曲軸油封概述論文

1、 一種新型的低摩擦油封摘要：本文介紹了目前汽車發(fā)動機油封的種類、作用、結(jié)構(gòu)和性能，主要包含以低摩擦扭矩為切入點介紹了一種新型的低摩擦油封的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、作用。通過靜態(tài)泄漏率、動態(tài)耐久、低溫密封、低摩擦性能、油封安裝等方面的試驗與其他種類的油封進行對比，介紹了新型易安裝低摩擦油封在發(fā)動機中的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：低摩擦，油封，低摩擦扭矩，易安裝1. 汽車油封的發(fā)展與現(xiàn)狀隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和排放要求的提高，對于越來越多的汽車零件，降低工作中所產(chǎn)生的摩擦扭矩日益成為節(jié)能減排和提高燃油經(jīng)濟性的重要促進因素。目前在市面出現(xiàn)一款新型的低摩擦油封，其低扭矩性能相比市面上大范圍運用的彈簧油封和PTFE油封有著大幅的提高

2、，而且相比其它油封的缺點此種新型低摩擦油封進行了很好的優(yōu)化設(shè)計。與傳統(tǒng)的彈簧油封相比，摩擦扭矩降低了50%，對于PTFE油封相比，摩擦扭矩更是有大幅降低。這款油封不僅減小徑向的截面尺寸、使結(jié)構(gòu)更緊湊，而且材料兼容各種油品，滿足高轉(zhuǎn)速高溫的要求。骨架油封是油封的典型代表，一般說的油封即指的是骨架油封。油封的作用一般就是將傳動部件中需要潤滑的部件與出力部件隔離，不至于讓潤滑油滲漏。骨架就如同混凝土構(gòu)件里面的鋼筋，起到加強的作用，并使油封能保持形狀及張力。縱觀近代動態(tài)骨架油封的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了以下歷程：彈簧油封，PTFE(聚四氟乙烯)油封，低摩擦油封。 圖1 彈簧油封 圖2 聚四氟乙烯油封彈簧油封（

3、圖1）主要靠主密封唇進行密封，通過彈簧的夾緊力以及油封旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的油膜起到密封作用，主密封唇下部的回油線也能很好的把泄漏出來的機油泵回。此油封的優(yōu)點是靜態(tài)密封效果卓越，但是動態(tài)密封效果一般。主密封唇會隨著使用的時間逐漸磨損，從而影響油封的密封性能。油封密封唇的材料也多種多樣，有丁腈橡膠，氫化丁腈，丙烯酸酯，乙烯丙烯酸酯,氟橡膠等。PTFE（聚四氟乙烯，也稱特氟龍）油封（圖2）主要靠主密封唇進行密封，通過PTFE材料上加工出的螺旋型泵油線進行密封，通過PTFE材料本身以及設(shè)計產(chǎn)生的抱緊力起到密封作用。此油封的優(yōu)點是動態(tài)密封效果優(yōu)異，但是靜態(tài)密封效果一般。由于PTFE的摩擦系數(shù)相當(dāng)小，所以軸在工作

4、時對于PTFE材料產(chǎn)生的磨損并不大，但是由于抱軸力和接觸面積的影響，油封產(chǎn)生的摩擦扭矩比較大。此油封密封唇材料為聚四氟乙烯，此材料的耐油，耐溫性能優(yōu)越于各類橡膠。此油封的結(jié)合有兩種形式，一種為金屬沖壓式，一般以內(nèi)外骨架沖壓的形式把PTFE密封唇和PTFE防塵唇結(jié)合在一起（圖3）。另一種結(jié)合形式為橡膠模壓（圖4），一般以乙烯丙烯酸酯和氟橡膠作為連接金屬和PTFE的介質(zhì)，在綁定PTFE密封唇的同時，橡膠也充當(dāng)為防塵唇的形式，一般為非接觸式防塵唇。 圖3 金屬連接式油封 圖4橡膠模壓油封PTFE的失效形式基本原因由灰塵侵入為主，所以防塵的設(shè)計尤為重要，市面上有無紡布防塵的設(shè)計（圖5）也有用金屬軸套的

5、防塵設(shè)計(圖6)。對于無紡布的防塵設(shè)計來說，此設(shè)計對灰塵的防止有很好的作用，但是對于泥漿的防御卻效果一般。對于金屬軸套的防塵設(shè)計來說，既降低了工作軸的加工要求，又提供了迷宮式的防塵方式，對于灰塵和泥漿都有著很好的防御作用，而且有利于產(chǎn)品的安裝。唯一的缺點就是價格略貴且對安裝空間有要求。 圖5 無紡布防塵 圖6 金屬軸套防塵隨著發(fā)動機對于節(jié)能減排和燃油經(jīng)濟性要求的日益增強，這對于油封產(chǎn)品也帶來了機遇和挑戰(zhàn)。為了降低油封工作中所帶來的摩擦損失，各大油封供應(yīng)商都開始開發(fā)低摩擦油封。目前市面上的低摩擦油封主要采用類似PTFE形式的設(shè)計，使用ACM和FKM材料，通過一定的設(shè)計使橡膠成型的密封唇既產(chǎn)生一定

6、的泵油功能又帶來比較小的磨損損失（圖7）。 圖7 類似PTFE唇形結(jié)構(gòu)的油封 2. 新型的低摩擦油封目前出現(xiàn)一種新型的低摩擦油封，此油封結(jié)構(gòu)參見見圖9、圖10。 圖9 低摩擦油封結(jié)構(gòu) 圖10 油封骨架形式此油封的外徑密封采用橡膠材料，結(jié)合簡化的骨架設(shè)計，可以節(jié)省油封的使用空間。外徑密封也可以結(jié)合使用其它的形式，如全露、半露骨架（圖9，圖10(a)(b)(c)）。雙支點的截面設(shè)計可以保證即使在軸的偏心和跳動都比較大的情況下，密封唇都能與軸保持一致的接觸，油封與軸的接觸壓力也能保持穩(wěn)定（圖9），從而達到抱緊力和低摩擦的平衡。特殊設(shè)計的與油封結(jié)合在一起的安裝特性。不需要特殊的工裝（導(dǎo)向套），就可以安

7、裝油封。（圖9）靜態(tài)的密封環(huán)，可以提高油封的氣密性（圖9）。主密封唇的螺旋線，起到回油，泵油的作用（圖9）。接觸式的防唇塵也主密封唇結(jié)合在一起，減小了防唇塵對軸的阻力，也提高了防唇塵對軸的隨動性能（圖9）。2.1新舊油封性能比較（1）結(jié)構(gòu)比較對于傳統(tǒng)彈簧油封來說，由于彈簧的抱軸力較大，其靜態(tài)密封性能較好。而動態(tài)時由于回油線相對較弱加上主密封唇所產(chǎn)生的泵吸效應(yīng)不強，隨著使用時間的增加和主密封唇的磨損，動態(tài)密封性能會越來越弱。對于PTFE油封來說，由于密封機理不同，其動態(tài)時的泵油性較彈簧油封有很大的提高。但是由于封油線為螺旋型設(shè)計，即使增加了止油突起，靜態(tài)密封性能還是較弱。因此對于此兩種不同的油封

8、在靜態(tài)和動態(tài)時各有優(yōu)勢和弊端。新型低摩擦油封則很好的平衡了這兩種情況（圖11）。對于靜態(tài)密封（圖9）而言其靜態(tài)密封圈能起到類似于彈簧油封的作用，在油封靜止的情況下提供合適的抱軸力以實現(xiàn)靜態(tài)密封圖11 新低摩擦油封的結(jié)構(gòu)（2）靜態(tài)泄漏率實驗比較我們對不同種類的油封進行同樣環(huán)境的實驗。實驗證明，在14KPa的壓強和不同的同軸度情況下，新型低摩擦油封的泄漏率相對PTFE和其他低摩擦油封有了很大的提高，滿足了每分鐘小于5毫升泄漏率的要求（圖12）。圖12 泄漏率實驗比較（3）動態(tài)耐久實驗比較我們對不同種類的油封進行同樣環(huán)境的實驗： 設(shè)定試驗循環(huán) 0.1小時 1500轉(zhuǎn)，無潤滑油；22.9小時6000轉(zhuǎn)

9、，油溫150°C,5W20潤滑油覆蓋1/8軸徑高度；1小時 靜止，無潤滑油。軸跳動0.25mm TIR,靜態(tài)軸孔偏心0.64mm TIR,油封安裝傾斜0.25mm TIR.從結(jié)果來看，PTFE的耐久時間最長，為2500小時，新型低摩擦油封耐久時間為2000小時，達到了大于規(guī)定的1500小時的要求，可見此新型油封的動態(tài)密封性能也比較優(yōu)異（圖13）。圖13 密封動態(tài)耐久實驗比較 （4）低溫密封實驗比較對于低溫時的動態(tài)密封，使用了兩種不同軸徑但同樣材料的油封進行試驗。試驗按下列順序循環(huán)：1.5分鐘 1500轉(zhuǎn)，油溫-37°C無潤滑油；4.5分鐘1500轉(zhuǎn)，室溫,5W20潤滑油覆蓋

10、1/8軸徑高度；換潤滑油。軸跳動0.25mm TIR,靜態(tài)軸孔偏心0.51mm TIR,油封安裝傾斜0.25mm TIR.從結(jié)果來看，在使用同種橡膠（FKM）的情況下，PTFE油封，彈簧油封及新型低摩擦油封都能達到25個循環(huán)的要求，而其他低摩擦油封由于低溫下抱軸力損失過大等問題較早的產(chǎn)生泄漏（圖14）。圖14 低溫密封實驗比較（5）低摩擦性能驗證比較對于低摩擦油封來說降低摩擦扭矩是最關(guān)鍵的，此油封通過獨特的設(shè)計在保持密封力的情況下最小化抱軸力，使密封唇對軸產(chǎn)生的摩擦扭矩大大降低。以下實驗驗證了其低摩擦性能，此實驗使用了三種不同設(shè)計但軸徑相同的油封進行試驗。試驗情況如下：軸轉(zhuǎn)速500-6000r

11、pm, 油溫80°C,5W20潤滑油覆蓋1/3軸徑高度,軸跳動0.25mm TIR.從結(jié)果來看，新型低摩擦油封的摩擦扭矩低于0.3Nm，在2000轉(zhuǎn)后達到扭矩小于0.25Nm的要求。（圖15）圖15 低摩擦性能驗證比較（6）油封安裝便利性比較安裝也是油封中很重要的一個環(huán)節(jié)。安裝的簡易程度，防錯性，是否需要工裝都直接關(guān)系到油封的使用。而油封的設(shè)計直接影響到其安裝和使用。新型低摩擦油封通過其獨特設(shè)計，使油封的裝配不需要導(dǎo)向工裝，而且不會引起翻唇，大大提高了油封的使用安全性。對于此油封，安裝步驟如圖 16。安裝油封時先把油封裝入孔中，然后把軸慢慢推入，軸會首先接觸到密封唇的輔助唇，隨后沿著

12、輔助唇和主密封唇所形成的形狀推動主密封唇進入軸主體。待主唇完全進入后，會在彈力的作用下貼合到軸的密封區(qū)域上，以完成裝配?？偟膩碚f，這種設(shè)計能大大簡化油封的安裝，并能有效防止因安裝錯誤所導(dǎo)致的翻唇情況，免去了特制工裝的投入，對于裝配來說效果很好。圖16油封安裝便利性比較3.結(jié)論綜上所述，新型低摩擦油封通過其獨特的設(shè)計，在兼顧動態(tài)和靜態(tài)密封的同時，降低了工作中所產(chǎn)生摩擦扭矩，既減小了安裝空間又簡化了安裝的過程。對于降低發(fā)動機功耗和節(jié)能減排有著很好的效果。參考文獻：1 馬懷琳 汽車油封技術(shù)及發(fā)展動向 期刊論文- 汽車技術(shù)1994(11)2 葉子波 發(fā)動機油封的密封性能及磨損機理研究 200

13、93 李建國 油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計20073.于政武 影響車輛油封動密封的因素和解決方法 1992(02)4. A Gorrino;C Angulo;J Canales Theoretical analysis of the pumping effect of rotary hydrodynamicseals with elastomeric lips外文期刊 2007(5)5.海因茨 K米勒;英伯納德 S納烏;程傳慶 流體密封技術(shù):原理與應(yīng)用 20026.譚清明 聚四氟乙烯復(fù)合材料燒結(jié)過程溫度控制研究期刊論文-潤滑與密封 2009(07)7.葉盂蜍，李祖彬 汽車油封的研究與進展期刊論文-特種橡膠

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15、大學(xué) 工業(yè)工程專業(yè)導(dǎo)師A New Type Of Low Torque Dynamic SealsTongji University-Mechanical and Energy Engineering1 Wang Zhen2 Xu Kelin3(1. Tongji University-Mechanical and Energy Engineering Shanghai 200092; 2. Tongji University Industry and Engineering Shanghai 200092; 3. Tongji University Industry and Engineering Shanghai 200092 )Abstract: This paper described the type, function, structure and property of dynamic seals in automotive application. Introduced a new type low torque dynamic seal from design, structure, function. Compare the s