葉鄭穩　羊富勇　戶貴云　施中模

（奇瑞汽車股份有限公司）

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

曲軸油封的密封分為兩處，一處為與安裝孔的靜態密封，一處為與曲軸的動態密封。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，依據螺旋桿泵油原理將唇口與曲軸間隙中的潤滑油泵回發動機曲軸箱內，來實現密封的。由于是運用泵油原理產生的密封，該動密封只能在油封內外壓差小于一定值時適用。

某汽油發動機曲軸前油封裝配在機油泵總成(油封座)上，其泵(見圖1)由曲軸直接驅動，工作時泵高壓油腔內的少許潤滑油會從內轉子端面處泄漏到曲軸處。該處需要前油封進行密封阻擋，以使潤滑油流回發動機曲軸箱內(見圖2)。該款發動機在整車以及AUDIT試驗中出現了多例曲軸前油封脫落漏油事件(見圖3)，同時發現油封被磨損。該問題為前油封脫落出安裝孔引起，即油封外圈靜密封發生問題。在進行多方面的排查分析后，我們鎖定發生問題的根本原因，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)導向，外圈涂油壓裝至機油泵油封孔內，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，加上問題都是發生在發動機運行過程中，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尺寸符合性和制造過程能力、油封受力情況，得出如下結論：

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 油封安裝孔內壁的粗糙程度是油封拔脫力的另一重要因素，內壁過于光滑易致使油封脫落，該孔粗糙度設計要求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。

以上三項調查后初步確認制造過程無異常，但設計參數是否合適需進一步排查確認。

2.曲軸箱壓力

發動機運行時，由于高溫燃燒氣體會通過活塞環進入曲軸箱，導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。

對故障發動機分別進行臺架及整車復測試驗，重新壓裝曲軸前油封進行全速全負荷臺架試驗，運行過程中監控發動機曲軸箱壓力情況。復測結果為：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，曲軸箱內壓力波動，一直處于負壓(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情況下驗證監控曲軸箱壓力，在不同試驗情況下，曲軸箱壓力一致處于負壓。試驗證明曲軸箱壓力正常，非油封脫落的原因。

3. 油封內側潤滑油壓力

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，是需要進行監控的。為了監控到油封內側潤滑油形成的壓力，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側，并固定在機油泵上，一端在試驗時連接傳感器收集油封內側壓力數據。

重新裝配曲軸前油封進行全速全負荷臺架試驗，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控到油封內側壓力大于30kPa。當發動機轉速為4500r/min時，油封內側壓力達到Z大值55.1kPa;而當發動機轉速為5750r/min?，因油封漏油維持在51kPa左右(見圖6)。拆卸機油泵測量內轉子端面間隙，發現間隙過大(0.2～0.25mm)。

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

問題原因鎖定

綜上分析，油封裝配、油封關鍵尺寸、油封安裝孔的關鍵尺寸以及發動機曲軸箱壓力均不是該發動機曲軸前油封脫落漏油的原因。根本原因是內轉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側的壓力升高，Z終致使油封脫落漏油。

對于機油泵內轉子與腔體的磨損分析，有如下幾點原因：

， 機油泵自身內轉子與腔體的潤滑油量不足，啟動時存在干磨現象。

第二， 首次啟動轉速上升過快，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， 轉子端面間隙過小，在工作過程中油膜厚度不足，導致磨損發生。

經過進一步的調查可知：

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生蒸發，一般要求在發動機生產過程中對泵補加潤滑油。雖然我司生產線有往油道加注潤滑油的措施，但對油道結構和加注量進行核算發現，加注的潤滑油量并不能進入泵腔內，存在干磨風險。

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

3. 針對內轉子端面間隙小的原因，制作特殊樣件進行試驗，試驗中再次現了早期的失效模式。特制轉子間隙在0.01mm左右的機油泵裝配發動機進行全速全負荷臺架試驗，試驗中發動機曲軸箱壓力波動，一直處于負壓，監控到曲軸前油封內側潤滑油壓力漸漸形成。發動機轉速5500r/min，累計運行74h時油封內側壓力已達到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，對于機油泵內轉子與腔體磨損分析調查的、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據進行重新標定以及調整，以使正常工作。

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

排查機油泵內轉子端面間隙，結果如下：

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

2. 對安裝后(工作時)機油泵內轉子端面間隙進行檢測，挑選不同間隙機油泵裝配至機體上，擰緊到產品力矩后測量內轉子端面間隙(見圖8)，并與自由狀態的端面間隙數據進行對比，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轉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計要求。

結語

工程師共同確認了臺架試驗及機油泵內轉子端面間隙測量驗證的結論，針對機油泵轉子端面間隙進行了改進，評審機油泵總成圖樣相關尺寸，明確內轉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、全負荷臺架試驗，曲軸前油封內側潤滑油壓力與曲軸箱壓力一致(負壓)，機油泵轉子、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，為工程師設計機油泵提供了參考依據，從而有效避免設計缺陷的出現。

來源：《汽車制造業》2015年第19期