柴油机曲轴后油封故障分析与改进

李杰 叶飞 卞光祥

摘要：针对某型柴油机在出厂试验过程中，曲轴后油封从后油封座中脱出故障分析验证了不同状态下，不同装配工艺的影响，试验测试结果表明后端轴承座热态下变形量较大是造成曲轴后油封脱落的主要原因。通过优化后油封座与后油封的尺寸配合，加大过盈量，经耐久试验及生产验证，可有效解决后油封脱出故障。

Abstract： The crankshaft rear oil seal had been fallen off from the seat during the test. This paper analyze the cause from the impact of the different assembly methods。The result of the pulling force test showed that the main reason is the thermal deformation of rear bearing seat during the engine working conditions。Optimizing the dimensions with the seat to increase interference， the experiment's result shows there isnt any fracture. The feedback also showed that the improvement is successful from the test and the market.

关键词：油封;脱落;热变形;拉脱力

Key words： seal;fall off;thermal deformation;disassembling force

中图分类号：U262.32+2                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0048-03

0  引言

曲轴油封是发动机曲轴旋转时封油用的密封元件，以防止柴油机曲轴箱内的飞溅机油及润滑柴油机轴系的机油渗漏到柴油机外，它将发动机需要润滑的部件与前后端部件隔离，并同时起到防尘作用。因此油封工作状态是否良好，直接影响着发动机的可靠性，尤其是发动机后油封，由于無法用肉眼直接观察到是否脱出或漏油等故障，一旦发生故障，将造成严重后果。本文对某型柴油机后油封脱出故障进行了分析，从热变形机理及装配工艺分析了造成后油封脱出的原因，并通过优化后油封座与后油封的尺寸配合，经耐久和生产验证，可有效解决后油封脱出故障，大大降低了因后油封脱出而导致的故障率，提高发动机可靠性。

1  故障现象

某车用柴油机在厂内调试过程中反馈曲轴后端批量存在大量油迹，对其中一台故障发动机进行拆解，发现后油封从后端主轴承座中脱出，具体故障照片见图1与图2。仔细查看故障机上拆解下来的零部件，后油封橡胶弹性良好，无压溃及切边啃伤现象，后油封座表面良好，无磕碰伤，不存在其他异常情况。

2  油封工作原理与结构

油封的密封状态，一是油封外缘腔体与后油封座间为静态密封，同时保证油封外缘在腔体在后油封座上的可靠定位。后油封与油封座之间常采用过盈配合，压装时油封外圆表面采用无涂覆或涂特殊的胶。二是油封密封唇和曲轴之间的密封状态，当轴旋转时为动态密封，装配好的油封在发动机运转几周后，其密封唇就会将一层很薄的薄膜涂覆到旋转轴轴颈上，并借助于自身的弹性变形，使唇口部分很好地贴合在轴颈上随发动机一起转动。发动机在工作过程中，如图3所示，进入油封唇部与轴颈贴合部位的润滑油膜随发动机旋转一起转动，一旦油膜碰到油封螺旋槽，就将会受到螺旋斜面的作用而产生一个向发动机内密封介质的作用力，此力就会将欲外流的液体介质压回储油端，即油封螺旋槽具有泵吸的功能。当该作用力大于油膜本身受到的来自储油端的油压时，从而实现密封。

该作用力可用下述公式进行计算：

式中：

P-螺旋槽产生的一个作用力;

C-曲轴与油封唇口间的间隙;

L-唇口与曲轴接触宽度;

V-曲轴表面线速度;

μ-液体介质的动力粘度;

F（？琢，s）-螺纹结构要素。

由上式可知，当发动机工况一定（即μ、V、C基本不变）及一定的设计条件（即L不变）时，F（α，s）是影响上述作用力的重要因素，即油封密封唇部螺旋槽的大小、角度、方向、旋向、密封材料的硬度及其弹性等将直接影响到油封的作用力，以及影响到油封的密封性能。

该机型曲轴后油封为旋转轴唇形密封结构，主唇材料为PTFE（聚四氟乙烯），油封与曲轴为带接触，接触带为2-4mm，唇口部位带有螺旋槽，运转时与曲轴形成泵吸效应，螺旋槽设置有静态止油点，以提高静态下的密封可靠性，PTFE片经过活化处理直接通过硫化工序与橡胶粘接地在一起，油封结构如图4所示。

曲轴后油封通过定位工装压入到铝制的曲轴后端轴承座上，曲轴后端轴承座通过螺柱、螺母固定在飞轮壳上，与飞轮壳一起固定到机体上，如图5所示。曲轴后油封的主唇与飞轮上的轴接触，曲轴后油封与后油封座之间采用过盈配合，装配时表面涂覆S06-100。

3  故障分析与改进

检查油封座孔，其倒角符合图纸要求，内表面无毛刺、磕碰、锈蚀及其他缺陷。观察故障机拆解下的后油封外敷胶的表面来看，橡胶弹性良好，未出现老化，油封橡胶也未出现装配压溃、切边、啃伤的现象，状况良好，对油封承孔的粗糙度进行查验，粗糙度控制在Ra1.6-3.2之间，符合要求，后油封及其轴承座的其他尺寸符合设计要求，不存在异常状态。

下面从装配工艺、后油封座孔的热变形及油封的拉脱力等方面进行分析：

3.1 装配工艺与过程分析

检查装配过程中的工位器具，其清洁度满足要求，无磕碰与变形等，在装配过程中，调整后油封的安装压入速度，以不同的速度进行压入，评估压入速度对油封的影响;试验方案与试验结果观察如表1。

表1可以看出，油封的压入质量和压入深度在压入速度提高到2s后开始急速下降，这是由于油封的橡胶存在弹性变形而导致油封压入后回弹，在实际生产过程中，压入设备标准操作为4s，因此压入速度不是造成曲轴后油封装配不到位，导致此次脱出故障的原因。

检查其余工艺过程，如拿取油封，过程中不接触油封唇口部位，唇口及外圈按要求不涂抹润滑脂，并用压缩气将轴和轴承座表面吹干净等无异常，装配过程中均可控无异常。

3.2 后油封座加热变形分析

曲轴后油封与后油封座之间采用过盈配合，设计尺寸见表2。

根据设计图纸的要求，曲轴后端轴承座的铝材料牌号为：6082，曲轴后油封座内孔径尺寸为（？准119.95～？准120）mm。随机抽取8只后油封座进行加热，温度至95℃后，保温20分钟后，测量后油封座的内孔尺寸，尺寸汇总如表3所示。

从表中可以看出，后端轴承座加热后外圆尺寸有所增加，范围为（0.06-0.21）mm，超出设计范围要求，因此发动机正常运转的状态下，后油封座受热产生热变形，导致油封与轴承座配合尺寸变大，过盈量不足，从而导致后油封油拉脱力不足。

3.3 后油封拉脱力分析

针对曲轴后油封在不同工艺下对装配力和拆卸力的影响，抽取后油封和后油封座（选择的后油封与后端轴承座的尺寸配合过盈量处于0.5mm），进行常温、加热两种状态下的拉拔力测试，试验方案如表4。

常温状态及高温状态下的测试试验数据如表5、表6。

曲轴后油封在常温下压装时，表面无涂覆和涂覆PT780，存在切边现象。而涂覆S06-100的压装和拆卸力均较小，说明S06-100压装时起润滑作用，长时间凝固后可起到一定的胶合作用。

试验过程中发现，乐泰648（厌氧性密封胶）和乐泰4210（速干型密封胶）均匀涂覆在油封上后，拆卸后在轴承座和油封外圈上几乎都找不到胶液留存的痕迹，如图6;乐泰401和495（均为速干型密封胶），其中401涂覆在油封上，495涂覆在后端轴承座上，拆卸发现在轴承座内圈上找不到胶液留存的痕迹，后油封外圈上有明显的胶液固化痕迹，如图7。三者的拆卸力较为接近但远小于设计要求的0.8kN。

乐泰MS-500（改性硅胶密封胶），涂覆在后油封上。拆卸时在轴承座内圈和后油封外圈上匀有明显的胶液固化痕迹，如图8，但拆卸力与涂有乐泰648方案相近，无法满足要求。

由表6知，在高温状态下得出如下结果：①不涂覆任何胶体，拆卸力介于（0.33～0.49）kN之间;②涂覆S06-100，热拆卸力较大，介于（0.86～0.94）kN之间;③涂覆PT-780热拆卸力较不涂覆大，介于（0.70～0.96）kN之间;④涂覆乐泰系列热拆卸力较不涂覆小，介于（0.24～0.38）kN之间。

根据设计要求，曲轴后油封拉拔力大于0.8kN较为安全，因此采用涂覆PT-780与S06-100可达到要求。

3.4 设计改进与验证

根据上述分析与试验结果，设计适当增加了油封安装后的过盈量，以保证热态下的拉拔力，将后端轴承座内孔公差由？准12调整至？准120，使过盈量0.33-0.55增大至0.038-0.06，同时装配时涂覆S06-100，在進行800h耐久试验验证及200台批量验证过程中，曲轴后端无漏油，并拆捡了10台离合器与飞轮进行确认，未发现后油封脱出现像，改进效果非常明显。

4  总结

针对曲轴后油封从后油封座中脱出故障，本文进行了不同状态下，不同装配工艺的影响的分析和验证，试验结果表明后端轴承座热态下变形量较大是造成曲轴后油封脱落的主要原因。通过尺寸优化，加大过盈量，经耐久试验及生产验证，结构可靠，封油性能出色，满足设计寿命要求，可有效解决后油封脱出导致的漏油故障。

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