旋转轴用油封泄漏分析及建议

2018-01-15谭建

装备制造技术 2017年11期

谭建

微车变速器输出口与传动轴配合处，多采用骨架油封进行密封。我公司某车型研发阶段，在路试中多次出现变速器输出口漏油故障。本文通过对故障车进行分析探讨，解决了问题，并提出防止变速器输出口油封泄露的建议。

1 油封的密封原理

在对输出轴渗漏的原因分析前，先探讨一下骨架油封的密封原理。骨架油封是由耐油橡胶、钢骨架和螺旋弹簧组成。骨架油封唇口内径在自由状态下比密封部位轴外径小，在骨架油封和轴装配后，油封唇口对轴产生一定的径向压力。当轴旋转时，轴与唇口之间形成一条宽约0.3 mm～0.5 mm环形密封带，并保持一层约0.003 mm厚的油膜，使唇口和轴在接近液体摩擦的条件下工作，以减少唇口摩擦。当油封唇口微量磨损后，弹簧的收紧作用能有效地给予补偿[1]。

油封面上有螺旋槽，当油膜碰到油封螺旋槽，就会受到螺旋斜面的作用而产生作用力P，如图1所示，此力就会将欲外流的液体介质压回储油端（也即是油封螺旋槽具有的泵吸功能）。当该作用力大于油膜本身受到的来自储油端的油压时，就能实现密封[2]。

图1 油膜受力分析图

上述分压力可用公式（1）进行计算。

式中：p为螺旋槽产生的一个作用力；c为旋转轴与油封唇口之间的间隙；L为唇口与轴接触密度；v为旋转轴表面线速度；μ为液体介质的动力黏度；F（a，s）为螺纹结构要素。

2 变速器输出口漏油原因分析

2.1 变速器输出口结构

图2是变速器输出口的结构简图。与花键轴配合的传动轴滑动叉采用内花键，与变速器花键轴配合。其外表面为光滑圆柱面，与变速器衬套及油封配合。变速器内部存在齿轮油。变速器输出口安装骨架油封，与滑动叉配合形成密封条件。花键轴的右端安装到轴承上。

图2 变速器输出口的结构简图

2.2 故障现象分析及故障件检测

经检查故障件，发现变速器衬套圆周面上有磨损痕迹，油封主唇口有磨损。进一步将油封用显微镜放大分析，发现油封主唇口面上有划痕，且磨损面较大。故障现象如图3、图4所示。

图3 衬套圆周面上有磨痕

图4 油封唇口有划痕，磨损面宽

从图3和图4的磨损情况，初步分析导致漏油的原因可能是变速器输出口相关配合零件的精度不够，或者有异物入侵。为了找出主要原因，对相关零件进行以下检测。

（1）滑动叉外圆面粗糙度要求Ra0.4，实测值为0.8 ～ 1.02 μm.超差 0.4 ～ 0.62 μm.倒角粗糙度要求Ra3.2，实测0.30～0.35 μm，部分超差。外圆面直径37.95 mm～37.975 mm，实测值37.961 mm～37.972 mm.外圆面与花键同轴度公差0.04 mm，实测为0.03 mm～0.04 mm.达到要求。

（2）轴瓦内径要求38.02 mm～38.04 mm，实测值38.025 mm～38.035 mm.达到图纸要求。

为了检查确认变速器输出轴及滑动叉在圆周上相对于油封可能存在的不同轴度而导致滑动叉跳动，加大磨损油封唇部，进行了以下检测。

（3）油封安装孔相对于箱体上输出轴的安装轴承孔同轴度0.05 mm，实测值0.019 mm～0.032 mm.达到图纸要求。

（4）衬套内圆相对于箱体上输出轴的安装轴承孔同轴度0.05 mm，实测值0.016 mm～0.026 mm.达到图纸要求。

（5）以箱体上输出轴的轴承安装面为基准，从输出轴顶端约5 mm处往后，按照每隔10 mm取一个圆，检测其同轴度，经5个样件检测结果，可推断出花键轴同轴度最大范围0.009 mm～0.06 mm，大部分符合图纸要求。

2.3 漏油原因分析

首先从油封唇口放大照片图4可以看出，主唇口有划痕，这是漏油的主要原因之一。此划痕属于硬伤，不会是正常磨损，而是装配前划伤。装配工艺不合适可能会造成此划伤，经变速器装配现场检查确认，装配方式合理。油封往内侧不够清洁，有异物入侵，工作时使油封划伤。油封处于不稳定状态，油封接触面的建立的油膜被破坏而导致漏油。

经检测发现，滑动叉端部倒角粗糙度虽基本符合要求，但是对于骨架油封配合与安装的要求，此值过大，也有可能会导致在滑动叉插入变速器输出口时划伤油封。

对于油封唇口磨损宽度较大，这也是导致漏油的直接原因之一。从检测数据分析，主要是由于滑动叉外圆面粗糙度超差。一方面，滑动叉直接磨损油封唇口。另一方面，滑动叉磨损铜质衬套后，其磨掉的金属屑被带到油封唇口处进入接触面，加剧唇口磨损。

输出轴及滑动叉相对于油封在圆周上的跳动也会导致油封异常磨损，同时也会使油封唇口与轴外圆面的接触面间隙在瞬间加大，根据公式（1）可以得知，当旋转轴与油封唇口之间的间隙c增加，螺旋槽产生的一个作用力p将减小，直至小于变速箱内的油压而泄露。

通过数据分析，滑动叉相对油封的跳动量正常。当花键轴及其安装轴承的刚度不足时，可能导致输出轴跳动过大，也可能导致上述间隙c增大而泄露。而从同批次的路试车中，有部分车已通过路试，可以得知花键轴及轴承刚度足够。不存在因油封唇口与滑动叉配合间隙过大导致泄露的原因。

3 改进方案

针对滑动叉外圆面粗糙度过大的问题，严格要求生产车间按照图纸要求执行，控制粗糙度。同时，为了避免滑动叉端部倒角可能造成的划伤油封唇口的风险，减小粗糙度值要求，更改为Ra0.8.为了防止唇口被划伤，加强对油封安装过程控制，定期检查油封压装工装及工艺。并加强控制油封及变速器唇口和滑动叉的清洁度，避免异物侵入。经过改进后，新样件装车后路试，没有出现漏油现象，通过路试。