主动齿轮使用聚四氟乙烯油封的研制及其应用

PTFE

主动齿轮使用聚四氟乙烯油封的研制及其应用

 摘要：本文简述了填充聚四氟乙烯(PTFE)这一新型高性能密封材料的特性；论述了聚四氟乙烯油封的先进性与可靠性；研制的聚四氟乙烯主动齿轮油封各项性能指标均满足国家标准，很好地解决了多年来后桥主动齿轮油封的漏油问题。指出填充聚四氟乙烯油封是一种技术含量较高的“三新”产品，是今后油封发展的一个方向，在汽车领域中的应用前景非常广阔。

 叙词：主动齿轮油封

 1 概述 随着汽车工业的快速发展，对发动机、底盘等总成的可靠性要求越来越高，其所使用的油封 尤其是旋转轴油封承受的工况条件也愈来愈苛刻，因此选用的油封其密封性和工作可靠性就 显得特别重要。

 在汽车领域，人们一直沿用橡胶油封，使用比较广泛的是丁腈橡胶油封与氟橡胶材料油封， 前者价格便宜，成本低廉，但耐温与密封性都较差，泄漏情况比较严重；后者的耐温性与密 封性有明显改善，但成本较高，且仍具备普通橡胶材料的某些不良共性，如对轴的偏心反应 特别敏感等，泄漏现象仍比较普遍

 八十年代初，美国Mather与National等公司相继研制成功填充聚四氟乙烯(PTFE)油封代替唇 形橡胶骨架油封，成功地解决了发动机漏水、漏油问题，同时大大提高了发动机乃至汽车的 技术性能。 跃进集团公司NJ1043系列底盘后桥主动齿轮油封以前使用的是丁晴橡胶材料，泄漏较严重， 公司每年要承担几十万元的“三包”索赔，同时影响了整车的形象。在此状况下，公司多次 组织相关单位进行技术攻关，并使用过氟橡胶等材料的油封，效果仍不理想。为此，跃进集 团公司相关部门专门与南京三富实业公司(南京玻璃纤维研究设计院五所)一起，研制聚四氟 乙烯主动齿轮油封，经过半年多的努力，通过严格的材料性能测试、总成台架试验及装车路 试，终于研制成功，很好地解决了后桥主动齿轮的漏油问题。

     2 材料特性 聚四氟乙烯又名特氟隆或塑料王，是四氟乙烯单体的共聚物，它具有下列特性：

 (1)高度的化学稳定性：具有很好的化学惰性，强酸、强碱或强氧化剂及有机溶剂等对它均 不起作用。

 (2)良好的热稳定性：裂解温度在400℃以上，因此，它能够在-200℃～300℃温度范围内正 常工作。)良好的减摩性：PTFE材料相互之间的摩擦系数为0.1～0.2，与金属间的干摩擦 系数为0.1～0.3，有液体润滑的情况下为0.02～0.04，其动静摩擦系数都比较小，且其 始动摩擦系数与动摩擦系数几乎一样。

 (3)优异的自润滑性：PTFE材料表面具有突出的表面自润滑性，几乎所有粘性物质均不能粘 附到它的表面上去。由于聚四氟乙烯材料具有上述特性，如果再将其性能作适当改进，则选用它作汽车旋转轴油 封材料是比较理想的。

    3 油封的研制及其结构型式与密封机理 (1)结构型式与特点 我们研制的油封结构如图1所示。 1-主密封唇2-防尘唇(副唇)3-螺旋槽 图1PTFE油封结构 主密封唇上开有螺旋槽(回流槽)，它的功能是将力图外泄的润滑介质“赶送”回密封腔内。 其过盈量较大，径向力主要由唇口的过盈量保证，属于面接触。防尘唇(副唇)主要用来防止 外界杂质(泥沙、灰尘、水等)进入所密封的介质中，同时也防止外界杂质进入主密封唇与旋 转轴之间，以免引起油封唇口或旋转轴的磨损。 聚四氟乙烯与橡胶相比是两种截然不同的材料，因此在设计与结构上有其自己的特点：

 1、聚四氟乙烯油封一般采用均匀的薄壁断面的密封元件，这种设计方法一方面为补偿聚四 氟乙烯材料的高挠曲模量，满足在大动态偏心的条件下应用，另一方面薄壁面也可减少热膨 胀量和压缩蠕变值，以减少其对接触状态的改变。
 2、密封唇和轴之间的接触为面接触，这样可以保持一个足够的油膜。 (2)密封机理 如前所述，在油封主唇口部刻有螺旋槽，放大后形状如图2所示。图2密封作用原理图 装配好的聚四氟乙烯油封在运转几转后，借助于自身的弹形变形，使唇口部分很好地贴合在 轴径上，后桥在工作过程中，进入油封部与轴颈贴合部位的润滑油膜随着旋转轴一起转动， 一旦油膜碰到油封螺旋槽，就将会受到螺旋斜面的作用而产生一个向机内密封介质的作用力 (图3)。此力就会将欲外流的液体介质压回储油端(也即是油封螺旋槽具有泵吸的功能)。当 该作用力大于油封本身受到的来自储油端的油压时，就能实现密封。 上述压力可用下面公式进行计算： p′=μLvC２F(α,s) 式中 p′—螺旋槽产生的轴向反作用力； C—旋转轴与油封唇口之间的间隙； L—唇口与轴接触宽度； V—旋转轴表面线速度； μ—液体介质的动力粘度； F(α，S)—螺旋槽结构要素。 由上式可知，当后桥工况一定(μ，V，C基本不变)及一定的设计条件(即L不变)时，F(α，S )是影响上述分压力的重要原因，即油封螺旋槽的几何尺寸、方向、密封材料硬度及其弹性 等将直接影响到油封的分压力以及油封的密封性能。 图3油膜受力分析图4 试验与应用研究 为了保证主动齿轮PTFE油封的性能，根据技术条件进行多项试验。

 (1)材料试验研究 碳纤维增强聚四氟乙烯(CFRP)是一种新兴的密封材料，其耐磨性、耐温性、强度及弹性模具 均高于其它填充聚四氟乙烯，自润滑性能优异，最近一、二十年国内外发展很快，我们研制 的油封采用的就是此种材料。 在材料研究过程中，采用正交设计法，设计出SFYⅠ、SFYⅡ、SFYⅢ、SFYⅣ、SFYⅤ五种配 方，经过试验性能对比，选择出SFYⅡ配方更适应轻卡公司后桥主动齿轮密封工况，其机械 物理性能见表1。 表1SFYⅡ配方材料物理性能 序号物理性能单位性能指标 1密度g/cm220～21 2硬度(邵氏D)度50～58 3抗拉强度Mpa16～18.4断裂伸长率%260～300 5磨痕宽度mm4.5～5.0

 (2)油封台架试验 台架试验是在HS-100A回转式油封试验台上进行。该试验台为无级变速、自动记时、自动控 温，可六只油封同时做模拟试，共对24A1-02050B、130-2402050A、221-2402050A、2402NA1 -006四种件号油封进行试验。24A1-02050B主动齿轮油封试验情况见表2。 表224A1-02050B主动齿轮油封性能表(规格：58×103× 12) 项目单位标准要求实测条件 试验用油SAE15W/40机油SAE515W/40机油 轴跳动Mm007502 孔偏心Mm0202 最高转速r/min38003800～4000 试验油温℃环境温度+6090～100 加油量油平面与轴中心线平齐油平 面与轴中心线平齐 样品数量62 试验周期H350350  试验结果见表3。 表324A1-02050B主动齿轮油封试验结果 件号项目性能指标实测结果 0102寿命试验试验结束后，6个密封圈 最大允许泄漏量为12g，单个密封圈最大的 允许泄漏量为3g。从试验装置上拆下的油封唇不应有裂纹出现及明显磨损。无泄漏，无 裂纹及磨损。  研制的四种型号主动齿轮油封全部满足了技术标准要求。为了增加试验结果的可信度与重复 性，还委托第三方权威机构对油封进行台架考核，且全部通过。 (2)道路应用试验 20台装有聚四氟乙烯主动齿轮油封的NJ1043车，通过了3万公里的道路试验，达到了无泄漏 的技术要求。 经过大量的试验研究工作，研制的聚四氟乙烯主动齿轮油封目前已大批量投入装车使用。到 目前为止，已装车上万辆，效果良好，取得了令人满意的结果。

    4 结论

 (1)PTFE是目前最佳的自润油材料，其自润滑性能好，摩擦系数低，在液体润滑情况下为0.02～0.04。

 (2)PTFE油封耐高低温，温度范围为-200℃～300℃。

 (3)对轴的偏心不敏感，在径向跳动04mm工况下仍可正常工作。

 (4)PTFE油封适合于发动机、主动齿轮、变速箱等各种工况的密封。

 (5)PTFE油封可做到无泄漏。

 (6)研制的四种件号的主动齿轮油封均满足国家标准指标要求，很好地解决了后桥主动齿 轮油封漏油问题，产生了较大的经济效益与社会效益。

 (7)填充PTFE油封是一种技术含量较高的产品，是今后油封发展的方向。


奥迪生产A2型

 奥迪公司为了全面占领豪华轿车市场，先后开发并生产了A8、A6、A4、A3等豪华型轿车 ，现在又推出A2型豪华轿车。该车采用12L及14L增压电喷柴油机，百公里油耗为3L。 奥迪公司在A2型轿车上采用了全铝结构，自身质量仅为825kg，其中车身质量比钢板车身轻4.3%；底盘质量减轻81kg；座椅骨架质量减轻19kg；柴油机缸体质量减轻17kg。大众在A2型轿 车上充分利用A8型轿车的生产经验，整车 占60%，铝铸件占22%，铝型材占18%。由于采用了 连铸件和连冲件，使A2型轿车总零件数比A8轿车少240个。例如A8型轿车中车柱由6个零件组 合而成，A2型轿车只采用一个组合件，车身侧板骨架也是一个组合件。奥迪公司还采用全新 的连接技术如激光焊接，焊缝总长30m；熔极惰性气体保护焊，焊缝总长20m；冲铆技术，铆 点1800个。 奥迪公司在内卡苏尔姆厂专为生产A2型轿车建造了一批新厂房；车身厂、总装厂及物流车间 。涂装车间和总装车间连在一起节约了面积。 奥迪公司为生产A2型全铝轿车，设备耗资达3  4亿德国马克。

张庆：1965年生，女，跃进汽车集团轻汽公司 质量部，高级工程师。