变速器输入轴油封漏油机理及改进研究

潘江锋

关键词：汽车；变速器；油封；漏油；分析及改进

中图分类号：U463.21 文献标识码：A

0 引言

近年来，随着汽车行业高速发展，消费者对汽车品质的要求也随之逐步提高，变速器作为车辆传动系统中的重要零部件之一，关系到车辆整体品质的表现。而变速器油封漏油问题是变速器常见的失效模式之一，油封漏油会使变速器壳体内润滑油减少，导致齿轮及轴承润滑不良，易造成异响或异常磨损，甚至变速器损坏等问题。其已成为影响整车品质的一个重点问题，因此，在变速器前期开发中如何避免油封漏油问题至关重要。

1 某汽车变速器输入轴油封漏油现状

1.1 某变速器结构及油封工作原理

某汽车变速器为前置前驱结构（图1），主要由壳体部分、离合分离系统、换挡操纵机构、齿轴、集成主减速器、同步器系统以及油封等部件组成[1]。车辆起动后，由发动机输入动力，经过变速器的输入轴，各挡位齿轮及主减速器将动力传递给驱动轴，由驱动轴带动车辆，以此来驱动车辆进行前进、后退等操作。其中，挡位齿轮及轴承的转动工作中需要润滑油进行润滑，而输入轴油封及差速器油封则是起到对润滑油的封油作用，保证壳体内的润滑油不泄漏。

油封是封油的机械元件，变速器油封一般是指骨架油封，包含了金属骨架、油封弹簧等部件（图2a）。其主唇与旋转轴之间存在一条线状接触带，此接触带会形成一层非常薄的油膜，油膜既能将主唇与旋转轴之间因相对运动产生的摩擦热带走，又能阻止润滑油的流出形成密封，油膜的存在是油封密封的充分必要条件[2]。在液体表面张力的作用下，油膜的刚度恰好使油膜与空气接触端形成一个新月面，防止了工作介质的泄漏，从而实现旋转轴的密封（图2b）。油封的密封能力，取决于密封面油膜的厚度，厚度过大，油封泄漏；油膜过小，可能发生干摩擦，引起油封和轴的磨损；密封唇与轴之间没有油膜，则易引起油封发热、磨损，导致漏油[3]。

1.2 某汽车变速器输入轴油封漏油问题描述

一款变速器的开发需要经历产品策划与定义、产品设计、产品验证和投产准备等阶段。其中，产品验证是验证前期产品设计开发各项性能指标是否满足要求的重要节点，也是主要发现问题的主要阶段。

本文阐述的某变速器输入轴油封漏油是在产品验证阶段的整车可靠性试验中发现。车辆试验后有类似离合器摩擦片烧焦味道的情况，且车辆停车后，在地上有明显油迹。检查发现，发动机与变速器连接处有漏油痕迹（图3a），拆下变速器观察到变速器前壳体内有烧焦情况，且腔体内有大量油迹（图3b）。油迹从变速器输入轴端流出，为变速器输入轴油封漏油导致，其中失效里程为497 km。

2 某汽车变速器输入轴油封漏油机理及分析

2.1 输入轴油封漏油分析

2.1.1 宏观分析

（1）变速器输入轴油封失效为497 km，为短里程失效。对变速器清洗后，变速器前壳体无开裂等异常现象，排除是壳体开裂等原因引起的漏油问题。

（2）检测发现漏油产生于变速器输入轴油封和轴配合处（图4a），漏油处的油封唇口存在由内向外翻转现象，翻转处的油封唇口和防尘唇口均存在严重变形情况（图4b）。

2.1.2 显微镜分析

经过对故障油封唇口清洗后，使用显微镜对其唇口进行分析，以确认其失效的机理。分析结果如下。

（1） 主唇局部翻转， 翻转处主唇、防尘唇均严重变形（图5a），且翻转处骨架弹簧有磨损痕迹（图5b）。

（2）翻转的油封唇口和防尘唇口唇尖均未见磨损痕迹（图5c），未翻转的油封唇口和防尘唇口唇尖均有磨损痕迹（图5d）。

2.1.3 输入轴油封漏油失效原因小结

根据上述分析可知，输入轴油封漏油是由于输入轴油封唇口局部翻转，使唇口和轴的接触异常，油从翻唇位置漏出导致。

2.2 输入轴油封漏油机理

故障件油封唇口的位置A 处（图6a）有明显的变形翻转。在变速器运转工作过程中，齿轮油在油封唇口的A 处与高速旋转的输入轴间无法形成油膜，使齿轮油在变速器内部的气压作用下，从A 处出现向外泄漏的情况（图6b），导致了变速器漏油的故障。

2.3 输入轴油封唇口翻转的形成分析

结合油封翻转失效机理以及对变速器装配现场调查发现，油封翻转产生在变速器前、后壳体总成合箱工序，其失效的过程如下。

（1）变速器装配过程中，先将齿轴、差速器及拨叉等内部零件装配到后壳体上，而输入轴油封等零件则装配到前壳体上。然后会将前壳体总成（图7a）和后壳体总成（图7b）进行合箱装配，其合箱工序常用手工合箱或设备自动合箱，随着自动化水平的提升，目前厂家较多采用设备自动合箱方式。设备自动合箱分为上工装和下工装。其中，上工装夹紧前壳体总成，下工装夹紧后壳体总成，然后前壳体总成通过驱动电机由上至下向后壳体总成移动并完成合箱工作。

（2）在合箱的过程中，前壳体总成中的油封需要穿过后壳体总成中的输入轴花键位置、过渡倒角位置，并最终达到轴颈油封安装位（图8）。在此过程中，由于合箱设备的定位销磨损，定位销孔尺寸偏差，零件尺寸偏差、合轴机上/ 下工装不同轴等因素的影响，无法有效保证油封和输入轴的同轴度。当两者出现不同轴而偏心的情况下（图9），油封穿过输入轴过渡倒角处时（图10a），油封唇口极易被输入轴过渡倒角处撞翻（图10b），形成油封唇口翻转故障[4]。

综上，油封唇口翻转是在变速器装配前、后壳体总成合箱工序，油封与输入轴出现了不同轴的情况。油封穿过输入轴过渡倒角处时，油封唇口极易被输入轴过渡倒角处撞翻，形成了油封唇口翻转故障。

3 输入轴油封漏油改进方案及措施验证

3.1 防止油封唇口翻转的改进方案

（1）针对油封唇口翻唇故障，以往常用的解决方法是优化合箱工艺，降低合箱速度，涂油脂增加输入轴与油封接触时的摩擦力等措施，但是目前合箱的装配工艺、工装以及零件制造精度等环节很难完全保证油封和输入轴在合箱过程中的同轴度，无法完全避免油封唇口穿过输入轴过渡倒角处撞翻形成翻唇故障的情况，通过工艺优化的方案很难完全根除。

因此，本文提出在油封唇口通过输入轴过渡倒角前，充分利用变速器本体上输入轴上的轴承座与前壳体上的轴承的定位导正作用（图11），轴承先装配结合保证油封与输入轴的同轴度后，油封唇口再穿过输入轴过渡倒角处（图12），这样利用变速器自身结构的定位导正作用，保证输入轴与油封的同轴度，这样可以有效避免输入轴过渡倒角处撞翻油封唇口的情况出现。

（2）针对上述的设计解决方案，具体的改进方案为缩短输入轴油封挡长度，由19.3 mm 更改为13.7 mm，确保装配合箱时，轴承结合3.0 mm 后，油封唇口再穿过输入轴过渡倒角处，这时轴承已起到导向作用（图13）。油封与输入轴同轴度得到保证后，油封唇口才通过输入轴的倒角位置，这样就可以有效避免油封唇口翻边问题。

3.2 措施验证

通过目视检查以及变速器沉水试验，跟踪改进后的100台变速器前、后壳体的正常合箱工艺过程，未发现输入轴油封有翻唇故障，在变速器沉水试验中也没有发现输入轴油封处有泄漏情况。另外，同时选取了3 台改进后的变速器总成进行总成耐久台架试验[5]，评估油封耐久性能，其试验完成后未发现有输入轴油封漏油以及油封唇口异常磨损情况。综上，说明该利用变速器本身结构的导正方案措施有效。

4 结束语

（1）变速器输入轴油封唇口局部翻转，唇口和轴的接触异常导致了变速器的漏油故障。

（2）油封唇口翻转是在变速器装配前、后壳体总成合箱工序，油封与输入轴出现不同轴的情况下，油封穿过输入轴过渡倒角处时，油封唇口极易被输入轴过渡倒角处撞翻，形成了油封唇口翻转故障。

（3）利用变速器本体输入轴上的轴承座与前壳体上的轴承的定位导正作用，轴承先装配结合保证油封与输入轴的同轴度后，油封唇口再穿过输入轴过渡倒角处，这样可以有效避免输入轴过渡倒角处撞翻油封唇口的情况出现。

（4）随着新能源汽车的发展，无论是传统手动变速器，还是新能源的减速器或者电驱动桥，均需要油封对输入轴进行密封，故减速器在开发过程中同样可以采用本文案例中的轴承导正定位作用。保证输入轴与油封同轴度后，油封唇口才穿过输入轴倒角处，这样可以避免在装配过程中出现输入轴倒角撞翻油封唇口导致漏油的故障，提高工艺容错率，以达到提高汽车性能和使用寿命的目的。