曲轴油封概述-论文(DOC)

一种新型的低摩擦油封

摘要：本文介绍了目前汽车发动机油封的种类、作用、结构和性能，主要包含以低摩擦扭矩为切入点介绍了一种新型的低摩擦油封的设计、结构、作用。通过静态泄漏率、动态耐久、低温密封、低摩擦性能、油封安装等方面的试验与其他种类的油封进行对比，介绍了新型易安装低摩擦油封在发动机中的优势。

关键词：低摩擦，油封，低摩擦扭矩，易安装

1.汽车油封的发展与现状

随着汽车技术的发展和排放要求的提高，对于越来越多的汽车零件，降低工作中所产生的摩擦扭矩日益成为节能减排和提高燃油经济性的重要促进因素。目前在市面出现一款新型的低摩擦油封，其低扭矩性能相比市面上大范围运用的弹簧油封和PTFE油封有着大幅的提高，而且相比其它油封的缺点此种新型低摩擦油封进行了很好的优化设计。与传统的弹簧油封相比，摩擦扭矩降低了50%，对于PTFE油封相比，摩擦扭矩更是有大幅降低。这款油封不仅减小径向的截面尺寸、使结构更紧凑，而且材料兼容各种油品，满足高转速高温的要求。

骨架油封是油封的典型代表，一般说的油封即指的是骨架油封。油封的作用一般就是将传动部件中需要润滑的部件与出力部件隔离，不至于让润滑油渗漏。骨架就如同混凝土构件里面的钢筋，起到加强的作用，并使油封能保持形状及张力。

纵观近代动态骨架油封的发展历史，经历了以下历程：弹簧油封，PTFE(聚四氟乙烯)油封，低摩擦油封。

图1 弹簧油封图2 聚四氟乙烯油封弹簧油封（图1）主要靠主密封唇进行密封，通过弹簧的夹紧力以及油封旋转时产生的油膜起到密封作用，主密封唇下部的回油线也能很好的把泄漏出来的机油泵回。此油封的优点是静态密封效果卓越，但是动态密封效果一般。主密封唇会随着使用的时间逐渐磨损，从而影响油封的密封性能。油封密封唇的材料也多种多样，有丁腈橡胶，氢化丁腈，丙烯酸酯，乙烯丙烯酸酯,氟橡胶等。

PTFE（聚四氟乙烯，也称特氟龙）油封（图2）主要靠主密封唇进行密封，通过PTFE材料上加工出的螺旋型泵油线进行密封，通过PTFE材料本身以及设计产生的抱紧力起到密封作用。此油封的优点是动态密封效果优异，但是静态密封效果一般。由于PTFE的摩擦系数相当小，所以轴在工作时对于PTFE材料产生的磨损并不大，但是由于抱轴力和接触面积的影响，油封产生的摩擦扭矩比较大。此油封密封唇材料为聚四氟乙烯，此材料的耐油，耐温性能优越于各类橡胶。此油封的结合有两种形式，一种为金属冲压式，一般以内外骨架冲压的形式把PTFE 密封唇和PTFE防尘唇结合在一起（图3）。另一种结合形式为橡胶模压（图4），一般以乙烯丙烯酸酯和氟橡胶作为连接金属和PTFE的介质，在绑定PTFE密封唇的同时，橡胶也充当为防尘唇的形式，一般为非接触式防尘唇。

图3 金属连接式油封图4橡胶模压油封PTFE的失效形式基本原因由灰尘侵入为主，所以防尘的设计尤为重要，市面上有无纺布防尘的设计（图5）也有用金属轴套的防尘设计(图6)。对于无纺布的防尘设计来说，此设计对灰尘的防止有很好的作用，但是对于泥浆的防御却效果一般。对于金属轴套的防尘设计来说，既降低了工作轴的加工要求，又提供了迷宫式的防尘方式，对于灰尘和泥浆都有着很好的防御作用，而且有利于产品的安装。唯一的缺点就是价格略贵且对安装空间有要求。

图5 无纺布防尘图6 金属轴套防尘随着发动机对于节能减排和燃油经济性要求的日益增强，这对于油封产品也带来了机遇和挑战。为了降低油封工作中所带来的摩擦损失，各大油封供应商都开始开发低摩擦油封。目前市面上的低摩擦油封主要采用类似PTFE形式的设计，使用ACM和FKM材料，通过一定的设计使橡胶成型的密封唇既产生一定的泵油功能又带来比较小的磨损损失（图7）。

图7 类似PTFE唇形结构的油封

2. 新型的低摩擦油封

目前出现一种新型的低摩擦油封，此油封结构参见见图9、图10。

图9 低摩擦油封结构图10 油封骨架形式此油封的外径密封采用橡胶材料，结合简化的骨架设计，可以节省油封的使用空间。外径密封也可以结合使用其它的形式，如全露、半露骨架（图9○1，图10(a)(b)(c)）。双支点的截面设计可以保证即使在轴的偏心和跳动都比较大的情况下，密封唇都能与轴保持一致的接触，油封与轴的接触压力也能保持稳定（图9○2），从而达到抱紧力和低摩擦的平衡。特殊设计的与油封结合在一起的安装特性。不需要特殊的工装（导向套），就可以安装油封。（图9○3）静态的密封环，可以提高油封的气密性（图9○4）。主密封唇的螺旋线，起到回油，泵油的作用（图9○5）。接触式的防唇尘也主密封唇结合在一起，减小了防唇尘对轴的阻力，也提高了防唇尘对轴的随动性能（图9○6）。

2.1新旧油封性能比较

（1）结构比较

对于传统弹簧油封来说，由于弹簧的抱轴力较大，其静态密封性能较好。而动态时由于回油线相对较弱加上主密封唇所产生的泵吸效应不强，随着使用时间的增加和主密封唇的磨损，动态密封性能会越来越弱。对于PTFE油封来说，由于密封机理不同，其动态时的泵油性较弹簧油封有很大的提高。但是由于封油线为螺旋型设计，即使增加了止油突起，静态密封性能还是较弱。因此对于此两种不同的油封在静态和动态时各有优势和弊端。

新型低摩擦油封则很好的平衡了这两种情况（图11）。对于静态密封（图9○4）而言其静态密封圈能起到类似于弹簧油封的作用，在油封静止的情况下提供合适的抱轴力以实现静态密封

图11 新低摩擦油封的结构

（2）静态泄漏率实验比较

我们对不同种类的油封进行同样环境的实验。实验证明，在14KPa的压强和不同的同轴度情况下，新型低摩擦油封的泄漏率相对PTFE和其他低摩擦油封有了很大的提高，满足了每分钟小于5毫升泄漏率的要求（图12）。

图12 泄漏率实验比较

（3）动态耐久实验比较

我们对不同种类的油封进行同样环境的实验：设定试验循环 0.1小时 1500转，无润滑油；

22.9小时6000转，油温150°C,5W20润滑油覆盖1/8轴径高度；1小时静止，无润滑油。轴跳动0.25mm TIR,静态轴孔偏心0.64mm TIR,油封安装倾斜0.25mm TIR.从结果来看，PTFE的耐久时间最长，为2500小时，新型低摩擦油封耐久时间为2000小时，达到了大于规定的1500小时的要求，可见此新型油封的动态密封性能也比较优异（图13）。

图13 密封动态耐久实验比较

（4）低温密封实验比较

对于低温时的动态密封，使用了两种不同轴径但同样材料的油封进行试验。

试验按下列顺序循环：1.5分钟 1500转，油温-37°C无润滑油；4.5分钟1500转，室温,5W20润滑油覆盖1/8轴径高度；换润滑油。轴跳动0.25mm TIR,静态轴孔偏心0.51mm TIR,油封安装倾斜0.25mm TIR.从结果来看，在使用同种橡胶（FKM）的情况下，PTFE油封，弹簧油封及新型低摩擦油封都能达到25个循环的要求，而其他低摩擦油封由于低温下抱轴力损失过大等问题较早的产生泄漏（图14）。

图14 低温密封实验比较

（5）低摩擦性能验证比较

对于低摩擦油封来说降低摩擦扭矩是最关键的，此油封通过独特的设计在保持密封力的情况下最小化抱轴力，使密封唇对轴产生的摩擦扭矩大大降低。以下实验验证了其低摩擦性能，此实验使用了三种不同设计但轴径相同的油封进行试验。试验情况如下：轴转速500-6000rpm, 油温80°C,5W20润滑油覆盖1/3轴径高度,轴跳动0.25mm TIR.从结果来看，新型低摩擦油封的摩擦扭矩低于0.3Nm，在2000转后达到扭矩小于0.25Nm的要求。（图15）

图15 低摩擦性能验证比较

（6）油封安装便利性比较

安装也是油封中很重要的一个环节。安装的简易程度，防错性，是否需要工装都直接关系到油封的使用。而油封的设计直接影响到其安装和使用。新型低摩擦油封通过其独特设计，使油封的装配不需要导向工装，而且不会引起翻唇，大大提高了油封的使用安全性。对于此油封，安装步骤如图 16。安装油封时先把油封装入孔中，然后把轴慢慢推入，轴会首先接触到密封唇的辅助唇，随后沿着辅助唇和主密封唇所形成的形状推动主密封唇进入轴主体。待主唇完全进入后，会在弹力的作用下贴合到轴的密封区域上，以完成装配。总的来说，这种设计能大大简化油封的安装，并能有效防止因安装错误所导致的翻唇情况，免去了特制工装的投入，对于装配来说效果很好。

图16油封安装便利性比较

3.结论

综上所述，新型低摩擦油封通过其独特的设计，在兼顾动态和静态密封的同时，降低了工作中所产生摩擦扭矩，既减小了安装空间又简化了安装的过程。对于降低发动机功耗和节能减排有着很好的效果。

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作者1 : 汪震男同济大学1981年在职研究生工业工程专业

电话139******** 地址长阳路1658弄11号1104室邮编200092

邮箱地址20354384@https://www.wendangku.net/doc/3312244310.html,

作者2 : 徐克林女同济大学工业工程专业导师

A New Type Of Low Torque Dynamic Seals

Tongji 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 dyna mic seals in automotive application. Introduced a new type low torque dynamic sea l from design, structure, function. Compare the static leakage rate, dynamic seal ing ability, low temperature sealing, low torque performance and assemble ability by test, show the advantage and disadvantage of this new type low torque dynamic seal.

Keywords: Low friction, Dynamic seals, Low torque