某越野車后橋主齒油封滲油問題分析

梁雅楠Liang Yanan

某越野車后橋主齒油封滲油問題分析

梁雅楠
Liang Yanan

（北京汽車集團越野車有限公司，北京 101300）

描述了某越野車后橋主齒油封滲油問題，分析滲油的主要影響因素，通過對失效油封進行檢測及對設(shè)計配合結(jié)構(gòu)進行分析，確定以更換油封橡膠材料、增加油封防塵唇的優(yōu)化方案，通過臺架試驗和實車試驗驗證了優(yōu)化方案的有效性，解決了該車后橋主齒油封的滲油問題，為后續(xù)車型設(shè)計提供了經(jīng)驗。

后橋；主齒油封；滲油；橡膠材料；防塵唇

0 引 言

作為越野車后橋密封的主要零部件，主齒油封的主要功能是密封后橋里的齒輪油，保證車輛在任何使用工況下不滲油。后橋主齒油封主要由金屬骨架、外包橡膠和彈簧組成，根據(jù)使用環(huán)境、工況等條件的不同，油封的材料及結(jié)構(gòu)會有一定差別。

在車輛實際使用過程中，尤其是車輛持續(xù)高轉(zhuǎn)速高負荷行駛時，后橋中的齒輪油工作溫度比較高，可以達到100℃以上，尤其當夏天環(huán)境溫度很高時，齒輪油的工作溫度會更高；同時，主齒油封主唇口和主動齒輪法蘭盤為過盈配合，主動齒輪法蘭盤在高轉(zhuǎn)速下，其配合軸徑與主齒油封主唇口的相對線速度很高，在相互摩擦作用下，油封主唇口的瞬時溫度可以達到150℃；因此，需要主齒油封具有良好的耐高溫性、耐磨性及跟隨性，以滿足高溫高轉(zhuǎn)速工況下，依然具有良好的密封性，保證不失效、不滲油。

以某越野車后橋主齒油封滲油問題為例，分析滲油的根本原因，并提出優(yōu)化改進方案，通過最終實車驗證，問題得到解決。

1 問題描述

某越野車在高環(huán)試驗和消費者使用時，發(fā)生后橋主齒油封滲油問題，如圖1所示。

圖1 后橋主齒油封滲油

2 原因分析

造成后橋主齒油封滲油的原因很多，主要通過對失效油封的性能檢測和設(shè)計配合結(jié)構(gòu)分析，來判斷滲油的原因。

2.1 檢測油封的性能

2.1.1 硬度檢測

主齒油封橡膠材料為NBR（Nitrile Butadiene Rubber，丁腈橡膠），對失效的主齒油封主唇口進行邵爾A硬度檢測，并對同批次庫存新品油封進行抽樣檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 主齒油封主唇口硬度檢測結(jié)果對比

從檢測結(jié)果可以看出，失效油封主唇口的邵爾A硬度為HS 76.7，新品油封為HS 70左右，失效油封主唇口比新品油封主唇口的硬度高，且超出了油封的設(shè)計要求范圍65～75；因此，失效油封的硬度不滿足要求。

2.1.2 物理表面檢測

采用顯微鏡對失效油封主唇口放大50倍進行檢測，檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 失效油封顯微鏡檢測

通過顯微鏡對失效油封進行放大，可以看出油封主唇口處存在龜裂現(xiàn)象，且油封主唇口部分位置有傷痕[1]；因此，失效油封的主唇口已經(jīng)失效，不能滿足密封要求。

2.1.3 性能檢測結(jié)果

通過對失效油封的硬度檢測和物理表面檢測，油封存在如下兩種失效模式：（1）油封主唇口橡膠老化變硬，造成主唇口龜裂；（2）有雜質(zhì)異物造成油封主唇口損傷。

2.2 分析油封結(jié)構(gòu)

2.2.1 油封結(jié)構(gòu)

失效油封結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用主唇口+副唇口的密封結(jié)構(gòu)形式，其中主唇口與主動齒輪法蘭盤的軸徑通過過盈配合進行密封，副唇口與主動齒輪法蘭盤的軸徑也為過盈配合，用于防止雜質(zhì)異物等混入。

2.2.2 油封安裝配合

油封的安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，油封外圈壓裝到后橋主減速器殼體中，與主減速器殼體為過盈配合，無相對轉(zhuǎn)動；油封主唇口與主動齒輪法蘭盤相配合，為保證其密封性，采用過盈配合，在車輛行駛過程中，主動齒輪法蘭盤旋轉(zhuǎn)，會與油封產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。

圖3 失效油封結(jié)構(gòu)

圖4 后橋主齒油封裝配示意圖

油封與主減速器殼體和主動齒輪法蘭盤配合尺寸關(guān)系見表2。

表2 主齒油封配合尺寸關(guān)系

后橋主齒油封與主減速器殼體和主動齒輪法蘭盤的配合過盈量由油封廠家根據(jù)油封所用車型的工況條件及油封結(jié)構(gòu)形式等推薦，同時參考市場成熟車型后橋主齒油封的配合尺寸，及其他已驗證通過的同類型車型后橋主齒油封的配合尺寸而最終確定；因此不存在設(shè)計過盈量不合理導(dǎo)致滲油的情況。

作為一款越野車，行駛路況通常比較惡劣，來自外部的雜質(zhì)異物，例如泥水、細小的砂石等會飛濺到后橋主齒油封附近，主動齒輪法蘭盤上的防塵罩和主齒油封的副唇口不能完全阻止這些泥水和砂石的侵入，易導(dǎo)致油封的主唇口被劃傷，造成滲油。

2.3 確定滲油原因[2]

針對油封主唇口存在劃傷破損現(xiàn)象，對后橋內(nèi)部的齒輪油和清潔度進行檢測，均未發(fā)現(xiàn)明顯的雜質(zhì)異物，判斷油封主唇口的劃傷不是因后橋內(nèi)部清潔度差導(dǎo)致；因此，可推斷是由車輛外部的雜質(zhì)異物飛濺到油封主唇口處，造成油封主唇口劃傷。

通過對失效的后橋主齒油封進行檢測，對油封的設(shè)計結(jié)構(gòu)及配合尺寸進行分析，及對齒輪油溫度進行實車采集測量，綜合判斷得到后橋主齒油封滲油的根本原因：（1）油封橡膠材質(zhì)為NBR，其耐高溫性不滿足車輛長時間在高轉(zhuǎn)速高負荷工況下的齒輪油溫度，導(dǎo)致主唇口出現(xiàn)硬化龜裂；（2）油封密封結(jié)構(gòu)不能有效地防護外部雜質(zhì)異物，導(dǎo)致油封主唇口劃傷。

3 優(yōu)化方案

根據(jù)以上分析結(jié)果，制定了兩個優(yōu)化改進方案。

3.1 優(yōu)化油封橡膠材料

失效油封采用NBR，其長期使用溫度要求為100℃以內(nèi)，最高使用溫度要求為120℃，對試驗車輛后橋齒輪油溫度采集測量，發(fā)現(xiàn)在某些高轉(zhuǎn)速高負荷工況下長時間工作時，齒輪油溫度達到120℃，在某些特定工況下甚至超過120℃，且由于旋轉(zhuǎn)軸（主動齒輪法蘭盤）表面與油封主唇口部產(chǎn)生摩擦，所以油封主唇口部溫度通常高于齒輪油溫度20～30℃。當油封在高于120℃齒輪油溫度工況下使用時，會使油封橡膠的性能衰減、壽命降低，長時間會導(dǎo)致油封橡膠硬化龜裂，同時影響油封主唇口的隨動性。

此次將主齒油封橡膠材料由NBR改為ACM（Acrylate Material，丙烯酸酯橡膠），其耐高溫性更高，可長期工作在-41～130 ℃，最高使用溫度達150 ℃，可滿足車輛的使用要求。

3.2 優(yōu)化油封結(jié)構(gòu)形式

為有效防止外部的泥水和砂石侵入，對后橋主齒油封的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在原有油封結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一道防塵唇，此防塵唇與主動齒輪法蘭盤上的防塵罩通過過盈配合進行密封，防止外部的泥水和砂石進入油封主唇口處劃傷唇口。優(yōu)化后的主齒油封防塵唇與防塵罩配合結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的主齒油封及配合結(jié)構(gòu)

4 臺架試驗驗證

經(jīng)過后橋主齒油封材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，對優(yōu)化后的樣件進行臺架試驗驗證，優(yōu)化后的油封滿足試驗要求，試驗項目及試驗結(jié)果見表3，試驗后的樣件狀態(tài)見表4。

表3 主齒油封臺架試驗

表4 臺架試驗后的樣件狀態(tài)

5 實車試驗驗證

實車試驗結(jié)果見表5，經(jīng)過實車試驗驗證，未出現(xiàn)后橋主齒油封滲油，滿足要求。

表5 主齒油封實車驗證

6 總 結(jié)

以某越野車后橋主齒油封滲油問題為例，分析了油封滲油的主要影響因素，并通過對油封橡膠材料的優(yōu)化和設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升了油封的耐高溫性，及對外部環(huán)境中入侵的泥水和砂石的防護性能，油封的密封性有了顯著的提升，通過臺架試驗和實車試驗，驗證了油封優(yōu)化設(shè)計的有效性。

經(jīng)設(shè)計改善的后橋主齒油封已批量生產(chǎn)，在售后市場中，后橋主齒油封滲油故障率顯著降低，得到良好改善。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.密封元件為彈性體材料的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈第5部分外觀缺陷的識別:GB/T 13871.5-2015[S].北京：中國標準出版社，2017.

[2]藍恒.淺析油封及其油封滲漏. 汽車實用技術(shù)，2012（10）：58-60.

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