内燃机带螺旋槽曲轴油封的结构参数优化设计

腔（图７），油膜封液能力Ｐ的计算公式‘９３如下：
Ｐ一∥Ｌ芦ｖ＿Ｆ
（１）
式中，肚为润滑油的动力黏度；Ｌ为唇口与轴的接触 宽度；口为旋转轴表面线速度；Ｃ为旋转轴与油封唇 口之间的间隙；Ｆ为螺旋槽结构要素。
图４带螺旋槽油封密封唇的Ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力 图５装配后的油封唇片
图７螺旋回流槽油封结构简图
３．２螺旋槽结构对泵吸效应的影响． 对于螺旋槽结构要素Ｆ，国内文献未作详细讨
关键词：内燃机；油封；螺旋槽；密封机理；结构参数；有限元；优化
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＣ ｅｎｇｉｎｅ；ｏｉｌ ｓｅａｌ；ｈｅｌｉｃａｌ ｇｒｏｏｖｅ；ｓｅａｌｉｎｇ ｍｅｅｈａｎｉｓｍ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；
ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
中图分类号：ＴＫ４０３
第３０卷第３期 ２００９年６月
内燃机工程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
文章编号：１０００—０９２５（２００９）０３一００７０—０５
Ｖ０１．３０ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００９
３０００５５
内燃机带螺旋槽曲轴油封的结构参数优化设计
叶子波，梁荣光，陈润 （华南理工大学机械与汽车工程学院，广州５１０６４１）
万方数据
内燃机工程
２００９年第３期
图，应力最大值出现在弯折处和唇口外表面靠近弯 折处，２个槽口明显被拉宽，由实物图（图５）能看到槽 的宽度从内径开始逐渐增加。图６为接触应力分布 图。计算结果与文献Ｅ８］相似，接触应力会陡然增加， 但由于螺旋槽与储油侧相通，真正起密封作用的只有 最左侧的接触应力。最后一道密封槽不与旋转轴接 触，不能起到泵油的效果，而且减小了油封唇片的厚 度，使得内应力集中，导致密封唇容易断裂。
标准
｝ ［ １ 内
骨 架
ｙ—Ｉ １
毪Ｌ ９ 唇
片 厚 度
『ｕｌ ！
翘曲
ｌＬ ８
『ｕ－ ？
ＩＬ Ｉ
｝ 。Ｉ ｌ
图１装配式油封示意图
图３密封效果示意图
２油封唇口的压力分布
在自由状态下，油封的内径小于轴径，当油封装 在轴上时，ＰＴＦＥ油封的回弹力会给接触面一定的 压力，即接触压力。本文主要分析安装后密封唇与 轴之间的接触压力及其分布，因此建模时省略油封 的骨架和防尘圈，只对防尘唇片和轴进行自由度约 束即可。图４为油封装配在轴上的Ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ａｕｔｏ—Ｅｎｇｉｎｅ Ｏｉｌ Ｓｅａｌ ｗｉｔｈ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｇｒｏｏｖｅ
ＹＥ Ｚｉ—ｂｏ，ＬＩＡＮＧ Ｒｏｎｇ－ｇｕａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｒｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
收稿日期：２００９－０１—１９ 作者简介：叶子波（１９８０一），男，博士生，主要研究方向为内燃机密封性能控制，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｅ．ｚｉｂｏ＠ｍａｉｌ．ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃａ。
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内燃机工程
等，泄漏现象仍比较普遍；聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）油封 具有耐高速性能、良好的减摩性和自润滑性［５］，适用 于高速、无油或少油的工作状态。在现代汽车发动 机曲轴、主动齿轮轴上已开始大量使用主密封唇具 有回油螺纹线加工的ＰＴＦＥ油封，本文将介绍和分 析聚四氟乙烯油封的结构、材料和密封机理。
文献标识码：Ａ
０概述
高速发动机曲轴后油封在汽车油封中要求较 高，必须承受高转速、高负荷，耐高低温等工作条件。 一般采用回流型结构的丁腈橡胶与氟橡胶油封，利 用流体粘性摩擦剪切力特性，使回流线上的棱槽在 旋转轴高速运转时产生流体动压，将唇口部位的润 滑油泵回油封进油侧口’２］。对于没有回流线的油封，
通过调整唇口形状，将密封面的油膜控制在边界润 滑状态，而且滑动面的接触压力分布不均匀，使油封 唇口的表层材料沿摩擦方向形成螺旋方向不同的弹 性变形区，流向储油侧的润滑油多于空气侧时，即产 生“泵吸效应”［３“］。丁腈橡胶材料成本低廉，但耐温 与密封性能较差；氟橡胶的耐温耐油性能好，但成本 较高，且仍具备普通橡胶材料韵某些不良共性：如耐 磨性能差、使用寿命短、对轴的偏心反应特别敏感
和越过螺旋槽顶的流体流动。图９为螺旋槽展开图。
Ｇ一掣Ｋ
（８）
式中，Ｋ为密封系数。
Ｋ一蕊而若等老器丽二而㈩
式中，ｋ。一！堕！为相对槽深。
式（１）没有明确指出螺旋槽各要素对封液能力 的影响，国内厂家在设计密封槽结构尺寸时多半是 根据经验，缺乏理论依据。本文根据螺旋回流槽油 封的密封理论推导出其在无泄漏情况下的密封系数 Ｋ来取代式（１）中的因数Ｆ，以式（９）为目标函数，建 立螺旋槽几何参数ｋ。、ｋ。和ｄ为设计变量的优化数 学模型。
１结构形式与装配
聚四氟乙烯油封由金属骨架、防尘副唇和密封 主唇组成，如图１所示。骨架是不锈钢材料，起到 支撑油封的作用。防尘副唇与轴小间隙配合。防 尘副唇与密封主唇是用碳纤维填充ＰＴＦＥ复合材 料替代传统的橡胶材料。防尘副唇用来防止外界 杂质（如灰尘进入润滑油），避免油封唇口的损坏或 划伤旋转轴表面。碳纤维填充ＰＴＦＥ复合材料具 有摩擦磨损低、弹性好、自润滑性能优异等特性。 密封主唇设计成均匀薄壁断面结构，而且在其靠近 空气侧设计了与旋转轴转向相反的螺旋回流槽。 当主轴旋转时，螺旋槽内的液体产生轴向反压，其 值大于或等于油侧压力，就可消除油液外泄以便达 到密封效果。表１为密封件螺纹旋向和轴转向之 间的关系。密封主唇在加工时被拉成喇叭状，由于 ＰＴＦＥ经拉制后具有记忆收缩能力，装配好的聚四 氟乙烯油封在主轴运转过程中，借助于自身的弹形 变形，在工作中产生的摩擦热使唇口不断收缩，使 唇口部分很好地贴合在轴径上，与轴表面不存在间 隙，而且能补偿磨损。Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ公司设计了１ 种更能节省安装空间的ＰＴＦＥ油封（图２），这种反 向安装的结构能降低唇口温度，使润滑油更容易渗 入密封面以减少摩擦，同时也能增加螺旋沟槽的数 目来增强泵送能力，安装时节省复杂的压装辅助工 具，降低装配时唇口损坏的风险［６］。
论［９￣１１Ｉ，目前用电涡流法测量间隙配合的油膜厚度， 光干涉法测量钢球曲面与玻璃平面的弹流油膜［１ ２’１３］， 但对于过盈配合的曲轴油封，油封随曲轴跳动的变形 导致电涡流传感器安装不便，而且油封与曲轴这对摩 擦副的曲面结构不适用于光干涉法，因此旋转轴与油 封唇口之间的间隙Ｃ很难测定。图８为轴跳动示意 图。发动机工作时，曲轴系统在大小、方向都周期性 变化的切向和法向力作用下，会同时产生弯曲和扭转 振动，强烈的扭振一纵向耦合和弯曲一纵向耦合对纵向 振动的影响很大［１“１５］，由高速旋转引起的径向跳动幅 度ｓ（动态间隙）比Ｃ（静态间隙）大得多，轴跳动量是影 响油封漏油的重要因素，根据轴径向跳动仪的测试，Ｓ 的波动范围在０．０５～０．１ ｍｍ之问。
图２新型ＰＴＦＥ油封
表１螺纹旋向和轴的转向
轴转向 螺纹旋向 高压侧位置
右转（顺时针）
右旋
左旋
左边 右边
左转（逆时针）
右旋
左旋
右边
左边
油封内骨架尺寸、密封主唇的厚度和内径大小都 影响油封的径向力和接触长度［７］。密封主唇与轴的 接触长度随内骨架和密封主唇内径的增加而增加，随 主唇厚度的增加而减小，但密封主唇内径过大和厚度 过小，容易使唇片发生翘曲（图３）。密封主唇与旋转 轴之间是过盈配合，过盈量对油封的径向力大小有直 接影响。过盈量能使油封唇部产生密封作用的径向 力，并能补偿轴偏心产生的振动。过盈量过大会造成 油封唇口过分拉伸，磨损加剧；过盈量过小则会因径 向力不够引起泄漏。设计时选取适当的唇口接触宽 度、过盈量和油封厚度，使泄漏量和磨损量最小。
４优化设计
为了求得最大密封能力，建立数学模型求公式 （９）的最大值，令
ｆ（ｚ）一
鬻＿
图９螺旋槽展开图
按平行平面缝隙流动公式，由压差造成的流量为
ｑ一
（４）
式中，△户为储油侧与空气侧压差；ｂ’为缝宽；ｈ’为缝 深；Ｌ７为缝长。沿螺旋槽的泄漏流量Ｑ。，、沿齿顶的 泄漏量Ｑ。：和越过螺旋槽顶的泄漏流量ＱＬ。分别为
ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｓｅａｌ ｗｉｔｈ ｈｅｌｉｃａｌ ｇｒｏｏｖｅ，ｔｈｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏ订ｓｅａｌ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｅａｌｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｓｅａｌ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｆｌｏｗ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｂａｌａｎｃｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｅａｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｓｅａｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｌｉｃａｌ ｇｒｏｏｖｅ ｗｅｒｅ ｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｃａｎ ｔｒｕｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｓｅａｌ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｉｌ ｓｅａｌ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｌｉｘ ｇｒｏｏｖｅ ａｎｄ ｉｎ— ｃｒｅａｓｉｎｇ ｈｅｌｉｘ ａｎｇｌｅ ｃａｎ ｂｅｔｔｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｃａｎ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｐｕｍｐｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ．
（２）
式中，矗为螺旋槽深度；“。是在位置ｚ处的泵送速 度；ｚ是沿槽深方向的坐标系；ａ为螺旋角。
泵送流量的公式为
Ｑｐ一“。。ｇｂｃｏｓａｈｉ
（３）
式中，ｂ为螺旋槽轴向槽宽；ｉ为螺旋头数，且ｂ×ｉ一
兀Ｄ是。ｔｇ ａ，Ｄ为旋转轴直径，ｋ，一ｊ苦为螺旋槽相对
宽度，ｎ为轴向齿宽。 油封的泄漏分为沿螺旋槽的泄漏、沿齿顶的泄漏
业＝
图６带螺旋槽油封密封唇的接触应力
３密封机理及封液能力
３．１螺旋槽产生的反作用力 带有回油螺纹线加工的ＰＴＦＥ油封，是利用唇
内壁车削的反旋螺纹封油，当轴旋转时，油膜受到螺 旋槽斜面的作用力，将流向空气侧的润滑油压回油
万方数据
图８轴跳动示意图
在工作过程中，进入油封唇部与轴颈结合部位 的润滑油膜随发动机一起转动，在密封间隙处，当泵 送流量与泄漏流量相等时，流量达到平衡而实现密 封。泵送能力是依靠流体粘性产生的剪切流动，槽
鼠，一等署怒≯ ㈤
‰Ｑ一ＩＪ。笔一羞篇盛糍群㈩㈤
ｚ（１）一ｋ。，ｚ（２）一ｋｚ，ｚ（３）一口，对．厂（ｚ）的约束方程
有：ｇｌ（ｚ）一０．１一ｚ（１）＜０；９２（ｚ）一ｚ（１）一１＜０； ９３（ｚ）一３一ｚ（２）＜０；９４（ｚ）一ｚ（２）一１２＜０； ９５（ｚ）一１×∥／１８０—ｚ（３）＜０；９６（ｚ）一ｚ（３）一 ２０ Ｘｐｉ／１８０＜０
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摘要：根据螺旋回流槽油封的密封机理，介绍了骨架油封的装配结构及应力分布，由流量 平衡方程推导出新的螺旋槽油封封液能力公式，分析了在动密封时的封液能力，并建立数学模
型，对螺旋槽的结构参数进行优化设计。结果表明，对螺旋油封进行接触问题的有限元分析， 能真实地反映变形情况。试验结果表明，设计成双头螺旋、加大螺旋角能较大幅度地提高封液 能力，使泵送量随转速的升高而稳定增加。
２００９年第３期
内燃机工程
中的泵送速度决定流量的大小。所谓泵送速度是槽 内流体相对于轴旋转的圆周速度在螺旋槽方向的分 量。沿槽深方向速度值是变化的，为了便于分析．将 螺旋槽内液体的泵送流动模型简化为粘性流体在具 有相对运动的两壁面之间的流动。根据流体力学公 式，槽内泵送速度的平均值为
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