室罩壳变形

为了方便油封在座孔内的轴向定位，油封工装采用的定位方式是利用前齿轮室罩壳油封孔端面定位。但是通过试验可知，由于前齿轮室罩壳的结构和材料特殊性，使得在油封装配过程中，前齿轮室罩壳座孔端面受力后会往发动机侧产生较明显的位移，尤其是油封工装接触到油封孔的端面后，位移加大。油封手工安装扭矩值与油封孔端面位移的关系见表3。

在油封被压装至油封座孔后，拆下油封工装，前齿轮室油封座孔回弹，使得油封外圈与前齿轮室罩壳一起回弹，而油封内圈的衬套与曲轴是过盈配合，不会随着外圈往外回弹，从而导致毛毡与防尘橡胶的距离与理论要求不符，也就是导致b值减小。

5.2.2 油封内外圈设计间隙

经查，原油封本身的设计间隙只有1.4 mm，即防尘毛毡与防尘橡胶的极限理论间隙过小；另外，油封装配后的c值大小是依靠油封压装工装上做出的台阶深度来控制的，而原油封工装上内外圈的台阶深度为1mm，详见图5。这就意味着使用此工装安装好油封之后，加上油封外圈的回弹，c值就会大于1 mm，使得内外圈之间的b值就会小于0.4 mm。如果再考虑曲轴在运转过程中的轴向理论窜动为0.17～0.42（装配统计值一般为0.2～0.3），一旦油封有所倾斜或者是油封在制造过程中间隙控制出现偏差，这些都将导致油封毛毡与防尘橡胶摩擦的风险增大。因此，油封在设计制造时本身的内外圈理论间隙值大小对于油封总成的密封性能具有重要影响。

表3 油封安装扭矩值与座孔位移

图5 原油封孔端面定位的工装示意图

5.3 改进措施

5.3.1 改变工装定位方式和台阶深度

考虑到前齿轮室罩壳材料为铝制，在受到压力时易产生变形，所以将油封轴向位置的定位方式由油封孔端面定位改为依靠曲轴前端面定位。将油封工装上接触前齿轮室端面的定位台阶削除，即将工装外圆直径控制在φ100以下，这样就能避免在油封安装至前齿轮室座孔后仍然对座孔施加的轴力，从而减小座孔和油封外圈的回弹效果。另外，为了减小c值的大小，修改工装上台阶的深度，将原先1 mm改为0.4 mm，这样能进一步保证毛毡与防尘橡胶间的安全间隙，详见图6。

5.3.2 增加油封内外圈设计间隙

经过油封供应商分析，硫化在油封金属骨架上的防尘橡胶厚度太厚，可以通过减少此处的厚度来增加内部间隙；通过更换胶水类型，使用粘结性能更强的胶水，可以减少胶水的使用量，从而可以最大限度地增加油封本身内外圈的间隙值。

通过供应商采取这两项措施，最终将油封本身衬套与外圈的理论间隙由原来的1.4 mm增加到了2.4 mm，这样在c值为0.4的情况下，b值有1.3mm的理论间隙，大大降低了毛毡与防尘橡胶在运转过程中相互摩擦的风险，详见图7。

图6 修改后的油封工装图意图

图7 更改前后的内部间隙示意图

5.4 效果验证

经过以上2项措施，将改进后的新油封使用新工装安装后，对5台样机进行了8 h试车跟踪。试验结束后将油封拆下并将其拆解，未发现毛毡与副唇橡胶的磨损痕迹，见图8。后续出厂试验中再未出现此模式的漏油故障。

图8 油封拆解示意图

6 总结

经过对某柴油机新型结构油封的漏油故障分析，以及试验验证，可以看出盒式油封虽然具有PTFE油封的优点，而且其自身的轴套能保护曲轴免受磨损，降低曲轴轴颈粗糙度要求，但同时也带来了新的问题，即由于盒式结构油封的特点，决定了轴套与外圈是相对旋转的，这使得在油封制造和装配过程中必须考虑油封内部的安全间隙值，避免油封在运转过程中自身相互干涉磨损。另外，针对铝制的油封座，还需要考虑热膨胀给外圈过盈量带来的影响。综上所述，在油封开发设计时，需要综合油封本身结构，安装过程和相关零部件材料和结构对油封密封效果的影响，充分考虑不利因素，提高油封产品的设计效率，降低油封漏油故障率。

1汤毓红，刘卫东，安源胜，朱大滨．新型聚四氟乙烯油封的研制[J]．润滑与密封，2007，32(4): 170-172．

2李建国．油封结构优化设计--旋转运动油封密封机理的有限元分析[D]：[硕士学位论文]．北京：北京化工大学机械设计及理论，2007．

3 GBT 21283.1-2007，密封元件为热塑性材料的旋转轴唇形密封圈第1部分：基本尺寸和公差[S].

Optimal Design of Crankshaft Front Oil Seal of Diesel Engine

Tang Hongyuan,Liu Yuewen,Xie Lianggen
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.Shanghai 200438,China）

The structure of the crankshaft front oil seal of a diesel engine is presented.The seal is failure to seal oil during engine development.After analysis,it is found that the tool for installing the seal and internal structure design of the seal contribute to the issue.Modification to the tool and seal structure is carried out and verified by bench test to be effective.The case provides reference to such seal design.

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密封盒式油封PTFE设计间隙

来稿日期：2014-07-03

汤泓渊（1980-），男，工程师，主要研究方向为发动机设计。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.004