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(dòng)機(jī)總成上關(guān)鍵的密封元件，其密封效果不良會(huì)直接導(dǎo)致潤(rùn)滑油量減少，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)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(dòng)態(tài)密封。靜密封是靠油封外圈橡膠與安裝孔的過(guò)盈配合；而與曲軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)密封則是利用油封唇口的回油溝槽與曲軸的運(yùn)動(dòng)匹配，依據(jù)螺旋桿泵油原理將唇口與曲軸間隙中的潤(rùn)滑油泵回發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的。由于是運(yùn)用泵油原理產(chǎn)生的密封，該動(dòng)密封只能在油封內(nèi)外壓差小于一定值時(shí)適用。

某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前油封裝配在機(jī)油泵總成(油封座)上，其泵(見圖1)由曲軸直接驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)泵高壓油腔內(nèi)的少許潤(rùn)滑油會(huì)從內(nèi)轉(zhuǎn)子端面處泄漏到曲軸處。該處需要前油封進(jìn)行密封阻擋，以使?jié)櫥土骰匕l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)(見圖2)。該款發(fā)動(dòng)機(jī)在整車以及AUDIT試驗(yàn)中出現(xiàn)了多例曲軸前油封脫落漏油事件(見圖3)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)油封被磨損。該問(wèn)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(wèn)題。在進(jìn)行多方面的排查分析后，我們鎖定發(fā)生問(wèn)題的根本原因，并有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)，成功解決了該汽油機(jī)的曲軸前油封脫落漏油問(wèn)題。

原因排查分析

從曲軸前油封壓裝工藝來(lái)分析，密封唇口由工裝(表面涂油)導(dǎo)向，外圈涂油壓裝至機(jī)油泵油封孔內(nèi)，壓裝到位時(shí)有保壓時(shí)間，防止油封回彈。壓裝工序能保證油封外圈無(wú)擦傷、切邊，油封偏斜程度裝配不超差。整個(gè)裝配工藝及裝配效果良好，加上問(wèn)題都是發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可以首先排除裝配原因。

進(jìn)一步使用魚刺圖進(jìn)行原因分析，重點(diǎn)排查油封拔脫力的相關(guān)尺寸符合性和制造過(guò)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(guò)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(guò)盈量大小的因素。對(duì)失效零件同批次油封外圈直徑進(jìn)行測(cè)量分析，尺寸公差控制在+0.1～+0.15之間(外徑公差設(shè)計(jì)要求0～+0.15mm)，過(guò)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(duì)油封進(jìn)行投影測(cè)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(guò)盈量大小的另一因素，對(duì)失效油封的安裝孔直徑進(jìn)行測(cè)量，公差控制在+0.015～+0.029之間(直徑公差設(shè)計(jì)要求0～+0.039mm)，同批次零件的油封安裝孔直徑測(cè)量分析，過(guò)程能力Cpk=1.74滿足要求。對(duì)失效油封的安裝孔直徑采用多個(gè)截面測(cè)量評(píng)價(jià)其圓柱度，測(cè)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(guò)于光滑易致使油封脫落，該孔粗糙度設(shè)計(jì)要求Ra1.6～3.2。對(duì)失效油封的安裝孔粗糙度進(jìn)行測(cè)量，Ra2.14符合油封裝配要求;對(duì)同批次零件的油封安裝孔粗糙度測(cè)量分析，過(guò)程能力Cpk=3.90滿足要求。

以上三項(xiàng)調(diào)查后初步確認(rèn)制造過(guò)程無(wú)異常，但設(shè)計(jì)參數(shù)是否合適需進(jìn)一步排查確認(rèn)。

2.曲軸箱壓力

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于高溫燃燒氣體會(huì)通過(guò)活塞環(huán)進(jìn)入曲軸箱，導(dǎo)致曲軸箱的壓力升高。過(guò)高的壓力會(huì)破壞曲軸箱的密封，甚至讓油封脫落。

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行臺(tái)架及整車復(fù)測(cè)試驗(yàn)，重新壓裝曲軸前油封進(jìn)行全速全負(fù)荷臺(tái)架試驗(yàn)，運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力情況。復(fù)測(cè)結(jié)果為：曲軸前油封再次脫落磨損，從試驗(yàn)開始到油封脫落的整個(gè)過(guò)程中，曲軸箱內(nèi)壓力波動(dòng)，一直處于負(fù)壓(見圖4)。同時(shí)分別進(jìn)行整車怠速、原地800～2500r/min以及道路40～60km/h情況下驗(yàn)證監(jiān)控曲軸箱壓力，在不同試驗(yàn)情況下，曲軸箱壓力一致處于負(fù)壓。試驗(yàn)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(rùn)滑油壓力

從前油封的密封來(lái)看，還密封了一部分機(jī)油泵轉(zhuǎn)子處的泄漏潤(rùn)滑油，該處的壓力達(dá)到何種程度，是需要進(jìn)行監(jiān)控的。為了監(jiān)控到油封內(nèi)側(cè)潤(rùn)滑油形成的壓力，在故障機(jī)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(jī)油泵上，一端在試驗(yàn)時(shí)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(jìn)行全速全負(fù)荷臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)中曲軸前油封再次脫落漏油，油封表面磨損，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程傳感器監(jiān)控到油封內(nèi)側(cè)壓力大于30kPa。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min時(shí)，油封內(nèi)側(cè)壓力達(dá)到Z大值55.1kPa;而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5750r/min?，因油封漏油維持在51kPa左右(見圖6)。拆卸機(jī)油泵測(cè)量?jī)?nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙，發(fā)現(xiàn)間隙過(guò)大(0.2～0.25mm)。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，復(fù)試過(guò)程中故障復(fù)現(xiàn)，問(wèn)題出在機(jī)油泵轉(zhuǎn)子處端面泄漏引起的潤(rùn)滑油壓力高。從設(shè)計(jì)檢查來(lái)看，機(jī)油泵轉(zhuǎn)子的回流通道由于設(shè)計(jì)尺寸原因通流截面有限，工作時(shí)若發(fā)生嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子泄漏會(huì)形成高壓，進(jìn)而引起油封脫落。進(jìn)一步對(duì)故障機(jī)油泵進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)所用的機(jī)油泵均存在內(nèi)轉(zhuǎn)子端面磨損問(wèn)題(見圖7)，而外轉(zhuǎn)子均完好未磨損。問(wèn)題比較奇怪，但外轉(zhuǎn)子完好的現(xiàn)象排除了清潔度問(wèn)題。

問(wèn)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(dòng)機(jī)曲軸箱壓力均不是該發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)大，引起泄漏量增多;同時(shí)由于回流通道截面有限，過(guò)多的回流潤(rùn)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(duì)于機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與腔體的磨損分析，有如下幾點(diǎn)原因：

， 機(jī)油泵自身內(nèi)轉(zhuǎn)子與腔體的潤(rùn)滑油量不足，啟動(dòng)時(shí)存在干磨現(xiàn)象。

第二， 首次啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升過(guò)快，在機(jī)油泵未充分泵油進(jìn)行自潤(rùn)滑時(shí)，存在加速過(guò)程磨損。

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

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的調(diào)查可知：

1. 機(jī)油泵自身的潤(rùn)滑油是泵自身帶的，但庫(kù)存時(shí)間久了以后潤(rùn)滑油發(fā)生蒸發(fā)，一般要求在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)泵補(bǔ)加潤(rùn)滑油。雖然我司生產(chǎn)線有往油道加注潤(rùn)滑油的措施，但對(duì)油道結(jié)構(gòu)和加注量進(jìn)行核算發(fā)現(xiàn)，加注的潤(rùn)滑油量并不能進(jìn)入泵腔內(nèi)，存在干磨風(fēng)險(xiǎn)。

2. 冷啟動(dòng)測(cè)試機(jī)、測(cè)試電動(dòng)機(jī)升速的條件是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的壓強(qiáng)大于70kPa。但我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)備傳感器的標(biāo)定值比實(shí)際值高出了10kPa，且壓力并不歸零。

3. 針對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙小的原因，制作特殊樣件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)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(jī)油泵裝配發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全速全負(fù)荷臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力波動(dòng)，一直處于負(fù)壓，監(jiān)控到曲軸前油封內(nèi)側(cè)潤(rùn)滑油壓力漸漸形成。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5500r/min，累計(jì)運(yùn)行74h時(shí)油封內(nèi)側(cè)壓力已達(dá)到51kPa，累計(jì)運(yùn)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(jī)油泵磨損情況同失效模式一致。

整改措施驗(yàn)證改進(jìn)

綜上所述，對(duì)于機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與腔體磨損分析調(diào)查的、第二兩項(xiàng)原因?yàn)榉且颉９こ處熢谠蚍治龊螅⒓催M(jìn)行了整改：在潤(rùn)滑油收集器處(泵進(jìn)油口)進(jìn)行補(bǔ)加潤(rùn)滑油，對(duì)冷試機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàng)原因，確定為曲軸前油封脫落漏油的主要原因：機(jī)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(guò)大，引起潤(rùn)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(jì)人員、零件廠商設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交流確認(rèn)，機(jī)油泵工作時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙控制在0.02mm以上不會(huì)出現(xiàn)相互磨損，機(jī)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(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙，結(jié)果如下：

1. 對(duì)自由狀態(tài)的機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)安裝后(工作時(shí))機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙進(jìn)行檢測(cè)，挑選不同間隙機(jī)油泵裝配至機(jī)體上，擰緊到產(chǎn)品力矩后測(cè)量?jī)?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(jìn)行對(duì)比，間隙減少約0.02mm。多次試驗(yàn)對(duì)比分析(見圖9)，機(jī)油泵裝配擰緊后內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙變化趨勢(shì)一致;驗(yàn)證表明機(jī)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(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)

工程師共同確認(rèn)了臺(tái)架試驗(yàn)及機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子端面間隙測(cè)量驗(yàn)證的結(jié)論，針對(duì)機(jī)油泵轉(zhuǎn)子端面間隙進(jìn)行了改進(jìn)，評(píng)審機(jī)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(jī)油泵(間隙約0.04mm)裝機(jī)進(jìn)行200h全速、全負(fù)荷臺(tái)架試驗(yàn)，曲軸前油封內(nèi)側(cè)潤(rùn)滑油壓力與曲軸箱壓力一致(負(fù)壓)，機(jī)油泵轉(zhuǎn)子、腔體無(wú)磨損，曲軸前油封脫落漏油問(wèn)題得以解決。改進(jìn)措施固化到制造過(guò)程中PFD、FMEA、CP和WI控制文件中。

本次問(wèn)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(jì)機(jī)油泵提供了參考依據(jù)，從而有效避免設(shè)計(jì)缺陷的出現(xiàn)。

來(lái)源：《汽車制造業(yè)》2015年第19期