葉鄭穩(wěn)　羊富勇　戶貴云　施中模

（奇瑞汽車股份有限公司）

曲軸油封是發(fā)動機總成上關(guān)鍵的密封元件，其密封效果不良會直接導(dǎo)致潤滑油量減少，影響發(fā)動機的正常運行。

曲軸油封的密封分為兩處，一處為與安裝孔的靜態(tài)密封，一處為與曲軸的動態(tài)密封。靜密封是靠油封外圈橡膠與安裝孔的過盈配合；而與曲軸旋轉(zhuǎn)的動密封則是利用油封唇口的回油溝槽與曲軸的運動匹配，依據(jù)螺旋桿泵油原理將唇口與曲軸間隙中的潤滑油泵回發(fā)動機曲軸箱內(nèi)，來實現(xiàn)密封的。由于是運用泵油原理產(chǎn)生的密封，該動密封只能在油封內(nèi)外壓差小于一定值時適用。

某汽油發(fā)動機曲軸前油封裝配在機油泵總成(油封座)上，其泵(見圖1)由曲軸直接驅(qū)動，工作時泵高壓油腔內(nèi)的少許潤滑油會從內(nèi)轉(zhuǎn)子端面處泄漏到曲軸處。該處需要前油封進行密封阻擋，以使?jié)櫥土骰匕l(fā)動機曲軸箱內(nèi)(見圖2)。該款發(fā)動機在整車以及AUDIT試驗中出現(xiàn)了多例曲軸前油封脫落漏油事件(見圖3)，同時發(fā)現(xiàn)油封被磨損。該問題為前油封脫落出安裝孔引起，即油封外圈靜密封發(fā)生問題。在進行多方面的排查分析后，我們鎖定發(fā)生問題的根本原因，并有針對性地進行改進，成功解決了該汽油機的曲軸前油封脫落漏油問題。

原因排查分析

從曲軸前油封壓裝工藝來分析，密封唇口由工裝(表面涂油)導(dǎo)向，外圈涂油壓裝至機油泵油封孔內(nèi)，壓裝到位時有保壓時間，防止油封回彈。壓裝工序能保證油封外圈無擦傷、切邊，油封偏斜程度裝配不超差。整個裝配工藝及裝配效果良好，加上問題都是發(fā)生在發(fā)動機運行過程中，可以首先排除裝配原因。

進一步使用魚刺圖進行原因分析，重點排查油封拔脫力的相關(guān)尺寸符合性和制造過程能力、油封受力情況，得出如下結(jié)論：

1.油封拔脫力

(1)油封外圈直徑、圓度 過盈量大小是影響油封拔脫力的重要因素，油封外圈直徑、圓度是影響過盈量大小的因素。對失效零件同批次油封外圈直徑進行測量分析，尺寸公差控制在+0.1～+0.15之間(外徑公差設(shè)計要求0～+0.15mm)，過程能力Cpk=1.68滿足要求。油封外圈橡膠由模具成形，一致性能夠保證，并對油封進行投影測量分析滿足要求。

(2)油封安裝孔直徑、圓柱度 油封安裝孔直徑是影響過盈量大小的另一因素，對失效油封的安裝孔直徑進行測量，公差控制在+0.015～+0.029之間(直徑公差設(shè)計要求0～+0.039mm)，同批次零件的油封安裝孔直徑測量分析，過程能力Cpk=1.74滿足要求。對失效油封的安裝孔直徑采用多個截面測量評價其圓柱度，測量結(jié)果滿足圓柱度0.01mm的要求。

(3)油封安裝孔粗糙度 油封安裝孔內(nèi)壁的粗糙程度是油封拔脫力的另一重要因素，內(nèi)壁過于光滑易致使油封脫落，該孔粗糙度設(shè)計要求Ra1.6～3.2。對失效油封的安裝孔粗糙度進行測量，Ra2.14符合油封裝配要求;對同批次零件的油封安裝孔粗糙度測量分析，過程能力Cpk=3.90滿足要求。

以上三項調(diào)查后初步確認(rèn)制造過程無異常，但設(shè)計參數(shù)是否合適需進一步排查確認(rèn)。

2.曲軸箱壓力

發(fā)動機運行時，由于高溫燃燒氣體會通過活塞環(huán)進入曲軸箱，導(dǎo)致曲軸箱的壓力升高。過高的壓力會破壞曲軸箱的密封，甚至讓油封脫落。

對故障發(fā)動機分別進行臺架及整車復(fù)測試驗，重新壓裝曲軸前油封進行全速全負(fù)荷臺架試驗，運行過程中監(jiān)控發(fā)動機曲軸箱壓力情況。復(fù)測結(jié)果為：曲軸前油封再次脫落磨損，從試驗開始到油封脫落的整個過程中，曲軸箱內(nèi)壓力波動，一直處于負(fù)壓(見圖4)。同時分別進行整車怠速、原地800～2500r/min以及道路40～60km/h情況下驗證監(jiān)控曲軸箱壓力，在不同試驗情況下，曲軸箱壓力一致處于負(fù)壓。試驗證明曲軸箱壓力正常，非油封脫落的原因。

3. 油封內(nèi)側(cè)潤滑油壓力

從前油封的密封來看，還密封了一部分機油泵轉(zhuǎn)子處的泄漏潤滑油，該處的壓力達到何種程度，是需要進行監(jiān)控的。為了監(jiān)控到油封內(nèi)側(cè)潤滑油形成的壓力，在故障機油泵上制作管道(見圖5)，一端伸入到曲軸前油封內(nèi)側(cè)，并固定在機油泵上，一端在試驗時連接傳感器收集油封內(nèi)側(cè)壓力數(shù)據(jù)。

重新裝配曲軸前油封進行全速全負(fù)荷臺架試驗，試驗中曲軸前油封再次脫落漏油，油封表面磨損，整個試驗過程傳感器監(jiān)控到油封內(nèi)側(cè)壓力大于30kPa。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4500r/min時，油封內(nèi)側(cè)壓力達到Z大值55.1kPa;而當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為5750r/min?，因油封漏油維持在51kPa左右(見圖6)。拆卸機油泵測量內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙，發(fā)現(xiàn)間隙過大(0.2～0.25mm)。

從試驗結(jié)果來看，復(fù)試過程中故障復(fù)現(xiàn)，問題出在機油泵轉(zhuǎn)子處端面泄漏引起的潤滑油壓力高。從設(shè)計檢查來看，機油泵轉(zhuǎn)子的回流通道由于設(shè)計尺寸原因通流截面有限，工作時若發(fā)生嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子泄漏會形成高壓，進而引起油封脫落。進一步對故障機油泵進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)所用的機油泵均存在內(nèi)轉(zhuǎn)子端面磨損問題(見圖7)，而外轉(zhuǎn)子均完好未磨損。問題比較奇怪，但外轉(zhuǎn)子完好的現(xiàn)象排除了清潔度問題。

問題原因鎖定

綜上分析，油封裝配、油封關(guān)鍵尺寸、油封安裝孔的關(guān)鍵尺寸以及發(fā)動機曲軸箱壓力均不是該發(fā)動機曲軸前油封脫落漏油的原因。根本原因是內(nèi)轉(zhuǎn)子處端面間隙磨損過大，引起泄漏量增多;同時由于回流通道截面有限，過多的回流潤滑油引起油封內(nèi)側(cè)的壓力升高，Z終致使油封脫落漏油。

對于機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與腔體的磨損分析，有如下幾點原因：

， 機油泵自身內(nèi)轉(zhuǎn)子與腔體的潤滑油量不足，啟動時存在干磨現(xiàn)象。

第二， 首次啟動轉(zhuǎn)速上升過快，在機油泵未充分泵油進行自潤滑時，存在加速過程磨損。

第三， 轉(zhuǎn)子端面間隙過小，在工作過程中油膜厚度不足，導(dǎo)致磨損發(fā)生。

經(jīng)過進一步的調(diào)查可知：

1. 機油泵自身的潤滑油是泵自身帶的，但庫存時間久了以后潤滑油發(fā)生蒸發(fā)，一般要求在發(fā)動機生產(chǎn)過程中對泵補加潤滑油。雖然我司生產(chǎn)線有往油道加注潤滑油的措施，但對油道結(jié)構(gòu)和加注量進行核算發(fā)現(xiàn)，加注的潤滑油量并不能進入泵腔內(nèi)，存在干磨風(fēng)險。

2. 冷啟動測試機、測試電動機升速的條件是發(fā)動機潤滑油的壓強大于70kPa。但我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)備傳感器的標(biāo)定值比實際值高出了10kPa，且壓力并不歸零。

3. 針對內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙小的原因，制作特殊樣件進行試驗，試驗中再次現(xiàn)了早期的失效模式。特制轉(zhuǎn)子間隙在0.01mm左右的機油泵裝配發(fā)動機進行全速全負(fù)荷臺架試驗，試驗中發(fā)動機曲軸箱壓力波動，一直處于負(fù)壓，監(jiān)控到曲軸前油封內(nèi)側(cè)潤滑油壓力漸漸形成。發(fā)動機轉(zhuǎn)速5500r/min，累計運行74h時油封內(nèi)側(cè)壓力已達到51kPa，累計運行104h后油封脫落磨損漏油。脫落漏油情況同失效模式一致，拆檢機油泵磨損情況同失效模式一致。

整改措施驗證改進

綜上所述，對于機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與腔體磨損分析調(diào)查的、第二兩項原因為非要因。工程師在原因分析后，立即進行了整改：在潤滑油收集器處(泵進油口)進行補加潤滑油，對冷試機的傳感器數(shù)據(jù)進行重新標(biāo)定以及調(diào)整，以使正常工作。

其磨損調(diào)查出的第三項原因，確定為曲軸前油封脫落漏油的主要原因：機油泵(油封座)內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙小磨損腔體致使端面間隙過大，引起潤滑油泄漏嚴(yán)重，在油封內(nèi)側(cè)形成高壓導(dǎo)致油封脫落。與產(chǎn)品設(shè)計人員、零件廠商設(shè)計人員進行交流確認(rèn)，機油泵工作時內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙控制在0.02mm以上不會出現(xiàn)相互磨損，機油泵的內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙理論值要求是0.02～0.07mm。

排查機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙，結(jié)果如下：

1. 對自由狀態(tài)的機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙進行檢測，間隙均在0.02～0.03mm范圍內(nèi)，符合要求，但是處于間隙要求下限。

2. 對安裝后(工作時)機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙進行檢測，挑選不同間隙機油泵裝配至機體上，擰緊到產(chǎn)品力矩后測量內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙(見圖8)，并與自由狀態(tài)的端面間隙數(shù)據(jù)進行對比，間隙減少約0.02mm。多次試驗對比分析(見圖9)，機油泵裝配擰緊后內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙變化趨勢一致;驗證表明機油泵在安裝后，殼體存在變形，端面間隙已不滿足間隙設(shè)計要求。

結(jié)語

工程師共同確認(rèn)了臺架試驗及機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙測量驗證的結(jié)論，針對機油泵轉(zhuǎn)子端面間隙進行了改進，評審機油泵總成圖樣相關(guān)尺寸，明確內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙理論值要求在0.04～0.08mm;制作樣件機油泵(間隙約0.04mm)裝機進行200h全速、全負(fù)荷臺架試驗，曲軸前油封內(nèi)側(cè)潤滑油壓力與曲軸箱壓力一致(負(fù)壓)，機油泵轉(zhuǎn)子、腔體無磨損，曲軸前油封脫落漏油問題得以解決。改進措施固化到制造過程中PFD、FMEA、CP和WI控制文件中。

本次問題的解決為油封脫落分析提供了新的思路，為工程師設(shè)計機油泵提供了參考依據(jù)，從而有效避免設(shè)計缺陷的出現(xiàn)。

來源：《汽車制造業(yè)》2015年第19期