双支点柔性截面结构的发动机曲轴油封研究及应用

尚星宇 郑国世 李玉松 徐海洋 韩晶 蔡惠珍

摘要：本文介绍了双支点柔性截面结构的发动机曲轴油封研究及应用成果。发动机曲轴油封制造商辉门公司研发出一款双支点柔性截面结构的MICROTORQ发动机曲轴油封，可以有效地解决当前发动机曲轴油封面临的碳化、灰尘进入、安装损坏等失效问题，鉴于该油封尚未全面应用到国内发动机中，本文针对MICROTORQ油封，从特征、试验等方面进行详细研究和分析，为国内发动机的新开发以及当前现有发动机的导入应用提供借鉴和参考。

Abstract： This thesis introduces the research and application result of the engine crankshaft oil seal with double fulcrum flexible section structure. The supplier FM developed a microtorq oil seal with double fulcrum flexible section structure， which could solve the problem of carbonization， dust inlet， installation damage， ect. As this part haven’t been used in all engine in our native country， this thesis summary the research and analysis about the character， test， and other sections， aiming to providing the reference for the engine manufacture.

关键词：发动机曲轴油封;油封失效;应用研究

Key words： engine crankshaft oil seal;oil seal failure;application research

中图分类号：U464.13                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0007-02

0  引言

油封失效导致的机油渗漏，已成为引发客户抱怨的原因之一。经过调查分析，目前发动机曲轴油封的主要失效模式为碳化、灰尘进入、安装损坏等，国内外油封制造商以及发动机制造商一直在不断探索研发低摩擦、高效防尘、安装便利的曲轴油封，从而提高油封的可靠性和耐久性。

1  背景介绍

针对发动机曲轴油封密封性能要求的不断提高，以及长期困扰发动机制造商的曲轴油封失效问题，油封制造商辉门公司创新性的开发出一款双支点柔性截面结构的MICROTORQ油封，该油封采用新的设计思路和新的材料，在摩擦、防尘、安装等方面，与传统油封相比表现更出色。

2  研究分析

2.1 MICROTORQ油封研究

MICROTORQ油封采用双支点柔性截面结构的设计思路，从油封结构进行了全新的设计，油封材料也重新选择，以下内容将从油封结构、材料两方面进行研究分析。

2.1.1 MICROTORQ油封结构分析

为提高发动机曲轴油封密封性能的可靠性和耐久性，MICROTORQ油封从整体到局部均进行全新设计，MICROTORQ油封结构如图1所示。

MICROTORQ油封金属骨架采用低碳钢冲压成型，主要负责支撑整个油封结构，外侧为橡胶外圈提供模压面，内侧为油封密封唇提供模压面，整个金属骨架起到支撑连接作用。

MICROTORQ油封采用双支点柔性结构设计，油封在自然状态下，油封密封唇向外自然伸展扩张，当油封安装到发动机曲轴上后，油封唇与油封骨架之间的连接桥发生变形，变形过程中两个端点均发生变形，这就是双支点柔性结构的原理，该结构设计可以确保油封密封唇与曲轴紧密贴合，并且接触摩擦受力均匀分布。

MICROTORQ油封双支点柔性结构最重要的是金属骨架与密封唇之间的连接桥，油封密封唇随着曲轴的径向跳动而发生弹性跳动，连接桥两端双支点也随之发生动态弹性变性，MICROTORQ油封在连接桥上设计有加强筋，间隔布置在连接桥外侧，目的是为了提高连接桥的耐久性和可靠性。

MICROTORQ油封密封唇的回油线采用切割技术，3条回油线旋转方向与曲轴旋转方向相反，可高效地将回油槽内的机油，泵回到发动机内部。通过实验研究，MICROTORQ油封采用3条密封线，推力可达到3MP，泵油完全可以满足柴油机和汽油机的曲轴密封要求。

针对油封失效，发动机制造商经过调查研究，发现60%的失效是由于灰尘进入导致的密封唇的回油槽被填满。针对油封防尘功能，MICROTORQ油封设计有主防尘唇和副防尘唇结构，主防尘唇的设计与传统油封的防尘唇相似，可以阻止80～90%的灰尘进入油封内部，副防尘唇设计在油封密封唇末端，副防尘唇跟随油封密封唇動态跳动紧贴合在曲轴表面，阻止灰尘进入密封唇回油槽内。

对于油封安装过程中的油封翻唇、密封唇损伤等损坏失效，MICROTORQ油封在连接桥顶端设计一个导向环，油封在安装过程中可以借助此结构快速被推压到曲轴外径，同时便于售后拆装，同时此结构可以避免安装过程中翻唇带来的失效。

2.1.2 MICROTORQ油封材料分析

MICROTORQ油封采用了材料FKM（氟橡胶），氟橡胶与传统油封材料PTFE（聚四氟乙烯）相比，各有优劣势，MICROTORQ油封对材料重新选型，对比分析了材料，选择氟橡胶主要有两方面的考虑。如表1所示。

2.2 MICROTORQ油封优势

MICROTORQ油封的最重要的创新点是双支点柔性截面设计，油封结构设计、材料重新选型对油封的整体耐久性、可靠性方面有很大的提高，以下从摩擦力、密封性、防尘性、环境适应性等方面进行详细分析并介绍MICROTORQ油封的优势。

2.2.1 低摩擦力

MICROTORQ油封采用双支点柔性截面设计，在发动机所有的运转工况内，密封唇与曲轴圆周面始终保持均匀的密封接触，并且降低接触力，以降低系统的整体摩擦损失，MICROTORQ油封与曲轴之间的接触力为18.6N左右，与传统油封相比降低80%，摩擦损耗也随之降低80%，台架试验研究结果是，每台发动机的CO2减排达到1.5g/km。

2.2.2 稳定密封性

发动机在工作状态下，曲轴在实际运转过程中并不是以一个非常稳定的同心圆进行运动，在曲轴的运转过程中会存在频繁的摆跳，MICROTORQ油封双支点结构确保油封密封唇与轴套紧密接触，且MICROTORQ油封采用氟橡胶，弹性比传统油封聚四氟乙烯材料更佳。

2.2.3 高效防尘性

MICROTORQ油封在密封唇的末端增加了一个副防尘唇，副防尘唇随密封唇紧贴合在曲轴上，这对于油封的防尘效果有很大的提升，可以有力的阻止从主防尘唇逃逸过去的灰尘。

2.2.4 复杂环境适应性

发动机在工作运转中，曲轴箱会产生一些正负压，MICROTORQ油封的结构可以有效地抵抗曲轴箱的正负压变化。通过试验研究，并得出结论，MICROTORQ油封可承受14kPa的正负压变化。

3  试验验证

3.1 零件试验

寿命试验、灰尘试验是比较重要且苛刻的试验，这两项试验主要是验证油封的耐久性和可靠性，每项试验要求随即抽取3个油封进行试验，MICROTORQ油封与传统PTFE油封背靠背实验对比结果显示，MICROTORQ油封性能表现更佳，试验结果如表2所示。

3.2 台架试验

发动机台架试验是对MICROTORQ油封性能在投入市场前最好的验证方式，因此台架试验要模拟发动机在终端客户的实际工况，为了模拟发动机在终端客户最恶劣的工况，发动机试验大纲规定试验采用SLT5试验标准（评估发动机零部件在极端热负荷和最大机械负荷下强度的试验）。

针对考核油封的台架试验，试验要求随机抽取3个零件，每个零件试验时间不少于500h，油封泄露水平不高于一级水平（即油封與曲轴接触面仅存在细微油环），发动机台架试验可以同时验证油封设计、动态密封、摩擦受力等性能表现，在多项影响因素叠加的情况下充分验证MICROTORQ油封性能的综合表现。台架试验结果显示随机抽取的3个MICROTORQ油封均顺利通过500小时试验。

3.3 道路试验

国内某款发动机装配了MICROTORQ曲轴油封，已经完成了道路试验138万公里的试验验证，未出现油封失效。并且已开始小批量投放市场安装有MICROTORQ油封的发动机，没有售后失效反馈。后续该款发动机将增加批量投放市场安装有MICROTORQ油封的发动机，并且持续跟踪该油封售后质量表现情况。

4  结论

本文针对双支点柔性截面结构的MICROTORQ油封，从结构特征、材料选型方面进行了深入研究分析，并对MICROTORQ油封所表现出来的优势进行研究分析，研究结果表明MICROTORQ油封与传统的PTFE油封相比，具有更好的通过零件实验高低摩擦、高效防尘、安装便利等优势，通过零件实验、台架试验和道路试验，实验数据进一步验证了分析的正确性。

参考文献：

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