发动机曲轴前油封脱出问题分析与设计优化

王晓东

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

0 前言

发动机曲轴前油封总成是发动机动态密封的重要部件，其主要功能是防止外界杂质进入曲轴箱内，同时阻止曲轴箱内的油气和机油渗漏至发动机外部。曲轴前油封的设计选型对发动机的安全运行具有重要的影响。为满足动力总成轻量化的需求，对曲轴前油封总成的尺寸要求越来越严苛[1-2]。针对某发动机曲轴前油封总成密封脱出失效问题，从设计、零件质量、装配及试验各个环节进行调查分析，最终确定曲轴前油封脱出的原因，并据此提出了解决措施，解决了曲轴前油封脱出失效问题。

1 存在的问题

某发动机总成在进行台架磨合试验过程中出现曲轴前油封脱出失效问题。有部分前油封在发动机装上整车后，短时间内也出现了曲轴前油封脱出的情况，造成机油泄漏。失效件如图1所示。

图1 发动机曲轴前油封脱出

由图1可知，发生故障时曲轴前油封整体从油封安装孔中沿轴向向外脱出。试验运行时间为10 h，检测曲轴前油封的橡胶波纹段未见损伤及划痕。

2 原因分析

该发动机曲轴前油封总成采用分体式结构，曲轴前油封通过压装的方式固定在油封安装孔中。曲轴前油封总成结构如图2所示。油封的骨架由橡胶包裹与油封安装孔过盈配合，两者通过挤压产生径向力使油封与油封安装孔表面产生摩擦力。该摩擦力可以使油封被稳定地固定在油封安装孔内。

图2 曲轴前油封总成结构

影响发动机曲轴前油封性能的因素有很多，分别涉及到设计选型、零件质量、总成装配及试验条件等。通过对各因素进行分类，使用鱼刺图工具进行梳理，分析曲轴前油封脱出的原因，结果如图3所示。

图3 影响因素分析

2.1 油封尺寸

影响曲轴前油封尺寸的主要因素包含油封骨架外径和油封外径。对故障件油封和同批次的油封进行相关尺寸测量，结果见表1。由表1可知，无论是失效件还是同批次件，油封骨架外径和油封外径均满足设计要求，并未发现超差。因此，可以排除油封尺寸的影响。

表1 故障件及同批次件尺寸检测结果

2.2 油封安装孔径及表面粗糙度

对3件故障件的油封座进行孔径检测，结果如表2所示。由表2可知，所有的孔径均满足设计要求，未发现异常。

表2 曲轴前油封座孔径检测结果

《密封元件为弹性体材料的旋转轴唇形密封圈 第1部分：基本尺寸与公差》(GB/T 13871.1—2007)对油封安装孔表面粗糙度进行了详细的定义[3]。随机抽检5件同批次件的表面粗糙度，其测试结果见表3。由表3可知：设计要求的表面粗糙度不符合国标规定范围(1.6～3.2 μm)。5件同批次件中，表面粗糙度最大为1.1 μm；虽然5件同批次件的表面粗糙度符合设计要求，但是均不符合国标GB/T 13871.1—2007规定的范围。油封安装孔的表面粗糙度越小，其表面摩擦因数越小，则压装后的油封静摩擦力越小，油封脱出力越小。

表3 曲轴安装孔表面粗糙度测试结果

2.3 油封脱出力

油封脱出力对于油封在油封孔内的持久稳固性具有重要的影响。随机抽取同批次件在生产线进行压装，压装完成后进行脱出力测试，测试结果见表4。由表4可以看出：在随机抽取的8件同批次件中最小的油封脱出力达到了970 N，测试结果均满足设计要求(≥200 N)。因此，排除油封脱出力对油封脱出的影响。

表4 曲轴前油封脱出力测试结果

2.4 曲轴箱压力

曲轴箱压力也是影响曲轴前油封性能的重要因素。对台架磨合试验过程中的曲轴箱压力进行持续监控，最大的曲轴箱压力为1 500 Pa。由曲轴箱压力产生的对油封的推动力F为：

F=P曲轴箱·S受压面

(1)

S受压面=π(D2-d2)/4

式中：P曲轴箱为曲轴箱压力，单位Pa；S受压面为受压面面积，单位mm2；D为油封安装孔外径，单位mm；d为曲轴密封区域的直径，单位mm。

经过计算得到试验过程中F的最大值为1.3 N，远小于曲轴前油封静态下的最小脱出力要求。因此，可以排除曲轴箱压力对曲轴前油封脱出的影响。

2.5 压装工艺

压装工艺参数对发动机曲轴前油封影响较大。在生产线上该发动机曲轴前油封采用自动压装机压装。对压装完成后的油封进行平面度抽检，测点要求如图4所示。分别测试4个点到油封座底面的高度，然后取最大高度差作为其平面度。最大的平面度设计要求不大于0.2 mm。生产线试生产阶段采用抽检方式对平面度参数进行控制。

图4 曲轴前油封测试要求示意图

连续抽检5件样件，发现2件样件的平面度超差。平面度超差会影响油封在安装孔内的受力状态和稳定性。因此，调整了平面度的检测频率，采取100%检测。检测结果显示，曲轴前油封的压装合格率仅为50%左右，压装工位产生了大量需要重新压装的工件，而且部分油封压装3次以上均不能达到设计要求，导致生产线无法正常运行。通过检查发现，自动压装机的压装力均处于较高水平。油封在压力释放后，局部区域会有一定的回弹，造成平面度超差。

3 优化方案

通过上述分析，可以确定导致曲轴前油封脱出的原因有2个：① 油封安装孔的表面粗糙度设置不合理，可能会降低油封的脱出力；② 曲轴前油封压装后，油封的平面度超差。同时，生产线实施平面度测试后，油封压装的平面度超差报废数量较多。为了解决以上问题，对当前油封安装孔的表面粗糙度及压装工艺进行优化。

3.1 调整表面粗糙度

为提高油封安装孔的摩擦因数，降低曲轴前油封脱出的风险，按照国标要求，将曲轴前油封安装孔的表面粗糙度要求更改为1.6～3.2 μm。

3.2 使用压装润滑剂

发动机曲轴前油封在压装过程中，压装力对于平面度的影响最大。在过盈量确定的情况下，可使用润滑剂来实现减小摩擦，从而降低压装力的作用。普通的润滑剂在压装完成后容易残留，其减小摩擦的作用依然存在，从而造成油封脱出力下降。为了在提升油封脱出力的同时，降低压装力，选用P80橡胶装配剂。该润滑剂在装配时具有润滑作用，同时装配完成后短时间内能够挥发，不影响油封脱出力，也不会污染机油。

采用P80橡胶装配剂进行工艺装配后，在生产线上持续跟踪了22件曲轴前油封的压装结果，如图5所示。由图5可知：平面度的合格率达到了100%；其中，油封平面度最大值仅为0.14 mm，平均值为0.10 mm，远低于平面度最大值不超过0.20 mm的设计要求。

图5 使用P80橡胶装配剂压装后的油封平面度

优化方案实施后，跟踪后续发动机相关耐久试验及整车耐久试验，均未再发生曲轴前油封脱出问题，证明该优化方案有效。

4 结语

在设计开发过程中油封安装孔的表面粗糙度和油封压装后的平面度是确保油封稳定工作的重要参数，应合理设置其相关范围。表面越光滑，油封的脱出力越小。在压装工艺过程中，使用润滑剂可有效降低压装力。应选择具有挥发性的润滑剂，确保装配完成后不降低油封的脱出力。