低摩擦轴向唇形油封的开发

减小曲轴油封的摩擦力矩可以提高轻型车辆发动机的燃油效率。轻型车辆发动机的曲轴一般采用弹簧径向氟橡胶唇形油封，但是公交车和卡车发动机的曲轴广泛采用轴向硅橡胶唇形油封。轴向机油油封的主唇负荷小、力矩小、可靠性高。在曲轴转动时，轴向唇形油封可持久地保证油封唇和抛油环之间不受污染，因此使用寿命长。将轴向唇形油封应用于轻型车辆发动机，可以实现发动机的低摩擦和高可靠性。在曲轴高速转动时，传统轴向油封的抛油环会有轻微的机油泄漏。为解决该问题，开发了能防止机油泄漏的新型抛油环。实际观察了机油泄漏情况并评估了油封唇对抛油环的跟随性。评估证实，在曲轴高速转动时，油封唇和抛油环之间的间隙相对较小。新开发的轴向唇形油封的摩擦力矩比传统的径向唇形油封小60%。该开发适用于轻型车辆发动机的轴向唇形油封，并具有低摩擦和高可靠性的特点。

降低发动机部件的摩擦损失以提高车辆的燃油经济性 ，是发动机未来发展的主要趋势之一。发动机后端的曲轴油封可以最大程度降低轻型车辆摩擦损失。如果发动机后端的曲轴油封泄漏机油 ，会导致发动机部件润滑不足或离合器打滑 ，造成致命的事故。NOK公司开发了1种能降低摩擦力矩的油封 ，同时该油封的可靠性更高 ，使用寿命更长。

图1为传统型油封和新开发油封的结构对比示意图。新开发油封的唇形材料改为氟橡胶 ，以提高油封的耐热性和耐久性。油封的防尘部分包括防尘唇和非接触型中间唇。采用非接触型中间唇取代了原先的纤维织物 ，从而降低了摩擦。中间唇的突出部分可以提高其在灰尘条件下的耐久性。这种结构已广泛应用于传统型的径向橡胶唇型油封。油封主唇的空气侧设计有加强筋 ，可提高油封的稳定性 ，在曲轴转动时可增强其防止机油泄漏的能力。

图1 轴向唇形密封

如图2所示 ，传统的抛油环有4个螺旋槽 ，以提高密封唇滑动区域的泵吸效应。新开发的抛油环有一系列凹槽 ，与传统抛油环相比 ，表面上几乎没有平面区域。凹槽非常浅且足够窄 ，可以防止密封唇和凹槽之间发生静态泄漏。凹槽数量的增加 ，提高了泵吸效应 ，从而提高了密封性能。

图2 抛油环槽的表面轮廓

在试验过程中 ，对开发的油封和标准的径向油封的摩擦力矩分别进行了测量 ，两者曲轴直径相同 ，测量条件如表1所示 ，测量结果如图3所示。在各种转速条件下 ，新开发的油封的摩擦力矩低于传统的径向油封 ，相对传统径向油封摩擦力矩下降约60%。即使在8 000 r/min的转速下 ，新型油封的密封性能也不存在问题。

试验验证了传统抛油环和新型抛油环在由曲轴高速旋转时的密封性能 ，试验条件及结果分别如表2与表3所示。同时 ，对传统抛油环进行了试验。在过盈量为1.7 mm 和2.5 mm 条件下 ，可以观察到主唇的空气侧有轻微的机油液滴泄漏。而在新型抛油环的试验过程中 ，在任何过盈量条件下都没有发生机油液滴泄漏。

表1 力矩测量的试验条件

图3 力矩比较

表2 密封性能验证的试验条件

表3 密封性能验证的试验结果

试验采用由水晶玻璃制成的抛油环 ，直接观察油封的主唇 ，以确定在8 000 r/min转速下发生轻微泄漏的原因。观察仪器和结果如图4所示。机油液滴从滑动区域飞溅到主唇的空气侧 ，从而发生泄漏。在密封性能试验验证后 ，观察到了泄漏。机油液滴从滑动区域飞溅到主唇的空气侧 ，顺着轴旋转的方向 ，沿着密封唇表面向空气侧流动。研究表明 ，位于主唇空气侧的筋聚集流动的液滴后 ，将其返回滑动区域。在机油到达滑动表面后 ，在泵吸效应作用下返回到油侧。在设计主唇空气侧的筋时 ，要防止其与抛油环接触 ，以免增加摩擦。

图4 传统四凹槽抛油环泄漏的观察

研究进一步测量了主唇对抛油环表面的跟随性。测量仪器如图5所示。当轴旋转的时候 ，利用部分切割的油封来测量主唇的位移。测量条件如表4所示。测量在室温下进行 ，所用的机油在室温条件下其动黏度等于牌号0W-20机油在120 ℃时的动黏度。图6以案例的形式给出了开发的抛油环的唇位移测量结果。当转速为6 000 r/min时 ，位移波与转速为10 r/min时的位移波走向相同。以转速为10 r/min时的位移为基准 ，将间隙定义为每一曲轴转速下位移的增量。图7对比了新开发的抛油环与传统抛油环的试验结果 ，两者间隙都随着曲轴转速的提高而增大 ，随着唇过盈量的增大而减小。在不同的曲轴转速条件下 ，传统抛油环的间隙都大于开发的抛油环的间隙。研究结果表明 ，间隙增大会导致滑动表面发生喷溅泄漏。

图5 间隙测量系统示意图

表4 密封唇跟随性和间隙的试验条件

图6 密封唇位移测量案例

图7 轴转速和间隙之间的关系

为了确定引起间隙差异的原因 ，进行了数值分析。分析条件如表5所示 ，模型和分析结果如图8所示。通过传统的凹槽抛油环模型确定高压区域。压力增大 ，在凹槽后的平面区域上保持高压状态。采用固定间隙模型进行分析 ，高压使主唇位置上升 ，间隙增大。新开发的抛油环没有高压区域 ，与传统抛油环相比 ，持续保持低压状态。通过数值分析可知 ，由于新开发的抛油环没有平面区域 ，所以没有生成高压区域。与传统抛油环相比 ，新开发的抛油环间隙较小。

表5 分析条件

图8 分析结果

试验开发了1种轻型车辆汽油机所用的轴向唇形油封。新开发的轴向唇形油封的摩擦力矩比传统的径向唇形油封小约60%。当曲轴在高速旋转时 ，油封的密封性能可以满足汽油机的要求。通过直接观察曲轴在高速旋转时发生的喷溅泄漏 ，验证了主唇表面空气侧的筋会使密封唇的稳定性更强。当曲轴旋转时 ，测量了表征主唇跟随性的间隙的大小。对比结果显示 ，该间隙是引起喷溅泄漏的原因之一。数值分析结果显示 ，采用系列凹槽提高了油封密封性能。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期

作者：[日]M.INOUE等

整理：高英英 曹杰

编辑：虞展