汽车橡胶油封动态密封性能的影响因素

130011) (中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春

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摘要:汽车橡胶油封的泄露一直是汽车主机厂重点关注的问题之一。结合实际生产中遇到的油封泄露问题,主要从橡胶材料、油封的装配以及油封的结构三个方面出发分析了汽车橡胶油封动态密封的影响因素,并对未来汽车橡胶油封的发展进行了展望。关键词:油封 橡胶材料 油封装配 油封结构TQ330.1+2 A Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180257中图分类号: 文献标识码:

1 概述

油封是一种封油用的密封元件,广泛应用于汽车传动系统、发动机曲轴和凸轮轴等具有旋转轴的机械零部件中,其主要功能是防止润滑介质外泄,同时阻止泥沙、灰尘等杂物进入密封机械内部,对机械设备造成损坏。橡胶油封也称为橡胶唇形密封圈,是汽车中常用的一种油封,从结构上分,橡胶油封主要有骨架式(外露骨架油封和内包骨架油封)、无骨架式、复合式油封,其中以骨架式油封应用最多[1]。

橡胶骨架油封(以下称“油封”)主要由三部分组成:橡胶油封本体、金属增强骨架和螺旋自紧弹簧。在静态条件下,通过油封与轴的过盈配合以及自紧弹簧的紧缩力,油封主唇口可以紧抱于旋转轴上,从而对轴起到密封作用。而动态条件下的密封机理则较为复杂,随着油封的发展有多种理论提出,目前国内外较为认可的理论是泵吸效应理论。有研究表明,在稳定转动的条件下,油封

1-2 μm与旋转轴之间存在一层厚度约 的油膜,轴

0.05 mm- 0.1 mm,向长度约 表面张力的作用使油膜处于混合润滑状态[2]。同时,由于轴与油封唇部的径向力以及轴向的摩擦作用使得润滑油膜在油封唇口与旋转轴之间存在微观的轴向往复运动,从而使油封贮油侧相对于空气侧形成了一定的向内吸力,产生泵吸效应。这一效应可以使油封唇口与旋转轴间隙的油膜保持一种动态的流动平衡状态,从而有效的防止润滑油泄漏[3]。

汽车橡胶油封具有耐磨性好、结构简单、易加工、易装配等优点,因而很多行业已经当作标准零部件来供应。油封的密封性能优劣主要反映在动态使用过程中的漏油量上,在实际使用过程中,油封的使用工况复杂,因而其动态密封性能的影响因素也较多。以下主要从油封的橡胶材料、装配以及结构三个方面出发,讨论汽车橡胶油封动态密封性能的影响因素。

2 影响因素分析2.1 材料因素

橡胶是油封的本体材料,因此橡胶的材料性能直接影响着油封的密封性能。而材料的选用又基

1970—),作者简介:张彦彪( 男,本科,高级工程师,主要从事汽车非金属材料研究与应用工作。

于汽车油封的使用工况,工况对橡胶材料性能的使- 30- 150 ℃,用要求主要有:耐高低温(约 瞬时温度300 ℃)可达 、耐介质、高拉伸强度、耐磨性好、回弹性好、加工性能好等[4]。目前,汽车油封用橡胶材料NBR) ACM)主要有丁腈橡胶( 、丙烯酸酯橡胶( 和氟FKM) 1橡胶( 等,各橡胶的主要特点见表 。 2.1.1

使用温度的影响在实际使用过程中,温度对橡胶材料的特性

1有很大的影响,从表 中可以看出不同油封用橡胶材料的使用温度范围差别很大,这主要受橡胶材

1料分子链柔顺性的影响。图 是高温导致轮毂油封橡胶(丁腈橡胶)老化的案例,丁腈橡胶长期使80 ℃-85 ℃用温度应在 以下,瞬间使用温度不能超120 ℃,过 而长时间在高温条件下工作导致丁腈橡胶出现硬化和变脆碎裂等现象,从而造成油封泄露。温度的变化会直接影响橡胶材料的弹性模量,弹性模量的变化又会影响油封密封唇口对轴的抱紧力,从而影响油封的密封性能。那么,在低2温状态下,如图 所示,有研究表明,丁腈橡胶从20 ℃ - 40 ℃ 100

降至 时,其弹性模量提高 倍,油封径向力增大,油封密封唇对轴的抱紧力增加,因此,在低温状态下,油封通常不会出现泄漏,但如果实际低温环境温度超过材料的低温特性(通常

15 ℃),低于 也会造成材料的低温脆裂,从而油封产生大量渗漏。

油封的使用温度,特别是在动态条件下(环境 介质温度恒定),油封所承受的温度是由唇与轴在高速旋转状态下的摩擦热所决定的,所以轴速度(转速和线速度)对油封的工作性能影响很大,通常用环境介质温度加上唇部与轴摩擦造成的温升来定义油封的极限最高使用温度。 2.1.2

密封介质的影响油封橡胶材料的选择很大程度上取决于被密

1封的介质。从表 中可以看出不同橡胶的耐油性有很大差别,丁腈橡胶的耐油性随丙烯腈含量的不同而改变。同时,同一种橡胶,对不同的密封介质也有不同的抗耐性。因此,在选择橡胶材料的过程中,要充分考虑密封介质对橡胶材料的影响,一般要达到被密封的介质不至于造成橡胶材料的软化、过渡膨胀、硬化或有损物理机械性能和密封性能的作用。通常材料的耐介质性用硬度、拉伸2强度及伸长率的变化和体积变化率来表达,表 是ACM FKM橡胶和 橡胶的耐液体性试验结果,从表

ACM 1#中可以看出,同样的 橡胶耐 标准油的性能

3# FKM要远好于 标准油;同时,同样的条件下, 橡

3# ACM胶的耐 标准油性能要远优于 橡胶。2.1.3

橡胶基本性能的影响橡胶的基本性能设计对油封的密封性有极大的影响,如硬度、拉伸强度、撕裂强度、压缩永久变形

等。材料的硬度决定了材料的弹性模量,而弹性模量是油封性能的决定因素之一,高速油封一般采用低硬度橡胶,可以满足唇口与轴的跟随性能[5]。拉伸强度、撕裂强度是决定油封主唇口磨损特性的关键25 kn/m性指标,尤其撕裂强度,一般希望最低为 以

30 kn/m上,如果达到 有助于唇口磨损的抗撕裂性能。压缩永久变形代表了材料的高温变形回弹性

FKM能,是主唇口回弹性能的标志性指标。 橡胶由于氟原子的引入使其具有优异的耐高温、耐油性和耐腐蚀性,是目前比较理想的一种油封橡胶材料,对

FKM不同生产商生产的 橡胶材料进行了试验,试验

3 FKM结果见表 。从表中可见,不同生产商生产的

70-75橡胶材料,其硬度值均介于 之间,拉伸强度大

10 MPA, 25 kn/m,于 撕裂强度大于等于 压缩永久变

50% FKM形在 以下,这些指标充分说明了 是比较理想的橡胶油封材料,这也是为什么在汽车橡胶油封

FKM NBR行业里近年来 橡胶被大量应用来代替 橡胶的原因之一。

橡胶材料是油封的本体材料,其性能直接影响油封的使用,根据使用工况合理的选择油封橡胶材料可以有效的防止因橡胶短期老化而引起的油封泄露,提升橡胶油封的密封可靠性。

2.2 装配因素

在油封设计、选材以及匹配合理的情况下,油封的装配是影响油封动态密封性能的关键因素。 在装配过程中,因油封与轴不垂直会造成倾斜安装、偏心安装、唇口损坏、螺旋自紧弹簧脱落等一系列问题,这些均会造成密封介质泄露。这其中,倾斜安装、偏心安装和唇口损坏是装配过程会出现的主要问题。2.2.1

油封的倾斜安装油封的倾斜安装会使螺旋自紧弹簧的收缩率不匀,油封的唇部受力不均,唇口的应力分布发生改变,从而使油封唇与旋转轴之间的油膜分布不

3均匀,造成泄露。图 是变速箱油封倾斜安装的案例,从照片中可以看出,由于安装倾斜造成油封与基准面之间一侧无缝隙,而另一侧有非常明显的缝隙,因此在使用过程中,很短的时间内就出现了泄露现象。而造成油封倾斜安装的常见原因是未采用标准的油封工装,采用冲击法进行装配,油封端面受力不均匀造成安装的油封变形。另一方面,装配过程中安装定位面的不平度较大也会造成倾斜安装。 2.2.2 油封的偏心油封在装配过程中不可避免的由于零部件的配合公差产生偏移,从而产生偏心,因此油封的偏心在使用过程中不可避免的,一是由于轴在高速旋转时,在惯性的作用不追随轴的表面跳动,即径4向跳动或动态偏心,如图 所示。一是轴与油封壳

体之间的安装偏心或不同心,即静态偏心,也是油封壳体(腔体孔)与轴的偏心安装即油封座的静态

5偏心如图 所示。 油封轴的动态偏心(径向跳动)是在设计时必

4须考虑的参数之一,如图 所示,轴在高速旋转时,由于油封轴的偏心使油封在惯性作用下产生不追随轴的表面跳动,密封唇与轴的表面在微观上处

- -于粘附 润滑分离的循环状态,从而造成泄漏。为了适应不可避免的轴的动态跳动,在油封结构设计时可以采用减小腰部厚度或增加腰部长度的方式来增加油封密封唇对油封轴的追随性能。油封座的静态偏心也是影响油封泄露的重要

5因素,如图 所示,油封轴与油封壳体之间的安装偏心会导致旋转过程中油封密封唇部与轴的接触压力不均匀,并在轴上的位置有一定的倾斜,这样会导致油封密封唇在一侧的接触压力大,而在另一侧接触压力小,从而影响密封性能而造成泄漏。

油封的偏心造成的泄露是目前汽车橡胶油封漏油的主要表现形式,油封的的偏心过大(超过理论设计值)一方面会导致油封唇口的跟随性不一 致而造成泄露,在使用使用过程中表现为油封的

6唇口的严重磨损不均。如图 所示是轮毂油封安装轴在油封安装偏心条件下的磨损情况,从图中可以看出安装轴两侧的颜色明显不同,这主要是因为偏心安装导致了油封轴受力不均匀,受力大的部位温升较大,从而磨损严重。

因此,在油封的装配过程中,需要通过专用的定位工装,来确保油封安装定位准确,同时,也需要将其他影响油封偏心的零部件(如定位孔、轴承、定位螺栓)的装配精度进行严格的质量控制。2.2.3

油封的唇口损坏油封在装配过程中油封唇口由于油封轴的倒角、装配工装的加工质量,装配操作不当等原因使油封唇口出现划伤、翻卷等损坏现象,在装配过程中不易察觉,从而在使用过程中油封出现泄漏。

为避免油封唇口在装配过程中出现意外损伤,在装配过程中对辅助工装、油封轴、油封座、操作人员的操作方式,都要按油封的安装要求进行一一规定和质量监控。

2.3 结构因素

7如图 所示,油封的结构主要由密封唇、橡胶本体、金属骨架、金属弹簧、腰部等部分构成。油封的各部分结构参数对油封的密封性能有非常大的影响。根据油封的密封机理,为了实现油封密封,必须保证在油封唇口与轴的接触面上有油膜形成,同时又必须使接触压力呈集中分布的状态。因此,油封结构的主要参数如油封的主唇过盈量、油封径向力、回流纹等的合理设计是保证主唇口与旋转轴之间产生合理接触压力的重要因素。2.3.1

过盈量过盈量是指在未安装弹簧时,油封唇口直径

与轴径之差。在油封使用过程中,当过盈量过小时,动态及静态偏心得不到较好的补偿,表现出偏心量过大而造成油封泄露;当过盈量过大时,油封唇口对轴的径向力较大,在轴高速旋转时会造成温度过高,从而加速橡胶唇口的老化,最终造成油封泄露。2.3.2

油封径向力油封径向力虽然不是油封的代表性参数,但作为重要的控制参数,它对油封的使用性能有着不可忽视的作用,径向力的设计大小直接影响密封性、油封密封唇的磨耗和油封轴的磨耗、并且介质的压力和密封唇部与轴的跟随性都和径向力息息相关。

油封径向力的构成是由油封密封唇的过盈量、腰部结构参数(厚度、长度、角度)和油封弹簧三个部分组成,其中由过盈产生的径向力很小,在设计过程中经常被舍去,腰部设计参数是油封径

50%向力的重要来源,最大能提供给主唇口 的径向力。同时,腰部的厚薄影响到唇口对轴的跟随性。较薄的腰部跟随性好,但在较大压力下,腰部易凸出变形;腰部过厚,则对轴的跟随能力差,易形成泄漏。油封弹簧是油封径向力的主要构成部分,油封弹簧是油封径向力的重要组成,弹簧提供60%- 80%,的径向力约占油封整体径向力的 在油封的实际工作过程中,由于油封径向力是与工作温度和使用时间密切相关,经常随温度的升高,材料特性产生变化或弹簧刚度衰减,从而造成油封的渗漏,这就需要在进行结构设计时,充分考虑油封的使用环境和工作状态进行优化设计,来保证油封径向力在使用过程中的稳定性,保证油封使用的密封可靠性。2.3.3

回流纹目前汽车油封多为流体动力学油封,一般会在唇口表面模压回流纹。回流纹有动力回流作用,可以有效补偿高速旋转过程中旋转轴的剧烈跳动对油膜的扰动,从而使油膜稳定存在。回流纹在设计加工过程中要注意高度应适宜,回流纹太高会造成密封流体外流加剧,从而破坏动态平衡发生泄露。另外,回流纹的加工需要精细,加工粗糙的回流纹 8不但起不到回流作用,相反,还会破坏密封。图 是变速器输出轴油封因回流线加工结构问题而造成油封泄露的案例,从图中可以看出,在同一件油封制品上,不同位置处,油封主唇部位的回流纹到主唇口部位距离不一致,回流纹不同,无法形成有效的密封接触带,因此会造成漏油。

文中只对过盈量、径向力、回流纹进行了简要的论述,这也是在汽车橡胶油封在使用过程中经常发现问题的油封结构设计参数,也充分说明了油封的结构对油封的动态密封性能有很大的影响,因此,在前期设计和油封加工过程中,要充分的考虑油封的使用工况,从而制备出结构最优的油封制品。

3 总结与展望

油封看似结构简单,但其工作机理非常复杂,影响密封性能的因素也非常多。复杂的工况以及各影响因素之间的强关联性加大了汽车橡胶油封的设计难度。然而,合理的材料选择、最优的结构设计以及精细的装配过程是控制油封泄露所必不可少的条件,也是在油封的设计阶段就需要考虑的问题。

随着汽车工业的发展,各主机厂对油封的使用寿命逐渐增加,有的主机厂对整车,特别是商用车的密封可靠性提出了长换油,且油封密封寿命50

万公里的要求;密封可靠性的提升,对油封橡胶材料、结构等提出了更高的要求,目前,材料改性技术在油封材料上的应用进步很大,材料的耐磨性的提升对汽车橡胶油封,使得油封唇口的结构设计更加合理成为可能,同时,不少主机厂也在更新换代工艺设备,例如,增加自动压装设备和检测设备,使得汽车橡胶油封的压装精度得到提升,未 (下转第51页)

图3 油封总成倾斜安装

图7 油封结构示意图

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