油封在汽車總成旋轉(zhuǎn)軸密封中的應用

油封在汽車總成旋轉(zhuǎn)軸密封中的應用

0汽車各種旋轉(zhuǎn)軸的密封在車輛上，有許多通用旋轉(zhuǎn)軸（如發(fā)動機、變速器、電機等），即旋轉(zhuǎn)軸的一端暴露在機器外的空氣中。為了防止總成機內(nèi)流體性工作介質(zhì)(如潤滑油、液壓油、制冷劑等)泄漏和機外水汽、灰塵等侵入,確?？偝傻恼９ぷ?就必需對開啟式旋轉(zhuǎn)軸(下稱旋轉(zhuǎn)軸)進行密封,其密封方式主要有機械密封和唇形密封(俗稱油封,下稱油封)。由于油封具有結構簡單、價格低廉、密封可靠、隨動性好、軸向尺寸小、拆裝檢修方便等優(yōu)點,而被廣泛應用于汽車各種總成旋轉(zhuǎn)軸的密封。例如汽車發(fā)動機的曲軸、變速器的輸入輸出軸、驅(qū)動橋的左右半軸、制冷壓縮機的驅(qū)動軸等旋轉(zhuǎn)軸的密封絕大多數(shù)是采用油封進行密封。因此,對油封的基本結構、密封原理、失效機理、使用維修等進行探討,為油封的設計、制造、使用和維修提供參考,具有一定的實際應用價值。1骨架式油封目前,國內(nèi)外大量采用的油封盡管型式多、分類雜,但基本結構大同小異,常用的分類為骨架式油封和無骨架式油封,其中以骨架式油封應用最為廣泛。骨架式油封一般由橡膠本體(包括密封唇)、金屬骨架、自緊彈簧等組成(如圖1所示)。汽車發(fā)動機曲軸油封、變速器的輸入輸出軸油封等屬于典型的骨架式油封(如圖2所示),而制冷壓縮機驅(qū)動軸則采用了雙唇、短腰、無自緊彈簧、以金屬外殼作為骨架、以O形密封圈作為輔助密封的特殊油封(如圖3所示)。2靜態(tài)密封的定義油封對旋轉(zhuǎn)軸的密封分為外徑密封和內(nèi)徑密封。外徑密封一般采用過盈配合將油封壓入油封座孔內(nèi)并輔以相應的靜密封。如果被密封的工作介質(zhì)壓力不高,則在油封的外圈與其座孔之間輔以填料密封(如密封膠等)。例如發(fā)動機的曲軸、驅(qū)動橋的半軸、變速器的輸入輸出軸的密封等。如果被密封的工作介質(zhì)壓力較高,則在油封的外圈與其座孔之間輔以O形密封圈進行擠壓密封,例如汽車制冷壓縮機驅(qū)動軸的密封。油封的內(nèi)徑密封分為靜態(tài)密封和動態(tài)密封。靜態(tài)密封是指在旋轉(zhuǎn)軸不工作而沒有旋轉(zhuǎn)時的密封,相當于靜密封。由于油封的內(nèi)徑小于旋轉(zhuǎn)軸的軸徑,具有一定的過盈量,裝配后油封的唇部緊箍在旋轉(zhuǎn)軸密封表面上,再加上工作介質(zhì)壓力和自緊彈簧箍緊力的共同作用,對旋轉(zhuǎn)軸的密封表面產(chǎn)生一定的徑向接觸壓力作用,從而防止工作介質(zhì)泄漏,起到密封的作用。動態(tài)密封是指在旋轉(zhuǎn)軸工作而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時的密封,屬于動密封。目前國內(nèi)外學界對油封動密封的理論解釋多種多樣。例如表面張力理論、邊界潤滑理論、微型泵理論、新月面理論等。其中比較有影響和說服力的是ETJagger提出的“新月面理論”和Horvel等人提出的“微型泵理論”(或稱“泵吸”效應模型理論)“新月面理論”認為,在徑向接觸壓力的作用下,在油封唇口和旋轉(zhuǎn)軸密封表面之間形成一條寬約0.25~0.5mm的密封接觸環(huán)帶,當潤滑油滲入密封接觸環(huán)帶之間后就能形成一層厚約2.5μm的油膜。該油膜受油液表面張力的作用,在旋轉(zhuǎn)軸和密封唇刃口外緣的空氣端形成一個“新月面”,能防止油液外溢,起到動密封的作用。如圖4所示?！拔⑿捅美碚摗闭J為,當旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,由于油封結構的特殊性導致徑向接觸壓力不均勻分布,油封的貯油端和空氣端產(chǎn)生不同的壓力變化,使貯油端相對于空氣端形成一定的內(nèi)向吸引力,產(chǎn)生“泵汲”作用,使已經(jīng)透過密封唇口達到空氣端的油液重新回到貯油端,從而達到了動密封的目的。如圖5所示。3油封的特性在汽車各大總成的正常運行過程中,油封是依靠密封唇與旋轉(zhuǎn)軸密封表面之間的過盈配合,在一定的徑向接觸壓力作用下起到動密封作用的,始終受到高速、高壓、高溫、高腐蝕的影響,所以油封必須具有如下基本性能,才能確保其密封性。(1)耐油性。油封所密封的工作介質(zhì)主要是油類物質(zhì),例如機油、齒輪油、液壓油、冷凍機油等。這就要求油封與所密封的工作介質(zhì)具有良好的相溶性,而不被工作介質(zhì)所腐蝕和溶脹。(2)耐壓性。油封所密封的工作介質(zhì)是具有一定的壓力的,如汽車制冷壓縮機工作時機內(nèi)的制冷劑壓力可達到3400kPa。這就要求油封具有一定的耐壓性,抵抗油封變形和密封唇翻邊。一般來說,油封的材料硬度越高,其耐壓性越好。(3)耐磨性。旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速高而多變,油封密封唇的相對線速度高達20m/s(4)隨動性。由于旋轉(zhuǎn)軸加工和裝配誤差的存在,以及在使用中旋轉(zhuǎn)軸的變形和軸承的磨損,導致旋轉(zhuǎn)軸在工作時產(chǎn)生偏心跳動是不可避免的。這就要求油封具有良好的隨動性,通過隨動來消除因旋轉(zhuǎn)軸的偏心跳動而在油封密封唇與旋轉(zhuǎn)軸密封表面之間產(chǎn)生的間隙。(5)耐溫性。在旋轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時,油封密封唇唇口的線速度高,摩擦生熱多,局部溫度高,而旋轉(zhuǎn)軸不工作時,油封的溫度接近環(huán)境溫度,在寒冷季節(jié)或寒冷地區(qū)環(huán)境溫度更低。這就要求油封能適應高溫、低溫和高低溫交變的工作環(huán)境。此外,油封還應具有耐酸、耐堿等基本性能,能抵抗機內(nèi)工作介質(zhì)和機外水汽、灰塵等酸、堿的腐蝕。4油封的相對運動油封失效是指油封喪失了密封性,起不到密封的作用而發(fā)生泄漏。油封失效是由油封的永久變形引起的,可以分為早期失效和報廢失效。所謂早期失效是指油封沒有達到使用壽命,在報廢之前就喪失了密封性而失效,例如變速器油封因使用不當而失效。而報廢失效則是指油封達到了使用壽命而起不到密封作用而失效,例如發(fā)動機曲軸油封的使用壽命約為1000h,如果不足500h就發(fā)生漏油,則可視為早期失效(1)摩擦引起的變形。油封的密封唇與旋轉(zhuǎn)軸的密封表面直接接觸并在一定的徑向壓力作用下旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相對運動,形成摩擦副。根據(jù)摩擦學原理,油封摩擦副的摩擦同樣存在著干摩擦或半干摩擦、邊界摩擦、液體摩擦和混合摩擦等摩擦形式。其中干摩擦或半干摩擦對密封唇的破壞性最大,而混合摩擦則是油封摩擦副的最佳摩擦狀態(tài)。由于摩擦副在運行中產(chǎn)生摩擦,有摩擦就會產(chǎn)生磨損和過熱(油封唇口溫度高達200℃(2)壓力引起的變形。油封始終受到來自過盈裝配、工作介質(zhì)和自緊彈簧的徑向接觸壓力作用,從而產(chǎn)生一定的應力松弛,隨著使用時間的延長,由橡膠應力松弛產(chǎn)生應力喪失,油封唇口直徑逐漸變大,導致油封永久變形。一般來說,油封的耐壓力為0.4MPa-0.7MPa(3)溶脹引起的變形。油封始終與工作介質(zhì)(如潤滑油、液壓油等)相接觸。由于兩者的物相不同和極性差異,在高溫下會發(fā)生復雜的化學和物理反應,使油封的橡膠產(chǎn)生膨脹、發(fā)粘或溶解等現(xiàn)象,從而使橡膠的結構發(fā)生變化,導致油封永久變形。(4)老化引起的變形。油封主要由橡膠構成,而橡膠具有老化的特性。在總成工作時,機體的溫度高(如發(fā)動機70-90℃、自動變速器70-90℃,制冷壓縮機80-100℃等),油封自身的溫度更高,而不工作時機體溫度又降到室溫。油封始終受到機體高溫和變溫的影響。同時,油封所密封的工作介質(zhì)對油封都具有一定的化學腐蝕性。高低溫的交替變化和工作介質(zhì)的腐蝕侵害,加快了橡膠的老化,使油封變硬、裂紋,失去強度和彈性,導致油封永久變形。5油封的基本性能業(yè)已證明,油封的基本性能是確保油封可靠工作而不泄漏的基礎,油封的合理使用是確保油封可靠工作而不泄漏的關鍵。油封的基本性能是通過油封的設計、選材、制造和儲運,以及旋轉(zhuǎn)軸的加工精度來保證的。下面僅從使用和維修的層面,對油封合理使用所涉及的汽車合理運用、油封合理選配、油封合理安裝、油封合理維修等方面,探討預防油封早期失效而泄漏的方法。5.1注意油封的制作(1)發(fā)動機的合理運用。按原廠規(guī)定的行駛里程(如5000公里)及時更換機油和機油濾清器,必要時清洗油底殼,防止金屬屑和其它雜質(zhì)進入油封密封油膜,造成顆粒磨損,破壞密封油膜;經(jīng)常檢查和清洗PCV閥,確保曲軸箱強制通風暢通,避免曲軸箱內(nèi)壓升高而破壞密封油膜;經(jīng)常檢查發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的工作狀況,避免發(fā)動機過熱而導致油封(特別是密封唇)散熱不良,溫度過高;經(jīng)常檢查機油的油量和油質(zhì),及時補加、更換和堵漏,保持正常的工作油量,避免發(fā)動機少油或多油或變質(zhì)油運行。(2)變速器的合理運用。嚴格按原廠規(guī)定的周期更換變速器油,一般周期為2-4年或6-8公里,防止金屬屑進入油封密封油膜,造成顆粒磨損,破壞密封油膜;經(jīng)常檢查和清洗變速器的通氣孔,保持變速器內(nèi)壓和大氣壓平衡。經(jīng)常檢查變速器油的油量、油質(zhì)和漏油,及時補加、更換和堵漏,保持正常的工作油量,避免變速器缺油或多油或變質(zhì)油運行。(3)壓縮機的合理運用。及時排除離合器間隙過大、壓盤(蓋)翹曲變形、壓縮機過載運行(制冷劑過多、系統(tǒng)溫度和壓力過高)等故障,防止電磁離合器打滑而使油封密封唇過熱而硬化變形;杜絕“冷凍機油影響制冷效果,應盡可能少加冷凍機油”的不良作法,嚴格按標準添加或補加冷凍機油,確保油封的正常潤滑、密封油膜形成和維持。此外,主減速器、驅(qū)動橋等總成的合理運用與變速器的大同小異。旋轉(zhuǎn)軸的加工精度,例如偏心度、尺寸偏差、不圓度、表面粗糙度等,要求在使用過程中保持在要求的公差范圍之內(nèi)。5.2盈量和潤滑控制油封密封唇內(nèi)徑、油封外徑、油封外圈寬度是油封選配必須考慮的三個主要參數(shù),要求嚴格按照汽車原廠標準進行選配。油封密封唇內(nèi)徑選配是確定油封過盈量大小的關鍵參數(shù),必須嚴格把關。過盈量過大或過小都會影響密封油膜的形成和維持,以及密封摩擦副的潤滑,從而影響到油封的密封性和使用壽命;油封外徑與油封座孔也是過盈配合,要求將油封外圈涂上密封膠后能壓入油封座孔,能在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時油封不“走外圈”,即油封外圈與油封座孔之間不產(chǎn)生相對運動;此外,還要求油封外圈寬度應與油封座孔寬度相,以保證油封安裝牢固。此外,油封的合理選配還要考慮油封的材質(zhì),能滿足耐油性、耐磨性、耐溫性等油封基本性能的要求。5.3油封的安裝要從機制上講,應把好技術關由于油封安裝在汽車維修中常被看成一件很簡單、技術含量不高的作業(yè)而被忽視,所以嚴重影響到油封的安裝質(zhì)量。因此,油封的合理安裝,一要從思想上予以高度重視,例如制訂和執(zhí)行油封安裝規(guī)程,安排維修技術過得硬的修理工實施油封安裝作業(yè)等;二要把握好技術關,例如,在安裝前必須將旋轉(zhuǎn)軸軸端毛刺去掉、清潔干凈,并在油封唇口和旋轉(zhuǎn)軸密封表面涂上少許潤滑脂,在油封外圈涂上密封膠,必要時應檢查旋轉(zhuǎn)軸的幾何形狀和表面粗糙度;在安裝時必須使用專用壓裝工具,盡可能一次性壓裝到位,防止油封外圈歪斜、唇部翻轉(zhuǎn)和扭曲,如果軸端有螺紋應作適當處理,避免劃傷唇口;在安裝后要按相關標準進行檢驗,直至合格。5.4油封的更換應遵循“不拆不換,不漏不換”的原則在汽車維修上油封屬于易損件。根據(jù)汽車維修經(jīng)驗,油封的維修主要是維護(即常說的保養(yǎng))和更換。一是與油封密切相關的旋轉(zhuǎn)軸和工作介質(zhì)的維護,同“汽車的合理運用”所述;二是油封的更換應遵循“不拆不換,不漏不換”的維修原則。所謂“不拆不換”是指出于維修的需要拆卸了油封,裝配時必須更換油封,例如更換發(fā)動機曲軸主軸承或連桿軸承需要拆卸油封等。所謂“不漏不換”是指由于油封自身的原因引起的泄漏量影響到總成的正常工作時,必須更換油封,例如變速器輸入輸出軸油封漏油等,油封的更換同“