油封在汽车总成旋转轴密封中的应用

油封在汽车总成旋转轴密封中的应用

0汽车各种旋转轴的密封在车辆上，有许多通用旋转轴（如发动机、变速器、电机等），即旋转轴的一端暴露在机器外的空气中。为了防止总成机内流体性工作介质(如润滑油、液压油、制冷剂等)泄漏和机外水汽、灰尘等侵入,确保总成的正常工作,就必需对开启式旋转轴(下称旋转轴)进行密封,其密封方式主要有机械密封和唇形密封(俗称油封,下称油封)。由于油封具有结构简单、价格低廉、密封可靠、随动性好、轴向尺寸小、拆装检修方便等优点,而被广泛应用于汽车各种总成旋转轴的密封。例如汽车发动机的曲轴、变速器的输入输出轴、驱动桥的左右半轴、制冷压缩机的驱动轴等旋转轴的密封绝大多数是采用油封进行密封。因此,对油封的基本结构、密封原理、失效机理、使用维修等进行探讨,为油封的设计、制造、使用和维修提供参考,具有一定的实际应用价值。1骨架式油封目前,国内外大量采用的油封尽管型式多、分类杂,但基本结构大同小异,常用的分类为骨架式油封和无骨架式油封,其中以骨架式油封应用最为广泛。骨架式油封一般由橡胶本体(包括密封唇)、金属骨架、自紧弹簧等组成(如图1所示)。汽车发动机曲轴油封、变速器的输入输出轴油封等属于典型的骨架式油封(如图2所示),而制冷压缩机驱动轴则采用了双唇、短腰、无自紧弹簧、以金属外壳作为骨架、以O形密封圈作为辅助密封的特殊油封(如图3所示)。2静态密封的定义油封对旋转轴的密封分为外径密封和内径密封。外径密封一般采用过盈配合将油封压入油封座孔内并辅以相应的静密封。如果被密封的工作介质压力不高,则在油封的外圈与其座孔之间辅以填料密封(如密封胶等)。例如发动机的曲轴、驱动桥的半轴、变速器的输入输出轴的密封等。如果被密封的工作介质压力较高,则在油封的外圈与其座孔之间辅以O形密封圈进行挤压密封,例如汽车制冷压缩机驱动轴的密封。油封的内径密封分为静态密封和动态密封。静态密封是指在旋转轴不工作而没有旋转时的密封,相当于静密封。由于油封的内径小于旋转轴的轴径,具有一定的过盈量,装配后油封的唇部紧箍在旋转轴密封表面上,再加上工作介质压力和自紧弹簧箍紧力的共同作用,对旋转轴的密封表面产生一定的径向接触压力作用,从而防止工作介质泄漏,起到密封的作用。动态密封是指在旋转轴工作而以不同的转速旋转时的密封,属于动密封。目前国内外学界对油封动密封的理论解释多种多样。例如表面张力理论、边界润滑理论、微型泵理论、新月面理论等。其中比较有影响和说服力的是ETJagger提出的“新月面理论”和Horvel等人提出的“微型泵理论”(或称“泵吸”效应模型理论)“新月面理论”认为,在径向接触压力的作用下,在油封唇口和旋转轴密封表面之间形成一条宽约0.25~0.5mm的密封接触环带,当润滑油渗入密封接触环带之间后就能形成一层厚约2.5μm的油膜。该油膜受油液表面张力的作用,在旋转轴和密封唇刃口外缘的空气端形成一个“新月面”,能防止油液外溢,起到动密封的作用。如图4所示。“微型泵理论”认为,当旋转轴旋转时,由于油封结构的特殊性导致径向接触压力不均匀分布,油封的贮油端和空气端产生不同的压力变化,使贮油端相对于空气端形成一定的内向吸引力,产生“泵汲”作用,使已经透过密封唇口达到空气端的油液重新回到贮油端,从而达到了动密封的目的。如图5所示。3油封的特性在汽车各大总成的正常运行过程中,油封是依靠密封唇与旋转轴密封表面之间的过盈配合,在一定的径向接触压力作用下起到动密封作用的,始终受到高速、高压、高温、高腐蚀的影响,所以油封必须具有如下基本性能,才能确保其密封性。(1)耐油性。油封所密封的工作介质主要是油类物质,例如机油、齿轮油、液压油、冷冻机油等。这就要求油封与所密封的工作介质具有良好的相溶性,而不被工作介质所腐蚀和溶胀。(2)耐压性。油封所密封的工作介质是具有一定的压力的,如汽车制冷压缩机工作时机内的制冷剂压力可达到3400kPa。这就要求油封具有一定的耐压性,抵抗油封变形和密封唇翻边。一般来说,油封的材料硬度越高,其耐压性越好。(3)耐磨性。旋转轴的转速高而多变,油封密封唇的相对线速度高达20m/s(4)随动性。由于旋转轴加工和装配误差的存在,以及在使用中旋转轴的变形和轴承的磨损,导致旋转轴在工作时产生偏心跳动是不可避免的。这就要求油封具有良好的随动性,通过随动来消除因旋转轴的偏心跳动而在油封密封唇与旋转轴密封表面之间产生的间隙。(5)耐温性。在旋转轴高速运转时,油封密封唇唇口的线速度高,摩擦生热多,局部温度高,而旋转轴不工作时,油封的温度接近环境温度,在寒冷季节或寒冷地区环境温度更低。这就要求油封能适应高温、低温和高低温交变的工作环境。此外,油封还应具有耐酸、耐碱等基本性能,能抵抗机内工作介质和机外水汽、灰尘等酸、碱的腐蚀。4油封的相对运动油封失效是指油封丧失了密封性,起不到密封的作用而发生泄漏。油封失效是由油封的永久变形引起的,可以分为早期失效和报废失效。所谓早期失效是指油封没有达到使用寿命,在报废之前就丧失了密封性而失效,例如变速器油封因使用不当而失效。而报废失效则是指油封达到了使用寿命而起不到密封作用而失效,例如发动机曲轴油封的使用寿命约为1000h,如果不足500h就发生漏油,则可视为早期失效(1)摩擦引起的变形。油封的密封唇与旋转轴的密封表面直接接触并在一定的径向压力作用下旋转而产生相对运动,形成摩擦副。根据摩擦学原理,油封摩擦副的摩擦同样存在着干摩擦或半干摩擦、边界摩擦、液体摩擦和混合摩擦等摩擦形式。其中干摩擦或半干摩擦对密封唇的破坏性最大,而混合摩擦则是油封摩擦副的最佳摩擦状态。由于摩擦副在运行中产生摩擦,有摩擦就会产生磨损和过热(油封唇口温度高达200℃(2)压力引起的变形。油封始终受到来自过盈装配、工作介质和自紧弹簧的径向接触压力作用,从而产生一定的应力松弛,随着使用时间的延长,由橡胶应力松弛产生应力丧失,油封唇口直径逐渐变大,导致油封永久变形。一般来说,油封的耐压力为0.4MPa-0.7MPa(3)溶胀引起的变形。油封始终与工作介质(如润滑油、液压油等)相接触。由于两者的物相不同和极性差异,在高温下会发生复杂的化学和物理反应,使油封的橡胶产生膨胀、发粘或溶解等现象,从而使橡胶的结构发生变化,导致油封永久变形。(4)老化引起的变形。油封主要由橡胶构成,而橡胶具有老化的特性。在总成工作时,机体的温度高(如发动机70-90℃、自动变速器70-90℃,制冷压缩机80-100℃等),油封自身的温度更高,而不工作时机体温度又降到室温。油封始终受到机体高温和变温的影响。同时,油封所密封的工作介质对油封都具有一定的化学腐蚀性。高低温的交替变化和工作介质的腐蚀侵害,加快了橡胶的老化,使油封变硬、裂纹,失去强度和弹性,导致油封永久变形。5油封的基本性能业已证明,油封的基本性能是确保油封可靠工作而不泄漏的基础,油封的合理使用是确保油封可靠工作而不泄漏的关键。油封的基本性能是通过油封的设计、选材、制造和储运,以及旋转轴的加工精度来保证的。下面仅从使用和维修的层面,对油封合理使用所涉及的汽车合理运用、油封合理选配、油封合理安装、油封合理维修等方面,探讨预防油封早期失效而泄漏的方法。5.1注意油封的制作(1)发动机的合理运用。按原厂规定的行驶里程(如5000公里)及时更换机油和机油滤清器,必要时清洗油底壳,防止金属屑和其它杂质进入油封密封油膜,造成颗粒磨损,破坏密封油膜;经常检查和清洗PCV阀,确保曲轴箱强制通风畅通,避免曲轴箱内压升高而破坏密封油膜;经常检查发动机冷却系统的工作状况,避免发动机过热而导致油封(特别是密封唇)散热不良,温度过高;经常检查机油的油量和油质,及时补加、更换和堵漏,保持正常的工作油量,避免发动机少油或多油或变质油运行。(2)变速器的合理运用。严格按原厂规定的周期更换变速器油,一般周期为2-4年或6-8公里,防止金属屑进入油封密封油膜,造成颗粒磨损,破坏密封油膜;经常检查和清洗变速器的通气孔,保持变速器内压和大气压平衡。经常检查变速器油的油量、油质和漏油,及时补加、更换和堵漏,保持正常的工作油量,避免变速器缺油或多油或变质油运行。(3)压缩机的合理运用。及时排除离合器间隙过大、压盘(盖)翘曲变形、压缩机过载运行(制冷剂过多、系统温度和压力过高)等故障,防止电磁离合器打滑而使油封密封唇过热而硬化变形;杜绝“冷冻机油影响制冷效果,应尽可能少加冷冻机油”的不良作法,严格按标准添加或补加冷冻机油,确保油封的正常润滑、密封油膜形成和维持。此外,主减速器、驱动桥等总成的合理运用与变速器的大同小异。旋转轴的加工精度,例如偏心度、尺寸偏差、不圆度、表面粗糙度等,要求在使用过程中保持在要求的公差范围之内。5.2盈量和润滑控制油封密封唇内径、油封外径、油封外圈宽度是油封选配必须考虑的三个主要参数,要求严格按照汽车原厂标准进行选配。油封密封唇内径选配是确定油封过盈量大小的关键参数,必须严格把关。过盈量过大或过小都会影响密封油膜的形成和维持,以及密封摩擦副的润滑,从而影响到油封的密封性和使用寿命;油封外径与油封座孔也是过盈配合,要求将油封外圈涂上密封胶后能压入油封座孔,能在旋转轴转动时油封不“走外圈”,即油封外圈与油封座孔之间不产生相对运动;此外,还要求油封外圈宽度应与油封座孔宽度相,以保证油封安装牢固。此外,油封的合理选配还要考虑油封的材质,能满足耐油性、耐磨性、耐温性等油封基本性能的要求。5.3油封的安装要从机制上讲,应把好技术关由于油封安装在汽车维修中常被看成一件很简单、技术含量不高的作业而被忽视,所以严重影响到油封的安装质量。因此,油封的合理安装,一要从思想上予以高度重视,例如制订和执行油封安装规程,安排维修技术过得硬的修理工实施油封安装作业等;二要把握好技术关,例如,在安装前必须将旋转轴轴端毛刺去掉、清洁干净,并在油封唇口和旋转轴密封表面涂上少许润滑脂,在油封外圈涂上密封胶,必要时应检查旋转轴的几何形状和表面粗糙度;在安装时必须使用专用压装工具,尽可能一次性压装到位,防止油封外圈歪斜、唇部翻转和扭曲,如果轴端有螺纹应作适当处理,避免划伤唇口;在安装后要按相关标准进行检验,直至合格。5.4油封的更换应遵循“不拆不换,不漏不换”的原则在汽车维修上油封属于易损件。根据汽车维修经验,油封的维修主要是维护(即常说的保养)和更换。一是与油封密切相关的旋转轴和工作介质的维护,同“汽车的合理运用”所述;二是油封的更换应遵循“不拆不换,不漏不换”的维修原则。所谓“不拆不换”是指出于维修的需要拆卸了油封,装配时必须更换油封,例如更换发动机曲轴主轴承或连杆轴承需要拆卸油封等。所谓“不漏不换”是指由于油封自身的原因引起的泄漏量影响到总成的正常工作时,必须更换油封,例如变速器输入输出轴油封漏油等,油封的更换同“