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聚四氟乙烯曲軸后油封的氣密性研究

2019-01-10 08:36:56冉帆郎偉欽
關(guān)鍵詞:油封主機(jī)廠氣密性

冉帆,郎偉欽

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司驅(qū)動系統(tǒng)部,上海201208)

0 引言

汽車發(fā)動機(jī)或變速箱中,各種相互運(yùn)動的部件之間都會產(chǎn)生摩擦磨損,同時(shí)引起能量消耗即產(chǎn)生摩擦功。摩擦功的存在降低了發(fā)動機(jī)的功率,且增加了燃油耗。為了節(jié)能減排,提高發(fā)動機(jī)功率及降低摩擦損失,目前越來越多的汽車開始采用減摩擦技術(shù)。例如采用導(dǎo)熱性能良好的活塞環(huán)涂層材料[1]、采用低黏度機(jī)油[2-3]等,其中曲軸和曲軸油封間的減摩擦技術(shù)也是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

從發(fā)動機(jī)曲軸油封的發(fā)展來看,目前應(yīng)用較為廣泛的為氟橡膠油封;但氟橡膠油封的耐磨性較差、使用壽命較短,且抱軸力較大導(dǎo)致摩擦功較高,已經(jīng)越來越不適應(yīng)現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)的應(yīng)用環(huán)境[4]。

聚四氟乙烯 (PTFE)材料具有較好的耐高低溫性、耐油性、耐介質(zhì)性和自潤滑性。將聚四氟乙烯應(yīng)用在曲軸油封上,可以改善目前高速汽油機(jī)和柴油機(jī)用橡膠油封壽命短、可靠性差的缺陷,且能降低一部分摩擦功,因而PTFE唇片油封在短時(shí)間內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[5];但PTFE唇片油封因其結(jié)構(gòu)和材料性能的原因,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在生產(chǎn)過程中的氣體泄漏測試環(huán)節(jié)經(jīng)常亮紅燈,測試不合格。本項(xiàng)目研究如何提高PTFE唇片油封產(chǎn)品的氣密性能。

1 PTFE唇片油封氣密性差原因

未改性的或純聚四氟乙烯是由結(jié)晶薄片和無序非晶相帶狀組成的聚合物,兩相間分子力極弱,耐磨性和導(dǎo)熱性相對較弱,且易冷流、硬度高、韌性差。一般會在純PTFE材料中加入一些填料 (如玻璃纖維、石墨等)來顯著改善其物理機(jī)械性能[6],但由于PTFE唇片油封的唇片相對較薄,部分填料會凸起裸露在唇片表面[7],影響唇片表面的粗糙度,且因其硬度比氟橡膠材料高,與軸的貼合較差,容易形成一些泄漏通道。另一方面,PTFE唇片油封主要是通過動力螺旋槽的吸引力 (泵吸原理)來提高其密封性能[8]。PTFE唇片油封結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。與傳統(tǒng)的氟橡膠油封相比,PTFE唇片油封的螺旋槽基本上是連續(xù)的,這導(dǎo)致其氣密性性能不如傳統(tǒng)的氟橡膠油封,在發(fā)動機(jī)氣體泄漏測試中經(jīng)常出現(xiàn)泄漏,影響發(fā)動機(jī)生產(chǎn)。發(fā)動機(jī)氣體泄漏測試是當(dāng)今汽車主機(jī)廠生產(chǎn)測試中應(yīng)用最廣泛的一種方法,大部分發(fā)動機(jī)在生產(chǎn)線上都需要經(jīng)過氣密性檢測。因此,如何保證PTFE唇片油封通過主機(jī)廠的氣密性測試是主機(jī)廠正常生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

圖1 PTFE唇片油封結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣密性測試

2.1 發(fā)動機(jī)氣密性測試

氣密性測試,是指在一個(gè)密閉腔體中充入惰性氣體,并保壓一段時(shí)間,然后采用各種方法來評估該腔體密封性能的一種手段。對于每一種密閉腔體,需要確定合適的泄漏測試方法和標(biāo)準(zhǔn)。目前廣泛采用的方法主要有壓力降測量、泄漏率測量、真空度測量、浸泡法、殘余氣體分析、示蹤氣體檢測等。其中泄漏率測量法由于其設(shè)備簡單、成本低、精度高及可測量的范圍廣而得到普遍應(yīng)用[9]。

發(fā)動機(jī)是一個(gè)有著金屬和非金屬應(yīng)用的密閉腔體,主要有鋁合金、鐵材、鋼材、塑料件及各種橡膠件,內(nèi)部還有冷卻液和機(jī)油流動液體,其工作的密封性能決定了發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性,以及客戶的感知質(zhì)量。因此,密封性能是發(fā)動機(jī)的一個(gè)重要考核指標(biāo),在發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中需要對密封系統(tǒng)進(jìn)行完整的試驗(yàn)驗(yàn)證,在發(fā)動機(jī)制造過程中也需要對整機(jī)進(jìn)行初步的氣密性測試,以保證出廠的發(fā)動機(jī)處于合格狀態(tài)。

目前某主機(jī)廠的發(fā)動機(jī)整機(jī)氣密性測試主要應(yīng)用測量氣體泄漏率的方法。如在油道中充入21 kPa壓力的惰性氣體并保持?jǐn)?shù)秒,要求其泄漏率不得大于36 ml/min。惰性氣體會充滿發(fā)動機(jī)內(nèi)部,并作用于各個(gè)零部件的連接處。一旦某個(gè)連接處出現(xiàn)較大的泄漏,則很容易導(dǎo)致整機(jī)氣密性測試失敗,帶來大量的排查及返修工作,嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)拍。

2.2 PTFE唇片油封氣密性測試

發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動會帶動油底殼內(nèi)的機(jī)油飛濺,曲軸油封的作用是密封發(fā)動機(jī)曲軸輸入端及輸出端的飛濺機(jī)油。PTFE唇片油封的唇片在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中因摩擦而迅速升溫軟化,故在高溫油膜的作用下能與曲軸保持良好的接觸而起到密封機(jī)油作用;但PTFE唇片油封在與曲軸第1次裝配時(shí),由于PTFE唇片的特性,與曲軸不能很好貼合,故在整機(jī)氣密性測試中經(jīng)常會出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象,無法滿足發(fā)動機(jī)整機(jī)氣密性測試的一次性通過率。為此,主機(jī)廠在發(fā)動機(jī)生產(chǎn)過程中專門設(shè)置了一個(gè)曲軸后油封泄漏測試環(huán)節(jié),要求在14 kPa氣壓密封試驗(yàn)時(shí),泄漏率≤5 ml/min,以便在發(fā)動機(jī)裝配前期提早發(fā)現(xiàn)問題。目前針對PTFE唇片后油封的氣密性測試,各主機(jī)廠主要采用在唇片上涂機(jī)油的方法來提高后油封的氣密性,但仍然無法100%滿足氣密性要求。

為了保證主機(jī)廠發(fā)動機(jī)的正常生產(chǎn),PTFE唇片后油封制造供應(yīng)商應(yīng)提前進(jìn)行相應(yīng)的氣密性檢測,并通過合理的工藝改進(jìn)以確保產(chǎn)品可以滿足主機(jī)廠氣密性要求。圖2所示為一曲軸后油封供應(yīng)商的油封氣密性檢測設(shè)備。其主要工作機(jī)理是通過PTFE唇片與軸的密封形成密閉腔,在密閉腔中加氣壓,測量氣體的泄漏率,通過泄漏率判斷PTFE唇片油封的氣密性[10]。在PTFE唇片未進(jìn)行任何處理前,泄漏率相對較大,主要集中在50~120 ml/min,主機(jī)廠生產(chǎn)線上氣密性檢測不合格率偏高。為了解決這個(gè)問題,在供應(yīng)商后油封氣密性測試過程中,定義氣體壓力為21 kPa,與主機(jī)廠整機(jī)氣密性測試要求保持一致,最大泄漏率則收緊至5 ml/min。相關(guān)的氣密性測試標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

圖2 氣密檢測設(shè)備

表1 氣密性測試標(biāo)準(zhǔn)

3 PTFE唇片研磨和涂脂工藝研究

3.1 PTFE唇片曲軸后油封

在一種PTFE唇片后油封上進(jìn)行氣密性研究。該油封由沖壓低碳鋼外法蘭、AEM橡膠副唇及PTFE唇片等組成。其上集成了螺栓孔、油封孔、定位銷、背部儲膠槽等,法蘭外圈采用了翻邊工藝來增加油封總成的整體剛度。相應(yīng)配合的曲軸軸徑為84 mm,曲軸最高轉(zhuǎn)速為7 000 r/min。PTFE唇片后油封總成如圖3所示。

PTFE的粉末狀聚合物首先在室溫下壓縮成型,然后在370℃高溫下燒結(jié)融合成一個(gè)堅(jiān)固的形狀,冷卻后經(jīng)切削加工成需要的唇片尺寸。采用等離子或鈉-萘溶液對唇片進(jìn)行處理,使其表面產(chǎn)生活性[11],在一次硫化時(shí)能與AEM橡膠更好地進(jìn)行粘接,并在表面壓出螺旋線狀的回油紋。在PTFE唇片油封孔處插入1個(gè)圓柱狀的定型裝置,二次硫化時(shí)使唇片產(chǎn)生一定程度的反轉(zhuǎn),保證生產(chǎn)線裝配時(shí)不翻唇。PTFE曲軸后油封成型工藝的主要流程如圖4所示。

3.2 PTFE唇片研磨工藝

PTFE唇片油封氣密性較差,主要由PTFE唇片中的填料和唇片上的螺旋槽造成。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵之一是平整PTFE唇片,提高唇片與軸之間的貼合度。因此,提出在曲軸后油封成型之后,再利用旋轉(zhuǎn)軸在PTFE唇片處進(jìn)行研磨的方案,使唇片與軸產(chǎn)生更好的貼合。

圖3 PTFE唇片曲軸后油封總成

圖4 PTFE曲軸后油封成型工藝

PTFE唇片研磨主要由研磨設(shè)備完成。研磨設(shè)備主要由固定裝置和研磨軸組成,如圖5所示。固定裝置將油封固定在設(shè)備上,研磨軸通過在PTFE唇片上的高速旋轉(zhuǎn),對唇片上的玻璃纖維凸起進(jìn)行平整處理,使唇片與軸產(chǎn)生初始的良好貼合。

研磨處理有2個(gè)變量,分別是研磨軸的轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間。研磨軸轉(zhuǎn)速選擇1 800 r/min、2 800 r/min、3 800 r/min和4 800 r/min四個(gè)轉(zhuǎn)速,研磨時(shí)間選擇1 s、3 s、5 s和7 s四個(gè)時(shí)間。每種研磨軸轉(zhuǎn)速和時(shí)間的組合選取30個(gè)油封樣品 (編號從1至30)進(jìn)行試驗(yàn),取泄漏率的平均值作為評估值,與研磨試驗(yàn)前的油封氣密性測試值做對比,通過480組正交試驗(yàn)來找到降低泄漏率效果最佳的研磨軸轉(zhuǎn)速和時(shí)間組合。如表2所示,當(dāng)研磨軸轉(zhuǎn)速為3 800 r/min,研磨時(shí)間為3 s時(shí)的研磨效果最佳,泄漏率平均降低了66.75%,而且研磨用時(shí)短,效率高。

圖5 油封研磨設(shè)備

表2 泄漏率降低比 %

使用3 800 r/min和3s組合研磨后,30組研磨試驗(yàn)的氣體泄漏率前后對比如圖6所示。研磨后氣體泄漏率基本在60 ml/min以下,但仍然無法滿足5 ml/min的目標(biāo)要求。

3.3 PTFE唇片涂脂工藝

除了對PTFE唇片進(jìn)行研磨處理外,在唇片表面涂脂也是一種提高PTFE唇片油封氣密性的有效方式。涂在唇片上的油脂會將回油紋暫時(shí)堵住,使發(fā)動機(jī)內(nèi)部的壓縮氣體無法通過回油紋的螺旋線泄漏。在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),油脂會升溫軟化,隨著機(jī)油的飛濺以及油封的泵吸作用而進(jìn)入油底殼內(nèi)的機(jī)油中。當(dāng)油脂進(jìn)入油底殼中的機(jī)油后,可能會通過油泵的泵吸作用進(jìn)入主油道,進(jìn)而影響整個(gè)發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的潤滑性能。因此,需要通過相應(yīng)的潤滑子系統(tǒng)試驗(yàn)來評估此油脂對整個(gè)潤滑系統(tǒng)的影響,同時(shí)也需要通過發(fā)動機(jī)耐久試驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性。

油脂一般使用特種潤滑脂,如STABYL LT 50。它是一種人工合成的含鋰皂基潤滑脂,具有良好的附著力、熱和機(jī)械穩(wěn)定性、工作穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

唇片涂脂一般通過涂脂設(shè)備完成。涂脂設(shè)備主要由轉(zhuǎn)盤和膠嘴組成,如圖7所示。將PTFE唇片油封放置在轉(zhuǎn)盤上,并隨著轉(zhuǎn)盤一起勻速旋轉(zhuǎn),膠嘴會均勻地將油脂涂在PTFE唇片表面。

圖7 涂脂設(shè)備

圖6研磨前后氣體泄漏率對比

圖8 為涂脂前后PTFE唇片后油封氣體泄漏率的對比情況,樣本數(shù)共30件。涂脂后氣體泄漏率相比于涂脂前明顯下降,基本都在30 ml/min以下。這表明涂脂對于PTFE唇片后油封的氣密性有明顯的改善作用,且比研磨的效果更加明顯;但由于PTFE唇片與軸貼合不好的問題依然存在,單靠涂脂無法完全彌補(bǔ)PTFE唇片與軸之間的間隙,也即無法滿足5 ml/min的目標(biāo)要求。

3.4 PTFE唇片 “研磨+涂脂”工藝

通過以上研究發(fā)現(xiàn),對PTFE唇片研磨和涂脂可以有效地降低氣體泄漏率,但是單獨(dú)進(jìn)行這2項(xiàng)工藝均不能達(dá)到5 ml/min的目標(biāo)泄漏率。因此,提出將這2項(xiàng)工藝進(jìn)行耦合,對PTFE唇片先進(jìn)行最佳組合的研磨處理 (3 800 r/min和3 s),然后再進(jìn)行涂脂處理,并進(jìn)行泄漏率試驗(yàn)。泄漏率試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。通過對比發(fā)現(xiàn), “研磨+涂脂”后的PTFE唇片后油封泄漏率基本為0,完全滿足5 ml/min的要求。這表明此時(shí)的PTFE唇片后油封的氣密性效果達(dá)到最佳。

3.5 新工藝方案制定

基于圖4的工藝,在PTFE唇片后油封制造過程中增加了唇片研磨和唇片涂脂的新工藝,如圖10所示。油封唇片研磨完成后即進(jìn)行氣密性測試,此時(shí)的測試僅為確認(rèn)產(chǎn)品處于可出廠狀態(tài),并非最終的泄漏值。確認(rèn)合格后,再在唇片上涂好油脂,此時(shí)的油封則為出廠狀態(tài),可以包裝入庫,送到主機(jī)廠處進(jìn)行裝配。注意油封在物流途中需保持固定,防止唇片上的油脂與其他物體產(chǎn)生接觸,以確保油脂在唇片上的完整性,避免主機(jī)廠氣密性測試不合格。

圖10 改進(jìn)的PTFE曲軸后油封成型工藝

圖8 涂脂前后氣體泄漏率對比

圖9 “研磨+涂脂”后氣體泄漏率對比

4 結(jié)論

(1)改性PTFE唇片油封因?yàn)樘盍虾徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,氣密性較差,泄漏率大小集中在50~120 ml/min,無法通過發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的氣密性檢測。

(2)對PTFE唇片表面研磨,可以有效地提高PTFE唇片油封的氣密性,且按照3 800 r/min和3 s的組合進(jìn)行研磨,效果最佳,泄漏率相比于研磨前明顯下降,且大部分都低于60 ml/min。

(3)對PTFE唇片表面涂脂,可以有效地提高PTFE唇片油封的氣密性,泄漏率相比于涂脂前明顯下降,且大部分都低于30 ml/min。

(4)通過3 800 r/min和3 s“研磨+涂脂”工藝,在21 kPa壓力下,PTFE唇片油封氣體泄漏率基本為0,可以滿足5 ml/min的氣密性要求。

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